ESTUDO DA SECAGEM DAS FOLHAS DE Eucalyptus Staigeriana
POR MEIO DO ACOMPANHAMENTO DA UMIDADE DO AR DE
DESCARGA DO SECADOR.
N. P. Braga1, M. A. Cremasco1, J. O. Brito2 1- Faculdade de Engenharia Química – Universidade Estadual de Campinas.
Cidade Universitária Zeferino Vaz –CEP: 13081-970 – C. P. 6066 Campinas – SP – Brasil Telefone: (0-xx-19) 3788-3969 – Fax: (0-xx-19) 3788-3922 – Email: nbraga@feq.unicamp.br
2- Instituto de Pesquisa e Estudos Florestais – ESALQ/Universidade de São Paulo.
Avenida Pádua Dias, 11 – CEP: 13400-970 – C. P. 530 - Piracicaba – São Paulo – Brasil Telefone: (0- xx- 19) 3436-8600 – Email: jotbrito@carpa.ciagri.usp.br
RESUMO – O fenômeno da secagem pode ser tratado como a transferência simultânea de calor e massa tanto na fase leve quanto na fase pesada. Neste caso, normalmente, tal fenômeno é acompanhado pelo aquecimento da fase pesada e remoção de umidade nela contido. Por outro lado, ao tempo de aquecer o material há o resfriamento da fase leve e a sua umidificação. O presente trabalho intenciona apresentar curvas de umidificação do ar de descarga em um secador do tipo leito fixo em função do tempo de secagem de folhas de Eucalyptus staigeriana. Dessa maneira, há o acompanhamento experimental da umidificação do ar por meio da instalação de termopares de bulbo seco e medidores de umidade relativa na entrada e saída do secador. Os dados coletados da temperatura de bulbo seco e umidade relativa são enviados a um computador, no qual há um software que possibilita o cálculo das umidades absolutas do ar. Para que ocorra a comparação, por meio de balanço de massa, com a cinética de secagem (remoção de umidade da fase pesada ao longo do tempo), os valores obtidos por meio desta metodologia são comparados com aqueles advindos do acompanhamento da perda de massa do material úmido, oriundos de uma balança analítica. PALAVRAS-CHAVE: secagem; umidificação do ar; Eucalyptus staigeriana
ABSTRACT – The drying phenomenon can be treated as simultaneous heat and mass transfer in both the light and heavy phases. In this case, the phenomenon’s evolution is normally observed through the heating and moisture removal from the heavy phase. On the other hands, while the material heating, the light phase is cooling and humidificating. The objective of the present work is to present unload air humidification curves in function of the drying time of Eucalyptus staigeriana leaves. For the air humidification experiments, a dry bulb thermocouple and relative humidity transducer were installed in both the dryer inlet and outlet. The dryer was linked to a data acquisition system, which recorded the dry bulb
temperature and the relative humidity along time. These data were later used to calculate the air moisture content at the dryer inlet and outlet. To check the data obtained by this methodology, they are compared with the one from drying kinetic (moisture content removing of the heavy phase along time), acquired by the evolution of wet material weight through the use an analytical balance.
1.INTRODUÇÃO
Segundo KEEY (1978), a secagem desempenha um importante papel em quase todos os ramos das indústrias de consumo.
De acordo com BARROS FILHO e GRANDI (1981), a secagem é um fenômeno natural ou artificial, durante o qual um corpo úmido diminui progressivamente seu teor de água até alcançar um equilíbrio higroscópico como meio ambiente.
Segundo PERRY e CHILTON (1973), o meio de secagem num secador é constituído de ar úmido, o qual é uma mistura de ar seco e uma quantidade variável de vapor de água. O ar seco consiste de vários gases principalmente oxigênio e nitrogênio, além de outros componentes em menores proporções, como: argônio, dióxido de carbono, neônio, etc. Embora a fração mássica de vapor de água no ar de secagem seja sempre menor que um décimo, a presença das moléculas tem um profundo efeito nesse processo. Existem três termos relacionados à umidade para caracterizar o vapor de água presente no ar de secagem: pressão de vapor (Pv), umidade relativa (UR) e umidade absoluta (W). As temperaturas que se referem às propriedades do ar de secagem são: temperatura de bulbo seco (Tbs), temperatura do ponto de orvalho (Tpo) e temperatura de bulbo úmido (Tbu). Outras
propriedades são utilizadas para cálculos de secagem: entalpia (H) e volume específico (v). As propriedades termodinâmicas da mistura vapor de água e ar seco são essenciais nos problemas de análise nos processos de secagem. Estas propriedades podem ser calculadas por meio de suas equações. Entretanto existem cartas psicrométricas, por meio das quais pode-se chegar nos mesmos valores. O estudo das propriedades termodinâmicas é de essencial importância nos processos combinados de transferência de calor e massa. Geralmente mede-se a temperatura de bulbo seco (Tbs) e a temperatura de bulbo úmido (Tbu) para se determinar o estado termodinâmico do ar e conseqüentemente todas as outras propriedades do sistema ar-vapor de água. Desta forma, o objetivo principal do trabalho é obter curvas da umidade do ar na saída do secador e paralelamente estudar os balanços de massa e energia durante o processo de secagem.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
As etapas de secagem de folhas bem como as extrações do óleo essencial foram desenvolvidas no Laboratório de Processos em Meios Porosos (LPMP) do Departamento de Termofluidodinâmica (DTF), da Faculdade de
Engenharia Química (FEQ), da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Já a análise de cromatografia gasosa do óleo essencial foi realizada no Laboratório de Ciências Florestais da ESALQ/USP, em Piracicaba.
2.1. Materiais
O material estudado consiste de folhas verdes de Eucalyptus staigeriana, (provenientes da Estação Experimental de Ciências Florestais de Itatinga). Tais espécies são originariamente provenientes do norte da Austrália, região que apresenta um maior rendimento e melhor qualidade de óleo essencial (Vitti e Brito, 1999).
2.2. Equipamentos
O processo de secagem das folhas de Eucalyptus staigeriana é realizado por meio por um sistema isolado com lã de rocha e alumínio corrugado, do qual faz parte um secador do tipo leito fixo em aço inoxidável. Este equipamento consiste de um soprador centrífugo com controle de vazão de ar por uma ramificação conectada ao soprador. O aquecimento do agente de secagem dá-se por meio de quatro resistências elétricas de 400W. Adaptado a esta unidade encontra-se o secador e o sistema de aquisição de dados que é utilizado para fazer a aquisição dos dados de temperatura de bulbo seco e umidade relativa do ar ao longo do tempo, conforme mostra a Figura 1. Esses dados coletados pelo aquisitor são utilizados posteriormente para cálculo da umidade do ar de entrada e saída do secador.
1 7 1 2 3 4 5 6 8 9 9 10 Legenda:
1. Válvulas de controle de vazão do ar de secagem; 2. Compressor;
3. Sistema de aquecimento do ar de secagem; 4. Manômetro em U para tomada da velocidade do ar de secagem;
5. Painel de controle da temperatura do ar de secagem;
6. Secador de leito fixo; 7. Leito do secador;
8. Balança semi-analítica para medida da perda de massa;
9. Termômetro de bulbo seco e medidor de umidade relativa;
10. Sistema de aquisição de dados. Figura 1 - Sistema de secagem utilizado neste experimento (Braga, 2002). A extração é efetuada por coobação em
um destilador tipo Clevenger MA553 com capacidade de 250 mL (fabricante MARCONI). A massa de folhas de Eucalyptus staigeriana é pesada em balança analítica, marca BG400 Gehaka, com precisão de 0,001g. O esquema de extração está representado na Figura 2. Apesar de não estar ilustrada nesta figura, cabe
ressaltar que a água de resfriamento necessária à condensação advém de um banho ultratermostático microprocessado com circulador, da marca Quimis, modelo 214M2. Este banho mantém a água a 5 ºC.
Após a extração, o óleo essencial está em mistura com água. Devido ao fato de o óleo apresentar menor densidade, ele é facilmente
drenado por gravidade. Contudo, para separá-lo da água residual, o líquido é levado à centrífuga Centribio, modelo 80-2B e depois armazenado
em frasco de polietileno e em seguida estocado em uma geladeira mantida a 5ºC.
1 2 3 4 5 6 7 Legenda:
1- Balão de 250 mL contendo água e as folhas de
Eucalyptus staigeriana;
2- Retorno da água para o balão; 3- Condensador;
4- Reservatório de água + óleo essencial; 5- Separador da água e óleo essencial.
Figura 2 – Sistema de extração tipo Clevenger (Braga, 2002).
2.3. Procedimento experimental
Inicialmente ajustou-se a temperatura do ar de secagem por meio das resistências, a quais foram monitoradas por um termopar posto na linha de alimentação do ar, bem como por meio dos termômetros de bulbo seco. Esperou-se atingir o regime permanente no leito de secagem por um tempo de uma hora, a qual foi o suficiente, tendo em vista que não se constatou variação significativa na temperatura dos termômetros de bulbo seco na entrada e saída do leito de secagem. Atingido o regime estacionário, as folhas foram dispostas verticalmente em um cesto no leito de secagem. A perda de massa foi monitorada por uma balança semi-analítica, da marca Gehaka, com uma precisão de 0,01g. Estabeleceu-se intervalos de tempo de leitura da perda de massa de intervalos de 1 minuto até 10 minutos e posteriormente foi feito a leitura de 5 em 5 minutos. Para fazer o estudo da secagem pelo monitoramento da umidificação do ar de secagem e comparar com os dados obtidos da balança, iniciou-se a aquisição dos dados com o fechamento do leito de secagem. No inicio de cada ensaio, coletou-se uma amostra para
determinação da umidade inicial das folhas pelo método da estufa. Antes e depois da secagem foram feitas extrações com as folhas frescas e secas, respectivamente, para determinação do rendimento do óleo essencial. As massas de folhas de Eucalyptus staigeriana utilizadas nas extrações foram de 30 g.
O rendimento é expresso pela razão entre a massa de óleo destilado pela massa de folhas frescas, de acordo com a equação 1. A este rendimento, denominou-se no presente trabalho, como base úmida.
(
)
x100 o m ff m u . b % Rd = (1) em que:(
%b.uRd
)- rendimento em base úmida;
ffm - massa de folhas frescas; o
m - massa de óleo essencial de Eucalyptus staigeriana obtido na extração.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Foram realizados três ensaios experimentais variando a temperatura do ar de secagem em 40 e 60 mantendo-se a velocidade do ar de secagem em 6 m/s. No presente trabalho as propriedades do ar secagem serão
calculadas, utilizando-se 2 softwares, SASG 5.0 e GETPSYCHED, que se baseiam nas correlações da “American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineer (ASHRAE)”.
Tabela 1 - Propriedades Termodinâmicas do ar de secagem na entrada e na saída do secador (ensaio = 40 ºC). ENTRADA Tempo (s) (Tbs oC) (%) UR (kg H2O/kg ar seco) W1 Tbu (ºC) (Kcal/kg ar) H 0 40,5 17,07 0,0085 21,1 62,54 60 40,4 17,51 0,0086 21,2 62,88 120 40,4 17,77 0,0088 21,3 63,22 180 40,4 17,71 0,0086 21,2 63,14 240 40,4 17,4 0,0086 21,1 62,74 420 40,4 17,53 0.0086 21,2 62,91 900 41,0 17,54 0.0087 21,5 64,27 1200 40,6 17,61 0.0089 21,3 63,46 2100 41,1 17,41 0.0087 21,6 64,32 3600 41,0 17,84 0.0091 21,6 64,67 6000 40,5 18,13 0.0089 21,4 63,91 6600 6900 7200 40,6 40,2 40,3 18,49 18,18 18,51 0.0089 0,0089 0,0090 21,6 21,3 21,4 64,61 63,29 63,94 SAÍDA 0 38,6 20,69 0,0096 21,1 62,69 60 38,0 25,46 0,0111 22,2 66,72 120 37,8 25,76 0,0116 22,1 66,55 180 37,8 27,18 0,0117 22,5 68,15 240 37,5 26,97 0,0116 22,2 67,11 420 37,4 27,28 0,0115 22,3 67,19 900 37,7 26,39 0,0113 22,2 66,99 1200 38,0 25,48 0,0111 22,2 66,75 2100 38,6 23,99 0,0108 22,1 66,57 3600 38,9 22,99 0,0105 22,0 66,14 6000 39,0 22,75 0,0105 22,0 66,10 6600 38,8 23,17 0,0105 22,0 66,10 6900 7200 39,1 38,9 22,67 23,01 0,0105 0,0105 22,0 22,0 66,25 66,16
O balanço de massa ao longo do processo de secagem, envolvendo o acompanhamento da perda de massa nos intervalos de tempo (t=60 s até 600 s; 300 em 300 segundos posteriormente) e a umidade absoluta é obtida
pelo uso dos dados de Tbs e UR na entrada e saída do secador. Na Figura 3 serão apresentados os resultados obtidos a partir da umidificação do ar de secagem na saída do secador. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 t (min) (Y s -Ye ) (adimensional) 40 ºC 60 ºC
Figura 3 – Curvas de umidificação do ar de secagem na saída do secador. Observa-se por meio da Figura 3 que
com o aumento da temperatura, a remoção de umidade é mais acentuada e dá-se principalmente no início da secagem. Isto pode ser visualizado com os picos crescentes e é onde ocorre uma maior remoção de umidade para a temperatura de 60 ºC.
Os dados de Tbs e UR foram utilizados para calcular a razão de umidade ou umidade absoluta (W). Por meios dos dados de W foram
calculados as perdas acumuladas de água. Este cálculo foi realizado para comparar com os dados obtidos da balança semi-analítica. Na Figura 4 pode-se visualizar as curvas de perda de massa com tempo para as temperaturas de 40 ºC e 60 ºC obtidas pela psicrometria e pela balança semi-analítica. Os dados da psicrometria foram integrados pela regra de Simpson, conforme Equação 1.
( )
( ) ( )
(
f a 4 f c f b)
3h
em que:
RS – regra de Simpson; h – número de intervalos;
f(a), f(b) e f(c) – funções de cada ponto do intervalo.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 30 60 90 12 t (min)
Perda acumulada de água (g)
0
40 ºC - balança 40 ºC - Simpson 60 ºC - balança 60 ºC - Simpson
Figura 4 – Curvas de comparação da perda acumulada da balança com a psicrometria (Regra de Simpson).
A Figura 4 aponta uma concordância razoável entre os métodos para a determinação da perda acumulada de água. Nota-se o aumento da linearidade da perda de massa em função do tempo com o incremento da temperatura do ar de secagem. A diferença entre os dois balanços pode ser atribuída ao fenômeno da condensação do vapor presente na fase gasosa. O fenômeno surge quando uma certa quantidade de água, evaporada é removida pelo ar quente, encontra as camadas superiores e mais frias do leito. Se a diferença de temperatura entre as fases, gasosa e sólida, for suficiente para reduzir a temperatura do vapor de água a valores correspondentes ao seu ponto de orvalho, haverá a condensação de parte deste vapor
contido no gás. Nestas condições, o ar atinge a sua saturação. A diferença de umidade absoluta do ar antes e após saturação é a medida da quantidade de vapor condensado. Este fenômeno foi mais acentuado para a temperatura de 60 ºC.
Outra justificativa seria a faixa de precisão dos instrumentos de medida da temperatura de bulbo seco e medidor de umidade relativa serem de ± 2 % a 25 ºC (é uma medida indireta), isto é, a precisão pode diminuir para mais ou para menos. Já para a balança, a precisão de ± 0,2 % (medida direta). De acordo com esses dados o erro é maior para as medidas da psicrometria.
Os valores obtidos no final da secagem estão listados na Tabela 1.
Tabela 1 – Resultados resumidos de cada ensaio de secagem. T (ºC) URe (%) We (kg/kg) Rdi (%) Rdf (%) mac (bal) (kg) mac (psi) (kg) 40 17,07 0,0085 1,77 2,63 64,22 73,22 60 5,11 0,0064 1,77 2,41 75,29 87,20 em que:
Rd – rendimento em óleo essencial (%); mac – perda de massa acumulada (kg).
4. CONCLUSÕES
Conclui-se que a metodologia utilizada neste trabalho se adequou ao monitoramento da secagem na temperatura de 40 ºC, não tendo o mesma resposta para a temperatura de 60 ºC.
Verificou-se que a temperatura influenciou na linearidade da perda de massa em função do tempo de secagem, conseqüência do aumento da velocidade de remoção de água.
Pode-se notar que a remoção de umidade das folhas de Eucalyptus staigeriana se deu nos 5 minutos iniciais da secagem, conforme Figura 3.
O fenômeno de condensação do vapor presente na fase gasosa foi um dos fatores da diferença do balanço entre os dados da balança e da psicrometria. Outro fator é a diferença de precisão na aquisição dos dados pela psicrometria e balança.
Com o aumento da temperatura do ar de secagem e conseqüentemente do aumento da remoção de umidade houve um aumento de
aproximadamente duas vezes no rendimento de óleo essencial.
5. BIBLIOGRAFIA
BARROS FILHO, S.A.; GRANDI, A. Processo de secagem e automatização. Cerâmica, v. 27, n. 133, p. 37-44, Janeiro 1981.
BRAGA, N. P. Influência da Secagem no Rendimento e na Composição do Óleo Essencial das Folhas de Eucalyptus
citriodora. Campinas, SP (Dissertação de
mestrado), 2002.
KEEY, R. B. Introduction to industrial drying operations. Oxford: Pergamon Press, 1978. PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Chemical
Engineers' Handbook. Washington: MacGraw-Hill, 1973.
VITTI, A. M.S.; BRITO, J. O. Avaliação do rendimento e do teor de citronelal do óleo essencial de procedências e raças locais de Eucalyptus citriodora, Scientia Florestalis, n. 56, p. 145-154, 1999.
