Aplicação da fluidodinâmica computacional no estudo da secagem do farelo de soja em leito fluidizado

Abstract

RESUMO: Principal fonte de proteína na alimentação animal, o farelo de soja é utilizado na formulação de rações para aves, ovinos, caprinos, suínos e bovinos. A produção mundial de farelo de soja vem crescendo anualmente e a produção brasileira, particularmente, vem aumentando gradativamente, considerando-se que a alimentação animal é uma área em expansão. Desta forma, o farelo de soja é um produto muito valorizado, tanto no mercado agropecuário brasileiro, quanto no mercado mundial. A qualidade do farelo de soja, em termos de suas características nutricionais, depende fundamentalmente das condições de secagem. O processo de secagem reduz o teor de umidade do farelo a níveis que atendam as especificações do mercado para a comercialização do produto, aumentando a validade do mesmo e reduzindo custos com transporte e armazenamento. A secagem convencional do farelo de soja é realizada utilizando-se secadores rotativos com aquecimento indireto. No entanto, esta operação é caracterizada por um alto consumo de energia, elevando, assim, os custos operacionais. Secadores de leito fluidizado têm sido utilizados, com sucesso, como uma forma alternativa aos processos convencionais de secagem. A utilização destes secadores pode levar a altas taxas de secagem, com redução do tempo de operação. Desta forma, o principal objetivo do presente trabalho foi estudar a secagem do farelo de soja em leito fluidizado, com aplicação de fluidodinâmica computacional, que tem sido usada com sucesso para simulações de processos que ocorrem em leitos fluidizados. Os ensaios de secagem do farelo de soja foram realizados em escala de laboratório, sendo avaliada a influência de importantes parâmetros no processo de secagem em leito fluidizado, como a temperatura e a velocidade do agente secante, a altura do leito de particulas e o tamanho das particulas. O agente secante utilizado foi o ar, nas temperaturas de 40, 50 e 60„a C, e velocidades de 1,01, 1,34, 1,64 e 2,06 m/s. As alturas do leito de particulas utilizadas foram 7,5, 10,0 e 12,0 cm, com particulas apresentando diametros medios iguais a 0,2362, 0,2080, 0,0993 e 0,0347 cm. Os resultados experimentais mostraram que a etapa limitante do processo de secagem do farelo de soja e a migracao da umidade no interior das particulas, considerando-se que as curvas da taxa de secagem obtidas apresentaram somente o periodo de taxa decrescente. Em relacao a influencia dos parametros no processo de secagem, verificou-se que tanto a temperatura, quanto o tamanho das particulas, apresentam uma influencia significativa sobre o mesmo. A velocidade do agente secante apresentou uma leve influencia sobre o processo somente para as velocidades mais baixas, e a altura do leito nao apresentou influencia significativa. Aos dados de secagem, foram aplicados nove modelos semi-empiricos apresentados na literatura. Os modelos que melhor se ajustaram aos dados experimentais foram os modelos Aproximacao da Difusao, Dois Termos, Midilli et al., Page e Page modificado. As simulações computacionais realizadas com o código de fluidodinâmica computacional MFIX foram baseadas nos resultados obtidos experimentalmente. Devido ao esforço computacional, as simulações numéricas foram realizadas utilizando o sistema de coordenadas cilíndricas 2D, com simetria em relação ao eixo (axisymmetric). A malha empregada foi de 5 (radial) x 20 (axial) células. Foi investigada a influência de diferentes correlações de arraste nos resultados numéricos. As correlações utilizadas, disponíveis no código numérico, foram as correlações de Syamlal–O’Brien, Gidaspow, Wen–Yu e Hill–Koch–Ladd. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostrou que a correlação de Syamlal–O’Brien é a mais adequada para predizer o comportamento fluidodinâmico do leito fluidizado. Resultados numéricos das curvas de secagem do farelo de soja para diferentes condições de operação foram obtidas considerando-se um tempo de secagem de 3000 segundos. Adicionalmente, resultados numéricos para as temperaturas do ar e do sólido e da umidade do ar foram obtidos. Os resultados numéricos obtidos apresentaram boa concordância com os resultados experimentais, mostrando que o modelo matemático é adequado para predizer tanto a fluidodinâmica, quanto o processo de secagem do farelo de soja em leito fluidizado.

ABSTRACT: As the main source of protein in animal feed, soybean meal is used in feed formulation for poultry, sheep, goats, pigs, and cattle. World production of soybean is increasing annually and Brazilian production, particularly, is gradually increasing, as animal feed is an expanding area. Thus, soybean meal is a highly valued product in both Brazilian and world agricultural markets. The quality of soybean meal, in terms of nutritional characteristics, depends fundamentally on the drying conditions. The drying process reduces the moisture content of the meal to levels that meet market specifications for commercialization of the product, increasing its shelf life and reducing transportation and storage costs. Conventional soybean meal drying is performed using rotary dryers with indirect heating. However, this operation is characterized by a high consumption of energy, which increases operating costs. Fluidized bed dryers have been successfully used as an alternative to conventional drying processes. The use of these dryers can lead to high drying rates with reduced operation time. This way, the main objective of this work was to study soybean meal drying in fluidized bed with application of computational fluid dynamics, which has been successfully used for the simulation of processes occurring in fluidized beds. The influence of important parameters such as temperature and velocity of the drying agent, bed height, and particle size on the fluidized bed drying process was evaluated during soybean meal drying experiments conducted in laboratory scale. The drying agent was air at temperatures of 40, 50, and 60 „aC and velocities of 1.01, 1.34, 1.64, and 2.06 m/s, corresponding to 1.6 umf, 2.1 umf, 2.6 umf, and 3.2 umf, respectively. Bed heights of 7.5, 10.0, and 12.0 cm were used, with particles presenting average diameters of 0.2362, 0.2080, 0.0993, and 0.0347 cm. The experimental results showed that the limiting step of the soybean meal drying process is moisture diffusion inside the particles, as the drying rate curves presented only the decreasing rate period. Temperature and particle size were found to have significant influence on the drying process. The drying agent velocity presented a slight influence on the process only for lower values, and bed height showed no significant influence. Nine semi-empirical models from literature were applied to the drying data. The models that were best fitted to the experimental data were Diffusion Approximation, Two Terms, Midilli et al., Page, and Modified Page. Computer simulations – performed with the computational fluid dynamics code MFIX – were based on experimental results. Due to the computational effort, numerical simulations were performed using the 2D axisymmetric cylindrical coordinates system. The grid employed was of 5 (radial) x 20 (axial) cells. The influence of different drag correlations on the numerical results was investigated. The correlations available in the numerical code were Syamlal - O'Brien, Gidaspow, Wen - Yu, and Hill - Koch - Ladd. The comparison between numerical and experimental results showed that Syamlal - O'Brien is the best suited correlation for predicting the fluid dynamic behavior of the fluidized bed. Numerical results of the soybean meal drying curves were obtained for different operating conditions, considering drying time of 3000 seconds. Numerical values were also obtained for air and solid temperature and air humidity. The numerical results presented good agreement with experimental values, showing that the mathematical model is adequate to predict the fluid dynamics as well as the soybean meal drying in a fluidized bed.