Material Sólido Úmido

Normalmente, os materiais sujeitos ao processo de secagem consistem de um material estrutural sólido contendo certa quantidade de água. Assim, tais materiais recebem a denominação de “materiais úmidos”, os quais podem possuir diferentes propriedades físicas, químicas, estruturais, mecânicas, bioquímicas e outras propriedades resultantes da estrutura do material e do estado da água nele (STRUMILLO; KUDRA, 1986).

Embora os parâmetros da secagem possam influenciar significativamente o processo e, consequentemente, determinar a técnica e a tecnologia de secagem, o mais importante na prática são as propriedades estruturais, o tipo de umidade nos sólidos e a ligação material-umidade (IBIDEM, 1986).

O conteúdo de umidade do material pode ser definido em base seca (equação 3.7) ou em base úmida (equação 3.8) (KEEY, 1992):

19

1 ⁄ 2 ⁄ " (3.8)

Onde: X: umidade em base seca (kg de água ou umidade / kg de material seco); X’: umidade em base úmida (kg de água ou umidade / kg de material úmido); mA: massa de água ou umidade

(kg) ; mSS: massa de material seco (kg); mSU: massa de material úmido (kg).

Frequentemente, o conteúdo de umidade é expresso como uma percentagem (100%.X ou 100%.X’). A relação entre os conteúdos de umidade em base úmida e base seca é dada pela equação 3.9.

1 1′⁄ 1 1′ _(3.9)

3.4.3.1 Classificação dos Materiais Sólidos Úmidos

Luikov (1968) classificou os materiais úmidos em três tipos, baseando-se em seu comportamento durante a secagem:

− Materiais tipicamente coloidais (géis elásticos): mudam de tamanho, mas preservam suas propriedades elásticas durante a secagem (por exemplo: gelatina, agar).

− Materiais capilares-porosos: tornam-se quebradiços, sofrem leve encolhimento e podem ser facilmente moídos durante a secagem (por exemplo: areia, carvão).

− Materiais capilares-porosos-coloidais: apresentam propriedades dos tipos anteriores. As paredes dos capilares são elásticas e incham durante a umidificação (por exemplo: madeira, couro).

Segundo Luikov (1968), em materiais capilares-porosos, cujos raios dos poros são menores que 10-7 m (microcapilares), a umidade é mantida no material por forças de tensão superficial. Quando os raios dos poros são maiores que 10-7 m (macrocapilares), além das forças capilares, a força gravitacional também atua.

Outra classificação proposta por Mujumdar e Menom (1995) divide os materiais em:

− Não-higroscópicos capilares-porosos: neste material o espaço poroso está preenchido com líquido (material saturado) ou ar (material seco). A quantidade de água

20

fisicamente ligada é desprezível e o material não sofre encolhimento durante a secagem. Exemplos: areia, partículas poliméricas e algumas cerâmicas.

− Higroscópicos porosos: neste tipo de material o espaço poroso é reconhecível, apresenta grande quantidade de umidade fisicamente ligada e sofre encolhimento no início da secagem. Pode ser subdivido em: material higroscópico capilar-poroso, quando apresenta macroporos e microporos (por exemplo: argila, madeira e têxteis), ou material estritamente higroscópico, quando apresenta apenas microporos (por exemplo: sílica gel, alumina, zeólitas).

− Coloidais: neste tipo de material não há poros, a evaporação ocorre apenas na superfície e todo o líquido apresenta fisicamente ligado. Exemplos: sabão, cola, nylon e diversos produtos alimentícios.

3.4.3.2 Tipos de Umidades em Sólidos

No estudo de processos de secagem, é necessário definir tipos característicos de umidade, como (STRUMILLO; KUDRA, 1986; KEEY, 1992; GEANKOPLIS, 1993):

− Umidade inicial (X0): umidade do material no início da secagem.

− Umidade de equilíbrio (XEq): conteúdo de umidade do material que está em equilíbrio

com o vapor contido no agente de secagem. Este é o conteúdo de umidade mínimo que teoricamente um material sendo seco pode atingir em dadas condições de processo. Frequentemente, o XEq é chamado de “conteúdo de umidade higroscópico mínimo”. − Umidade crítica (XC): é uma umidade característica para a mudança de um período de

taxa de secagem constante para uma de taxa decrescente.

− Umidade higroscópica máxima (Xmáx): é a umidade de equilíbrio do sólido quando a

atmosfera ao seu redor está saturada.

− Umidade máxima: é o conteúdo de umidade do sólido quando todos os espaços vazios encontram-se saturados de umidade

− Umidade superficial: este é um filme líquido formado na superfície do material úmido devido efeitos de tensão superficial.

21

− Umidade ligada, higroscópica ou dissolvida: é o líquido que exerce uma pressão de vapor menor que a do líquido puro em dada temperatura (umidade retida em pequenos poros, em solução em paredes celulares, adsorvida química ou fisicamente).

− Umidade não-ligada, livre ou capilar: umidade que pode ser eliminada sob dadas condições de processo. Em materiais higroscópicos é o excesso em relação à umidade de equilíbrio, correspondente à umidade de saturação. Em materiais não-higroscópicos, representa todo o conteúdo de umidade interna presente.

A FIG. 5 ilustra os tipos de umidade através de uma isoterma de sorção genérica.

Figura 5 – Ilustração gráfica dos diversos tipos de umidade

(HR – umidade relativa do ar; X – umidade em base seca).

Fonte: STRUMILLO; KUDRA (1986).

A umidade não-ligada pode estar presente no material em uma das duas formas (FIG. 6): estado funicular (quando existe um líquido contínuo dentro dos poros) ou estado pendular, quando o líquido existente ao redor e entre partículas é descontínuo de modo que a umidade é intercalada por bolhas de ar (STRUMILLO; KUDRA, 1986).

22

Figura 6 – Estados da umidade não-ligada: (a) estado funicular e (b) estado pendular.

(a) (b)

Fonte: STRUMILLO; KUDRA (1986).

No estado funicular, o movimento do líquido para a superfície externa do material ocorre por capilaridade. Conforme a umidade é removida, a continuidade da fase líquida vai diminuindo devido à sucção de ar para dentro dos poros, levando ao isolamento de porções de umidade (estado pendular). Então, o fluxo capilar só é possível em uma escala localizada (STRUMILLO; KUDRA, 1986).

3.4.3.3 Comportamento Higroscópico

Dados de equilíbrio para materiais úmidos são frequentemente mostrados como relações entre a umidade relativa do gás (HR) e a conteúdo de umidade do material em base seca (X).

Exemplos de relações de equilíbrio são as isotermas de sorção mostradas nas FIG. 7 e 8 (GEANKOPLIS, 1993; MCCABE, 2001).

A umidade de equilíbrio varia bastante com o tipo de material em uma determinada umidade relativa, conforme mostrado na FIG. 7. Sólidos insolúveis não-porosos tendem a apresentar umidade de equilíbrio muito baixa como a do caulim (FIG. 7, curva 5). Certos materiais de origem orgânica ou biológica geralmente apresentam elevadas umidades de equilíbrio, como os mostrados na FIG. 8 (GEANKOPLIS, 1993; MCCABE, 2001).

O conhecimento das isotermas de sorção é importante na concentração, desidratação e secagem de materiais; na previsão da estabilidade química, enzimática e biológica; entre outros. Conforme pode ser notado nas FIG. 7 e 8, as isotermas de sorção são representações gráficas da umidade de equilíbrio do material em função da umidade relativa do ar à qual o material é exposto, a uma determinada temperatura (LABUZA, 1968; DURAL; HINES, 1993).

23

FIGURA 7 – Curvas de umidade de equilíbrio a 25ºC para diversos materiais: lã (1), sabão (2), seda (3), papel (4) e caulim (5)

Fonte: MCCABE (2001).

Figura 8 – Curvas de umidade de equilíbrio a 25ºC para gêneros alimentícios: (1) macarrão, (2) farinha, (3) pão, (4) biscoito, (5) albumina de ovo.

24 3.4.4 Cinética de Secagem

A cinética de secagem pode ser definida como a variação do conteúdo de umidade média do material e da sua temperatura com o tempo (X = f (t) e T = f(t), respectivamente). A cinética de secagem permite quantificar a umidade evaporada do material, o tempo de secagem, o consumo de energia, etc. Os parâmetros que influenciam a cinética de secagem são: temperatura, umidade do ar, velocidade relativa do ar e a pressão total (STRUMILLO; KUDRA, 1986).

O processo de secagem é bem ilustrado em diagramas como: a curva de secagem (relaciona a variação da umidade do material em função do tempo), curva de taxa de secagem (relaciona a taxa de secagem do material em função da sua umidade) e curva de temperatura (mostra a variação da temperatura do material com a umidade do material) (STRUMILLO; KUDRA, 1986).

Os dados para a determinação de uma curva representativa são geralmente obtidos em laboratório pela medida da massa e temperatura do material com o tempo. Nas FIG. 9 e 10 são mostradas curvas de secagem e de taxa de secagem típicas, respectivamente.

FIGURA 9 – Curva típica de cinética de secagem

25 FIGURA 10 – Curva típica de taxa secagem

Fonte: STRUMILLO; KUDRA (1986).

Observa-se que no tempo igual a zero, o teor de umidade livre é mostrado no ponto A. No início da secagem (curva A-B), geralmente a temperatura do material úmido (TS) é diferente da

temperatura do agente de secagem (Tg) e, normalmente, após um período curto, a variação da

umidade com o tempo (X = f (t)) apresenta uma característica linear. No período seguinte (caracterizado pela linha B-C), a taxa de secagem é constante e a umidade do material varia linearmente (período de taxa de secagem constante). Quando atinge a umidade crítica (ponto C), a linha torna-se uma curva até atingir a umidade de equilíbrio do material (período de taxa de secagem decrescente), para dada condição de secagem (STRUMILLO; KUDRA, 1986; GEANKOPLIS, 1993; MCCABE, 2001).

A taxa de secagem (W) é definida como a quantidade de umidade removida do material sendo seco por unidade de tempo pela superfície de secagem, ou seja:

3 _{5 ·}44 61₆₇ (3.10),

ou como a equação 3.11, válida para materiais com encolhimento desprezível durante a secagem:

26

Strumillo e Kudra (1986) apresentam curvas de taxa de secagem características para diferentes tipos de materiais, conforme sua higroscopicidade.