MANEJO TECNOLÓGICO E OPERACIONAL DE SECAGEM DE

LACERDA CONSULTORIA LTDA
MANEJO TECNOLÓGICO E OPERACIONAL DE
SECAGEM DE GRÃOS
ADILIO FLAUZINO DE LACERDA FILHO, DSc
Consultor em pós-colheita de grãos – secagem, aeração, esfriamento artificial de grãos e racionalização do uso de
energia em operações unitárias de pós-colheita.
Empresa: LACERDA CONSULTORIA LTDA
E-MAIL: [email protected]
TELEFONE: 55 XX (31)8863-1872
36570-000 Viçosa, MG - Brasil
CONCEITO DE SECAGEM DE GRÃOS
o que é secagem?
SECAGEM
"É o método universal de condicionar os grãos
pela remoção de água, em nível tal, que os
mesmos se encontrem em equilíbrio com o ar
ambiente, permitindo preservar sua aparência e
qualidades nutritivas, como alimento humano e
animal e, ainda, a sua viabilidade como
semente" (Hoja, 1972).
CONCEITOS
SECAGEM NATURAL
É A OPERAÇÃO UNITÁRIA QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANFERÊNCIAS DE CALOR E MASSA, SEM QUE
OCORRA A INTERFERÊNCIA DO HOMEM. PARA A MAIORIA DOS GRÃOS A SECAGEM NATURAL ACONTECE NA
PRÓPRIA PLANTA, PELA AÇÃO DA ENERGIA IRRADIANTE DO SOL, PROPICIANDO A EVAPORAÇÃO E A
MOVIMANTAÇÃO DA ÁGUA DOS GRÃOS PARA O AR ATMOSFÉRICO.
SECAGEM ARTIFICIAL:
É A OPERAÇÃO UNITÁRIA DE PRÉ-PROCESAMENTO QUE ENVOLVE OS FENÔMENOS DE TRANSFERÊNCIAS DE
CALOR E MASSA, UTILIZANDO-SE DE ARTIFÍCIOS QUE PROPICIEM A ACELERAÇÃO DO PROCESSO, EVITANDO-SE
DANOS AOS GRÃOS, DENTRO DE LIMITES ESPECÍFICOS, OS QUAIS PODEM SER CAUSADOS POR IMPACTO E, OU
ESTRESSES TÉRMICOS.
3
O que é um sistema
de secagem?
É UM SISTEMA CARACTERIZADO, BASICAMENTE, POR RECURSOS TÉCNICOS
QUE POSSIBILITEM REALIZAR AS OPERAÇÕES DE RECEPÇÃO, PRÉ-LIMPEZA,
MOVIMENTAÇÃO, SECAGEM E LIMPEZA DOS GRÃOS.
MOEGA DE RECEBIMENTO
SECADOR
TRANSPORADOR
TRANPORTADOR
MÁQUINA PARA PRÉ-LIMPEZA
MÁQUINA PARA LIMPEZA
TRANPORTADOR
TRANSPORTADOR
ARMAZENAGEM
4
SISTEMAS DE SECAGEM
FATORES IMPORTANTES A SEREM CONSIDERADOS PARA SE OBTER O BOM DESEMPENHO DE
UM SISTEMA DE SECAGEM DE GRÃOS:
 PERMITIR OBTER A MÁXIMA PRESERVAÇÃO DAS QUALIDADES DOS GRÃOS, OBSERVADAS
IMEDIATAMENTE DEPOIS DA COLHEITA
 SER ADEQUADAMENTE DIMENSIONADO PARA ATENDER A CAPACIDADE DE RECEBIMENTO DE
PRODUTO ÚMIDO E SUJO
 TER BAIXA DEMANDA DE ENERGIA PARA AS OPERAÇÕES UNITÁRIAS
 TER BAIXO CUSTO OPERACIONAL
 DISPOR DE MÃO-DE-OBRA COMPETENTE PARA REALIZAR TODAS AS OPERAÇÕES
5

ALGUNS FATORES QUE PODEM INFLUENCIAR A CAPACIDADE EFETIVA DE SECAGEM
DE UM SECADOR
1)
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS E BIOLÓGICA DOS GRÃOS
2)
CAPACIDADE NOMINAL DO SISTEMA
3)
TEOR INICIAL DE ÁGUA DOS GRÃOS
4)
TEOR FINAL DE ÁGUA DOS GRÃOS
5)
ÍNDICES DE DANOS E IMPUREZAS OBSERVADOS NOS GRÃOS DEVIDO ÀS OPERAÇÕES DE COLHEITA E
PRÉ-LIMPEZA
6)
COMPETÊNCIA TÉCNICA DO OPERADOR
6
MÉTODOS DE SECAGEM ARTIFICIAL DE GRÃOS
1) SECAGEM EM CAMADA ESTÁTICA
. com ar à temperatura ambiente
. com ar aquecido
2) SECAGEM COM MOVIMENTAÇÃO DE GRÃOS
. com intermitência de calor
. sem intermitência e calor
3) SECAGEM COMBINADA
4) SECA-AERAÇÃO (dryeration)
7
ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DE SECADORES
1) QUANTO AO FLUXO DE AR E DE GRÃOS:

FLUXOS CRUZADOS

FLUXOS CONCORRENTES

FLUXOS CONTRACORRENTES

FLUXOS MISTOS

LEITO FLUIDIZADO
2) QUANTO À ESTRUTURA :

SECADORES DE TORRE

SECADORES DE CASCATAS

SECADORES DE COLUNAS
8
Secagem em silos secadores
camada estática
Modelos
Características
SS1810
SS2410
SS3010
SS3610
Capacidade de secagem (t/h)*
2,0
4,6
7,5
9,2
Volume (m3)
165
300
480
700
Massa (t)
124
225
360
525
Capacidade de armazenagem:
Fonte: www.kepler.com.br
(*) referência para milho: 24 para 14% b.u.
9
Secador contínuo, de fluxos cruzados
10
Secador e lotes, intermitente, de fluxos concorrentes
(Patente UFV)
11
Secador de fluxos contracorrentes
12
SECADOR DE TORRE, DE FLUXOS MISTOS
13
Secador de leito fluidizado
14
ANÁLISE ENERGÉTICA SIMPLIFICADA
DOS SITEMAS DE SECAGEM
15
AVALIAÇAO DE SISTEMAS DE SECAGEM
 Características a serem observada pelo empresário para a aquisição de um secador:
1) características operacionais;
2) entalpia específica do processo de secagem;
3) capacidade dinâmica do sistema;
4) influência do processo sobre a qualidade do produto; e
5) outras características específicas relacionadas ao produto e ao projeto.
Importâncias da avaliação:
1) durante a comercialização, são apresentas pelo fabricante, em sua maioria, apenas as
informações técnicas sobre o desempenho dos secadores e a capacidade de secagem;
2) é necessário conhecer o consumo de energia, em função de seu alto custo;
3) é necessário conhecer a qualidade do produto, depois de secado; e
4) o custo inicial e a capacidade dinâmica não são suficientes para uma tomada de decisão
sobre a capacidade do sistema.
16
ALGUMAS POSSIBILIDADES OPERACIONAIS:
secagem contínua - seca e resfria
secagem contínua - seca e descarrega o produto quente
secagem contínua - seca parcial e descarrega o produto
quente
secagem em lotes, intermitente - seca e resfria
secagem em lotes, intermitente - seca e descarrega quente
secagem em lotes, intermitente - seca parcial e descarrega
quente
17
 Avaliação conforme Baker-Arkema, F. W.; Lerew, L. E.; Brook, R. C.; Brooker, D. B.
Energy an capacity performance evaluation of grain dryers. St. Joseph: ASAE,
1978, 13p. (Paper nº 78-3523).
 A metodologia propõe a avaliação do sistema com número reduzido de testes, sob
condições padronizadas e complementadas com testes de simulação do processo.
 São estabelecidos três testes para secadores em lotes e 24 horas de operação
contínua para secadores contínuos.
 Atualmente os secadores devem ser avaliados considerando a poluição sonora e
de emissão de partículas para o ambiente.
 Os modelos de Thompson et al. (1976) ou de Hukill (1954) podem ser utilizados
para a simulação dos processos.
18
 AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE SECAGEM
Principais fatores que influenciam o desempenho dos secadores:
. teor inicial e final de água dos grãos;
. temperatura inicial e final dos grãos,
. propriedades térmicas dos grãos;
. resistência oferecida ao fluxo de ar;
. temperatura e umidade relativa do ar ambiente;
. características da fonte complementar de energia para o aquecimento do ar;
19
Especificações do sistema
VARIÁVEIS DO PROCESSO
UNIDADES
1. Dos grãos:
Teores inicial e final de água
Temperaturas inicial e final
% b. u.
ºC
Massas específicas inicial e final
kg m-3
Teores de impurezas inicial e final
%
Índices de qualidade
Massa inicial de produto úmido
conforme normas
kg
20
Especificações do sistema
VARIÁVEIS DO PROCESSO
UNIDADES
2. Do ar:
Temperatura do ambiente
ºC
Umidade relativa do ambiente
%
Densidade do fluxo de ar
Pressão estática
m3 min-1 m-2 (ou m3 grãos)
Pa ( ou mm ca)
Temperatura do ar de secagem
ºC
Temperatura de exaustão
ºC
21
Especificações do sistema
VARIÁVEIS DO SISTEMA
UNIDADES
3. Do sistema de secagem:
Volume total ou fluxo de grãos
m3 ou m3 h-1
Tempo de secagem
h
Tempo de esfriamento
h
Tempo de carga e de descarga
h
Tempo de secagem ou comprimento da coluna de secagem
m
Tempo de esfriamento ou comprimento da coluna de
resfriamento
m
Espessura da coluna de secagem
m
Potencia de ventiladores
kW
Potencia do sistema de movimentação de grãos
kW
Tipo da fonte complementar de energia
detalhe
Tipo de combustível
detalhe
22
Especificações do sistema
VARIÁVEIS DO SISTEMA
UNIDADES
4. Características do processo:
Tempos de carga e de descarga
h
Tempo de esfriamento
h
Consumo de combustível
Duarção do teste
Variação do teor de água
Capacidade de secagem relativa aos grãos úmidos
Capacidade de secagem relativa aos grãos secos
kg h-1 ou m3 h-1
h
% b. u.
kg h-1 ou m3 h-1
kh h-1 m3 h-1
Entalpìa específica de secagem com energia elétrica
kJ / kg
Entalpia específica de secagem sem energia elétrica
kJ / kg
23
CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE SECAGEM MAIS UTILIZADO
NA BRASIL
MAIORIA – são secadores de torre, de fluxos mistos, operando
em sistemas de lotes ou contínuos, com aquecimento direto ou
indireto do ar de secagem, utilizando combustíveis sólidos,
líquidos ou gasosos.
24
 OS SECADORES SÃO PROJETADOS COM BASE EM ALGUMAS CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS
OBSERVADAS EM UM PRODUTO, TAIS COMO:
1) Teores inicial e final de água;
2) Índices de impurezas;
3) Temperaturas inicial e final dos grãos; e
4) Algumas propriedades físicas tais como: condutividade térmica, entalpia de vaporização,
difusão de água etc.
5) Parâmetros referenciais de ambiente e de pressão atmosférica
 COM BASE NESSAS CARACTERÍSTICAS HÁ A NECESSIDADE DE SEREM ESTABELECIDOS FATORES
DE CORREÇÃO PARA A CAPACIDADE NOMINAL, CONSIDERANDO DIFERENTES PRODUTOS:
1) Soja e trigo: fator de correção = 1,00
2) Milho: fator de correção = 0,75
3) Arroz: fator = 0,35
25
SECAGEM CONTÍNUA - SECA E ESFRIA
Fonte: Weber (2005)
26
Secagem contínua - com e sem reaproveitamento de ar
Com reaproveitamento de ar
Sem reaproveitamento de ar
Fonte: Weber (2005)
27
Comparação entre os sistemas operacionais com e sem reaproveitamento do ar
Capacidade
nominal de 40 t/h
Vazão
(m3/h)
Potência motores)
(cv)
Energia
(kcal/h)
Com reaproveitamento de calor
100.000
30
2.100.000
Sem reaproveitamento de calor
135.000
50
2.300.00
Economia
35.000
(26%)
20
(40%)
200.000
(8,6%)
Fonte: Weber (2005).
28
Secador com capacidade 80 t/h (soja - 18 para 13% b.u.)
Q = 270.000 m3 de ar/h e Potência = 90 cv (3x30 cv).
Secagem contínua com
esfriamento:
Secagem em coluna inteira sem
esfriamento:
Capac. = 80 t/h
Capac. = 104 t/h
Q = 270.000 m3/h
Q = 270.000 m3/h
P = 3 x 30 cv
P = 3x30 cv
Secagem contínua com
esfriamento e
reaproveitamento de ar:
Capac. = 80 t/h
Q = 180.000 m3/h
P = 2x30 cv
Fonte: Weber (2005)
29
APROVEITAMENTO PARCIAL DE AR QUENTE - SECADORES DE TORRE
30
secagem combinada contínua - seca parcial e descarrega o produto quente
31
 SECAGEM COMBINADA:
1 - seca e descarrega o produto quente (Weber, 2005)
. utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;
. o produto seco e quente é esfriado em silo;
. sugere-se um repouso de 4-6 h;
. aumento da capacidade de secagem - 30%
32
 SECAGEM COMBINADA
2 - seca e descarrega o produto quente e com umidade acima da indicada
para a armazenagem (Weber, 2005)
. utiliza toda a torre do secador como torre de secagem;
. o produto seco e quente é esfriado em silo;
. sugere-se um repouso de 4-6 h;
. aumento da capacidade de secagem - 30%;
. ganhos devido a umidade
33
Seca-aeração
34
21/10/2015
SECA AERAÇÃO

CONDIÇÕES OPERACIONAIS
1)
permite aumentar em até 70 % a capacidade operacional, sendo:
a) 30 a 50 % por transformar a câmara de esfriamento em câmara de
secagem;
b) 30 a 40 % por secar os grãos até a umidade entre 14 e 16 % b.u.; e
c) 10 a 20 % por operar com ar à temperatura igual ou superior a 90 °C.
21/10/2015
35
SECA AERAÇÃO

MELHORIA SOBRE A QUALIDADE DO PRODUTO
a)
b)
reduz em até 30 % o índice de trincas;
reduz os danos causados por estresse de temperatura quando o produto
tem baixo teor de água;
os grãos são menos manuseados no secador;
eficiência de esfriamento em grãos de milho:
- temperatura de 53 °C – perde entre 1,5 e 1,9 % de umidade;
- temperatura de 61 °C – perde entre 1,7 e 2,3 % de umidade; e
- temperatura de 67 °C – perde entre 2,0 e 3,1 % de umidade.
c)
d)
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SECA AERAÇÃO
ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA
a) vazão específica de ar – 0,4 a 1,0 m3 de ar por min por m3 de grãos;
b) o silo deve ter o fundo totalmente perfurado;
c) o sistema de ventilação é fixado na base do silo;
d) a capacidade do silo de esfriamento não deve ultrapassar 300 t;
e) a altura do silo não deve ser superior a 15 m;
f) o teor de impureza não deve ser superior a 3 %; e
g) o silo deve ser equipado com espalhador de grãos.
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37
CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES
A secagem é um processo de conservação muito dispendioso.
Estima-se que 60% do total de energia necessário ao processo de produção é
utilizado para a secagem.
Considera-se no processo de secagem a energia necessária para aquecer e
esfriar os grãos, para aquecer e movimentar o ar e para movimentar os
grãos.
38
 Fatores que influenciam o consumo de combustível e de energia elétrica
durante a secagem
 Características construtivas do secador
 Características operacionais do sistema
 Características do produto a ser secado
 Teores inicial e final de água dos grãos
39
 Formas de expressar as relações de energia:
1) Pelo consumos específico de energia - kJ ou kcal kg-1 de água
evaporada.
2) Quantidade de energia por unidade de massa de produto seco kJ ou Kcal/t.
3) Em cada situação deve-se expressar a energia incluindo e
excluindo a energia elétrica, considerando que os secadores
podem ter diferentes sistemas para a movimentação dos grãos.
40
NOVAS TECNOLOGIAS DE SECAGEM
Secagem em lotes, com intermitência, em secador de fluxos concorrentes e ar
desidratado - café
42
SECAGEM EM LEITO FIXO EM CONDIÇÕES CONTROLADAS DO AR
43
AUTOMATIZAÇÃO DA CONDIÇÃO DE SECAGEM
Características potenciais e objetivadas em um sistema controlado, de secagem:
1 – Segurança: redução do perigo de fogo ou explosão e emissão de partículas;
2 – Garantia da qualidade do produto: manutenção dos atributos desejados para a
qualidade dos produtos e suas propriedades, como sabor, odor, sanidade, cor,
vigor, germinação etc;
3 – Maximização do rendimento;
4 – Economia de energia: minimizar o custo e melhorar a eficiência;
5 – Atenuação dos distúrbios: minimizar a influencia sobre a quantidade e
qualidade do produto;
6 – Estabilidade do processo de secagem: responder as oscilações decorrentes do
processo de secagem do produto; e
7 – Robustez: garantir a operação normal do sistema para uma ampla faixa de
pontos de operação e distúrbios.
44
Metodologia
Variáveis controladas e variáveis manipuladas:
Variáveis controladas:
• Temperatura do ar de saída
• Umidade relativa do ar de saída
Variáveis manipuladas:
• Velocidade do motor do ventilador
• Velocidade do motor do comprensor
45
Metodologia
Curva típica da resposta em malha fechada com as
constantes PID (proporcional integral derivativo) calculadas
com as regras de Ziegler-Nichols
46
Metodologia
Uniformização da umidade da massa de grãos:
47
Metodologia
Sistema de controle para o secador com a UTA:
circuito
48
Resultados
Protótipo:
49
Resultados
Sistema completo:
50
AJUSTE DA TEMPERATURA
51
AJUSTE DA UMIDADE
52
AJUSTES DE TEMPERATURA, UMIDADE RELATIVA E UMIDADE DE
EQUILÍBRIO
53
 Valores de umidade de equilíbrio para diferentes valores de temperatura e de umidade relativa – milho,
soja e arroz (Chung & Pfost, citado por Silva et al., 2000)
Produtos
Milho
Soja
Arroz
T
(ºC)
Umidade de equilíbrio (% b.u.)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
99
15
6,08
7,91
9,34
10,64
11,94
13,31
14,88
16,83
19,79
27,81
20
5,54
7,38
8,83
10,15
11,46
12,85
14,43
16,4
19,39
27,49
25
5,03
6,90
8,36
9,69
11,02
12,24
14,01
16,01
19,02
27,19
30
4,57
6,46
7,93
9,27
10,61
12,03
13,63
15,65
18,68
26,92
35
4,14
6,04
7,53
8,89
10,23
11,66
13,28
15,31
18,37
26,67
15
1,50
3,94
5,83
7,53
9,22
10,99
12,99
15,47
19,15
28,86
20
1,21
3,66
5,55
7,21
8,96
10,75
12,76
15,25
18,95
28,71
25
0,92
3,38
5,29
7,02
8,72
10,51
12,53
15,04
18,76
28,56
30
0,64
3,12
5,04
6,78
8,49
10,29
12,32
14,83
18,57
28,41
35
0,38
2,87
4,79
6,54
8,26
10,07
12,11
14,64
18,39
28,28
15
6,97
8,37
9,48
10,50
11,52
12,60
13,85
15,42
17,82
24,53
20
6,59
8,01
9,13
10,15
11,18
12,27
13,52
15,11
17,53
24,28
25
6,25
7,67
8,80
9,83
10,86
11,97
13,23
14,82
17,26
24,05
30
5,93
7,36
8,49
9,53
10,57
11,68
12,95
14,56
17,01
23,84
35
5,63
7,07
8,21
9,26
10,30
11,42
12,70
14,31
16,77
23,64
Curvas de secagem com sistema automático de
controle da UTA
05 cm
40 cm
80 cm
120 cm
160 cm
200 cm
média
17,00
16,00
Teor de água (% b.u.)
15,00
14,00
13,00
12,00
11,00
10,00
9,00
02/08/2010
05/08/2010
08/08/2010
11/08/2010
14/08/2010
17/08/2010
20/08/2010
Tempo (dias)
55
Literatura consultada
• BROOKER, D.B.; BAKKER-ARKEMA, F.W.; HALL, C.W. Drying and storage of
grains and oilssed. New York: Na Avi Book. 450p., 1992;
• NAVARRO, S.; NOYES, R. (Ed). The mechanics and physics of modern grain
aeration management. New York: CRC Press. 647p. 2002;
• SILVA, J. de S. e (Ed). Secagem e armazenagem de produtos agrícolas.
Viçosa: Aprenda Fácil. 502p. 2000.
• WEBER, E.A. Excelência em beneficiamento e armazenagem de grãos.
Canoas: Editora Salles. 586p. 2005.
56
MUITO OBRIGADO