SECAGEM DE LEITE DESNATADO EM LEITO DE JORRO EMPREGANDO DIFERENTES CONFIGURAÇÕES DE BOCAL DE ENTRADA DE AR

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SECAGEM DE LEITE DESNATADO EM LEITO DE JORRO

EMPREGANDO DIFERENTES CONFIGURAÇÕES DE BOCAL DE

ENTRADA DE AR

M. T. B. PERAZZINI1, F. B. FREIRE2 e J. T. FRERE2

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Universidade Federal de Itajubá, Instituto de Recursos Naturais

2

Universidade Federal de São Carlos, Centro de Secagem, Departamento de Engenharia Química E-mail para contato: maisa@unifei.edu.br

RESUMO – A secagem de pastas é uma técnica muito empregada em vários seguimentos

industriais, o que exige a busca constante por melhorias no processo. Diante disso, o principal objetivo deste trabalho foi estudar a secagem de pastas em leito de jorro empregando diferentes bocais de entrada de ar. Os experimentos de secagem foram conduzidos em um leito de jorro com três ângulos internos de cone (45º, 60º e 75º) e bocais de entrada de ar do tipo tubo reto e Venturi. Leite desnatado foi utilizado como pasta e como material inerte empregou-se partículas de polietileno com 4,38 mm de

diâmetro e massa específica de 930,500,3 Kg/m3. As condições operacionais foram 4,50

kg de inertes, 100ºC e 1,30umj. Os resultados obtidos mostraram que para as condições

operacionais avaliadas, o bocal do tipo Venturi proporcionou maiores valores de ∆Pmáx e

umj. Entretanto, este favoreceu a estabilidade do leito durante a secagem de leite

desnatado. Estas informações mostraram que assim como as características da pasta, a geometria do leito também exerce efeito expressivo na secagem de pastas em leito de jorro.

1. INTRODUÇÃO

O leito de jorro é um equipamento que tem sido amplamente estudado desde a sua descoberta em 1954 por Gisler e Mathur, principalmente no que se refere à fluidodinâmica do leito seco. Mathur e Epstein (1974) verificaram que a velocidade mínima de fluidização é dependente tanto das propriedades do sólido e do fluido, bem como da geometria do equipamento. De acordo com Souza (2003), os parâmetros fluidodinâmicos sofrem ainda, influência das propriedades e dimensões das partículas inertes e da geometria do leito como o ângulo do cone e a relação entre os diâmetros da parte cilíndrica e do orifício de entrada de ar. Olazar et al. (1992) constataram que existem limites de operação para ângulos de cone, para a razão entre o diâmetro de entrada de ar e o diâmetro inferior da base cônica, assim como para a razão entre o diâmetro de entrada de ar e o diâmetro das partículas inertes. Já, Salam e Bhattacharya (2006) relataram que a velocidade mínima de jorro foi influenciada

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pela configuração de bocal utilizada. Bitti (2012) também investigou o efeito de duas configurações distintas de bocal, sendo um bocal do tipo tubo reto e um do tipo Venturi. Foi observado que a velocidade mínima de jorro não sofreu forte influência da geometria do bocal, porém, a queda de pressão foi superior para o bocal do tipo Venturi. Os trabalhos mencionados mostram que no que ser refere ao estudo do efeito da geometria do leito, mais precisamente o bocal de entrada de ar no comportamento fluidodinâmico do leito seco, diversas informações são fornecidas na literatura, nos quais ainda podem ser citados os trabalhos de San José et al. (2001), Olazar et al. (2004) e Altzibar et

al., 2013). Entretanto, ainda são escassas informações referentes ao efeito da geometria do bocal de

entrada de ar no processo de secagem de pastas em leito de jorro.

Com relação à secagem de pastas, Pham (1983) foi um dos primeiros a verificar que a pasta apresenta influência na fluidodinâmica do leito de jorro. Foi observado que a presença da pasta dificultava a movimentação dos inertes na região anular e também favorecia a formação de regiões estagnadas. Nascimento (2013) estudou o efeito de diferentes concentrações de gordura no leite, durante a secagem desse material em leito de jorro. Foi observado que a ausência de gordura no leite desnatado causa mudanças significativas na movimentação dos inertes e um aumento expressivo dos valores de queda de pressão. Os trabalhos apresentados mostraram que, em geral, a influência das características da pasta é avaliada para configuração de leito fixa, já o efeito da geometria do leito é estudado sem a presença de pasta. Deste modo, o objetivo principal deste trabalho foi analisar o efeito da geometria do bocal de entrada de ar na secagem de pastas em leito de jorro, verificando desta forma se a modificação do bocal de entrada de ar possibilitaria minimizar os problemas observados por Nascimento (2013) durante a secagem de leite desnatado em leito de jorro.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Unidade Experimental

O leito de jorro utilizado neste trabalho era constituído por uma câmara de secagem com coluna cilíndrica de 120 cm de altura e 30 cm de diâmetro, três bases cônicas inferiores com ângulos internos de 45º, 60º e 75º, cujo diâmetro de entrada correspondia a 3 cm. A unidade experimental era composta ainda por um soprador, um sistema by pass, um medidor de vazão do tipo Venturi, um controlador de temperatura, um compressor de ar, uma bomba peristáltica, um reservatório para pasta e um sistema de aquisição de dados.

Foram avaliadas neste trabalho duas configurações distintas de bocal de entrada de ar, conforme apresenta a Figura 1. O bocal do tipo Venturi possui uma contração e expansão gradual de área o que favorece a distribuição de ar na base do leito. Já, o bocal do tipo tubo reto, possui seção reta, cujas dimensões foram determinadas com base no trabalho de Olazar et al. (1992), em que os autores afirmam que os valores para a relação entre o diâmetro de entrada da base cônica e o diâmetro de entrada do bocal de entrada de ar (D0/Di) deve ser entre 0,50 e 0,83.

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6,3 cm 3,4 cm 3 cm 15 cm 12 cm 1,1 cm 0,4 cm 6,3 cm 5,5 cm 3,38cm 3 cm 4,5 cm 5,5 cm

Figura 1 – Vista frontal com corte transversal: (a) tubo reto e (b) Venturi.

Os bocais de entrada de ar foram conectados abaixo da base cônica inferior do leito, conforme mostra a Figura 2. Foi inserida uma tela metálica na região do bocal que corresponde a 3cm de diâmetro (Figuras 1a e b), de forma a impedir a saída das partículas inertes na extremidade inferior do leito.

Figura 2 – Conexão entre o bocal e a base cônica inferior do leito: (a) tubo reto e (b) Venturi. Foi utilizado apenas um bocal de entrada de ar do tipo Venturi para as três bases cônicas estudadas (45º, 60º e 75º). No entanto, o ângulo da região superior do bocal em conexão com a base cônica do leito era de 60º (Figura 2b), desta forma o encaixe com os ângulos de cone de 45º e 75º não era exato. Já, o bocal do tipo tubo reto apresentava um degrau entre sua conexão com as bases cônicas inferiores do leito, conforme apresentado na Figura 2(a).

2.2. Partículas inertes e Pasta

Utilizou-se neste estudo leite desnatado como pasta, sendo este selecionado devido ao fato de apresentar altos valores de queda de pressão e dificuldade de movimentação dos inertes durante a secagem, conforme relatado por Nascimento (2013). Assim, decidiu-se estudar este tipo de material para diferentes configurações de leito e verificar se seria possível uma melhora nos problemas

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observados por este autor. Como material inerte foram utilizadas partículas de polietileno com 4,38 mm de diâmetro e massa específica de 930,5 ± 0,3 kg/m3.

2.3. Procedimento Experimental

Inicialmente foram realizados os ensaios fluidodinâmicos do leito seco conforme a metodologia proposta por Mathur e Epstein (1974). Para cada ângulo de cone (45º, 60º e 75º) duas configurações de bocal foram utilizadas, massa de inerte correspondente a 4,50 kg e temperatura do ar de entrada de 100ºC. Este procedimento permitiu a obtenção dos valores de velocidade mínima de jorro e queda de pressão máxima para cada condição experimental avaliada. Com base nos dados obtidos na caracterização fluidodinâmica foram conduzidos os experimentos de secagem do leite desnatado a 100ºC e 1,30umj. Durante o procedimento

experimental foi realizada a obtenção dos valores de velocidade de entrada do ar, de queda de pressão, da temperatura do ar de entrada e de saída, de bulbo seco e úmido na saída do leito em um intervalo de 30 em 30 segundos pelo sistema de aquisição de dados, utilizando uma rotina em labVIEW que fornecia a média e os desvios padrões dos dados obtidos.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1. Fluidodinâmica do Leito Seco

As Figuras 3(a) e 3(b) apresentam os valores médios de velocidade mínima de jorro, umj, e

queda de pressão máxima do leito, ∆Pmáx, em função do ângulo do cone, sob as condições de 4,50 kg

de material inerte e temperatura do ar de entrada de 100ºC.

40 45 50 55 60 65 70 75 80 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 u ( m/s) ângulo do cone (º) 4,50 kg de partículas inertes Bocal do Tipo Venturi Bocal tubo reto

40 45 50 55 60 65 70 75 80 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800  Pm á x ( Pa) ângulo do cone (º) 4,50 kg de partículas inertes Bocal tipo Venturi Bocal tubo reto

Figura 3 – Fluidodinâmica do leito seco com partículas inertes: (a) umj e (b) ∆Pmáx.

Com base nos resultados apresentados nas Figuras 3(a), verificou-se que os valores de velocidade mínima de jorro foram mais elevados quando utilizado o bocal do tipo Venturi, com exceção para θ = 45º, no qual os valores de umj foram próximos entre os bocais. O objetivo principal

de utilizar um bocal de entrada de ar é aumentar a velocidade do fluido no leito, por meio da diminuição da seção transversal do escoamento de ar, bem como direcionar o fluido de modo a diminuir as perdas de carga. No entanto, o bocal do tipo tubo reto possui uma brusca diminuição da

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área de escoamento de ar o que provoca turbulência na entrada do bocal, porém este bocal direciona a vazão de ar de saída principalmente para o centro do leito de partículas, conforme mostra Figura 4(a). Já o bocal do tipo Venturi promove uma contração e expansão gradual de escoamento de ar, o que diminui a turbulência na entrada do leito. No entanto, a expansão da área na saída do bocal funciona como um difusor na base do leito e, como consequência, o ar também é direcionado para as laterais da base cônica (Figura 4b). Desta forma, é necessária uma maior vazão de ar para manter ao leito na condição de jorro mínimo.

Figura 4 – Esquema de distribuição de ar no interior do leito de jorro: (a) tubo reto e (b) Venturi.

Conforme mencionado anteriormente, os valores de umj foram semelhantes para ambos os bocais quando empregado θ = 45º. Isto porque, esta configuração de base cônica possui paredes menos inclinadas em relação à vertical, e, portanto a distância da parede (posição r = 0) é menor quando comparado aos ângulos de cone de 60º e 75º. Assim o ar que seria distribuído em direção às laterais (bocal Venturi) fica mais próximo da região central do leito de partículas. É válido ressaltar que a configuração de leito utilizada para o ângulo de cone de 45º foi cônica, diferente das demais bases cônicas no qual foi utilizada configuração de leito cônico-cilíndrica. Na literatura, diversos trabalhos avaliaram o efeito do bocal de entrada de ar na fluidodinâmica do leito de jorro, dos quais podem ser citados (OLAZAR et al., 1992; SALAM e BHATTACHARYA, 2006; BITTI, 2012; ALTZIBAR et al., 2013). Entretanto, em sua maioria, estes trabalhos estudaram a influência do diâmetro do orifício de entrada de ar. Bitti (2012) avaliou o efeito da geometria do bocal de entrada de ar na velocidade mínima de jorro empregando os mesmos bocais utilizados neste trabalho. Entretanto, foram empregados valores distintos de massa de material inerte, ângulo fixo de base cônica de 60º e esferas de vidro como inertes. Foi verificado que, para as condições operacionais estudadas, a geometria do bocal de entrada de ar não exerceu efeito expressivo, visto que os valores de umj foram similares para ambos os bocais estudados. Isto mostra que outros fatores, como o tipo e a quantidade de partículas inertes utilizadas, também interferem no efeito que o bocal de entrada de ar exerce nos valores de velocidade mínima de jorro.

De acordo com os dados apresentados na Figura 3(b) verificou-se que, para as condições operacionais estudadas, os valores de ∆Pmáx foram mais elevados quando empregado o bocal do tipo

Venturi. A explicação para este comportamento é a mesma apresentada anteriormente para a velocidade mínima de jorro, em que devido à expansão da área na saída do bocal do tipo Venturi funcionar como um difusor de ar na base do leito faz-se necessário uma maior energia para romper o

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leito de partículas e formação do canal de jorro. No entanto, verifica-se que os valores de ΔPmáx não

foram semelhantes para θ = 45º, assim como observado anteriormente para os valores de umj (Figura

3a). Isto possivelmente se deve ao fato de que, mesmo que a base cônica de 45º possua paredes menos inclinadas em relação a vertical e o ar seja direcionado mais ao centro do leito pelo bocal do tipo Venturi, uma mínima dissipação do ar na base do leito faz com que o ar perca pressão e não movimente as partículas. Deste modo, é necessária uma maior energia para romper o leito de partículas. No caso da velocidade mínima de jorro, essa dissipação do ar para θ = 45º pode não fazer grande diferença, pois o leito de partículas já havia sido rompido e encontrava-se em movimento.

3.3. Secagem de Leite Desnatado

As Figuras 5(a-c) e 5(d-f) apresentam o adimensional da queda de pressão do leito de jorro em função do tempo para a secagem de leite desnatado empregando o bocal Venturi e tubo reto, respectivamente, sob as condições de 4,50 kg de inerte, 100ºC e 1,30 umj.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 35 ml/min 40 ml/min 45 ml/min  Pt /  Pt= 0 ( Pa) tempo (s) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 10 ml/min 20 ml/min 30 ml/min 35 ml/min  Pt /  Pt= 0 tempo (s) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 10 ml/min 20 ml/min 30 ml/min 35 ml/min 40 ml/min  Pt /  Pt=0 tempo (s) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Bocal tubo reto 35 mL/min 40 mL/min  Pt /  Pt= 0 tempo (s) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0

Bocal tubo reto 35 ml/min 40 ml/min  Pt /  Pt=0 tempo (s) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Bocal tubo reto 35 mL/min 40 mL/min  Pt /  Pt= 0 tempo (s)

Figura 5 – Adimensional da queda de pressão em função do tempo: (a) Venturi, θ = 45º, (b) Venturi, θ = 60º,(c) Venturi, θ = 75º, (d) tubo reto, θ = 45º, (e) tubo reto, θ = 60º e (f) tubo

reto, θ = 75º.

As Figuras 5(a), 5(b) e 5(c) mostraram que para as condições operacionais estudadas, o bocal do tipo Venturi proporcionou uma modificação da capacidade de secagem do leite desnatado conforme o ângulo do cone utilizado. Observou-se que a maior capacidade de secagem foi obtida para θ = 45º e a menor para θ = 60º. Já, os dados apresentados nas Figuras 5(d), 5(e) e 5(f) mostraram que o bocal

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tubo reto forneceu valores constantes, independente do ângulo de base cônica.

Os resultados apresentados nas Figuras 5(a), 5(b) e 5(c) mostraram ainda que o bocal Venturi junto aos ângulos de cone de 45º e 75º proporcionaram ao leito maior estabilidade em relação a base cônica de 60º. Verificou-se por meio das Figuras 5(a) e 5(c) um aumento sutil do adimensional da queda de pressão nos instantes iniciais da secagem do leite desnatado e que ao longo da secagem estes valores tenderam a 1, com exceção das vazões de alimentações mais elevadas, nas quais o leito entrou em colapso. Já para o bocal Venturi e θ = 60º (Figura 5b), os valores de ΔPt/ΔPt=0 foram elevados.

Este comportamento já era esperado para θ = 60º, visto que este resultados confirmam o comportamento já observados por Nascimento (2013) durante a secagem de leite desnatado em um leito de jorro com bocal do tipo Venturi e θ = 60º. Este autor atribuiu a este comportamento o fato de que, a ausência de gordura do leite desnatado e a presença do açúcar causaram dificuldade de circulação dos inertes, acúmulo de pasta na superfície das partículas, e por consequência elevaram os valores de ΔPt/ΔPt=0. Os resultados obtidos mostraram que a modificação da configuração do leito

aumentou a capacidade de secagem do leito, bem como favoreceu a estabilidade do leito durante a secagem de leite desnatado. No caso das Figuras 5(d), 5(e) e 5(f) verificou-se que ao contrário do comportamento do adimensional da queda de pressão apresentados pelo bocal do tipo Venturi, os valores de ΔPt/ΔPt=0 para o bocal tubo reto foram elevados para todos os ângulos de base cônica

estudados. Este comportamento pode estar relacionado com o fato de que, apesar do bocal tubo reto proporcionar menores valores queda de pressão na fluidodinâmica do leito sem a presença de pasta (item 3.1), o bocal do tipo Venturi dissipa o ar na base do leito, o que favorece uma efetiva troca de quantidade de movimento sólido-fluido e uma intensa mistura entre as fases. A transferência simultânea de calor e massa, por sua vez, será favorecida por tal agitação das partículas e pelo contato gás-sólido. Além disso, conforme mostra a Figura 2(b), o bocal do tipo Venturi possui uma angulação, o que facilita a movimentação dos inertes na base do leito. Já o bocal do tipo tubo reto (Figura 2a) possui uma seção reta de 0,40 cm, onde as partículas podem se depositar na base do leito e dificultar o movimento cíclico característico do regime de jorro. É importante ressaltar que, os resultados obtidos foram consequência da análise conjunta bocal e ângulo de cone. Isto mostra a importância de se realizar o estudo conjunto dos diversos fatores envolvidos no processo de secagem de pastas em leito de jorro. Diante disso, é importante ressaltar que os resultados apresentados neste trabalho foram obtidos para a secagem de leite desnatado com partículas de polietileno, o que sugere que resultados distintos poderiam ser obtidos caso seja utilizado outro tipo de pasta, dimensões de leito, ou material inerte com características distintas aos utilizados neste trabalho.

4. CONCLUSÕES

No presente trabalho avaliou-se o efeito da geometria do bocal de entrada de ar na fluidodinâmica do leito seco, bem como na secagem de leite desnatado em leito de jorro. Os resultados experimentais mostraram que para as condições operacionais avaliadas o bocal de entrada de ar mais indicado para a secagem de leite desnatado foi o bocal do tipo Venturi, visto que junto aos ângulos de 45º e 75º este proporcionou maior estabilidade durante o processo de secagem. Por outro lado, esta configuração de bocal forneceu maiores valores de umj e ∆Pmáx quando utilizado o leito seco

sem a presença de pasta. Por fim, concluiu-se com base nos resultados apresentados neste trabalho a importância de se estudar as características geométricas do leito de jorro, isso mostra que não somente

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as características da pasta devem ser estudadas, mas também as características do equipamento em conjunto com a pasta de interesse.

5. NOMENCLATURA

D0 Diâmetro do bocal de entrada de ar [cm]

Di Diâmetro de entrada da base cônica inferior [cm]

P Pressão [Pa]

Pmáx Pressão máxima do leito [Pa]

umj Velocidade mínima de jorro [m/s]

θ Ângulo interno do cone [-]

∆ Diferença [-]

6. REFERÊNCIAS

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BITTI, M. T. Avaliação das condições operacionais na taxa de evaporação de água em leito de

jorro. 59 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Departamento de Engenharia Química,

Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2012.

MATHUR, K. B.; EPSTEIN, N. Spouted Beds. New York: Academic Press, 1974.

NASCIMENTO, B. S. Análise do efeito da composição química na secagem de pasta em leito de

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Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2013.

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SOUZA, C. R. F. Estudo comparativo da produção de extrato seco de bauinia forficata link pelos

processos spray dryer e leito de jorro. 181 p. Dissertação (Mestrado em Medicamentos e Cosméticos)

- Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão preto, 2003.

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