Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/73760
Type: Tese
Title: Avaliação da cinética de secagem de uma única partícula esférica: um estudo de modelagem e simulação utilizando coeficiente de difusão variável
Authors: Diego Henrique de Souza Chaves
First Advisor: Esly Ferreira da Costa Junior
First Co-advisor: Viviane Santos Birchal
First Referee: Wellington Betencurte da Silva
Second Referee: Andréa Lúcia Teixeira Charbel
Third Referee: Adriana Silva Franca
metadata.dc.contributor.referee4: Leandro Soares de Oliveira
Abstract: Secadores spray têm uma ampla variedade de aplicações na indústria para obtenção de produtos em pó. O controle preciso do processo é essencial, pois uma variedade de partículas pode ser formada por atomização, resultando em partículas com diferentes tamanhos, formas e propriedades. A morfologia e encolhimento das partículas podem ser influenciados por vários fatores, como temperatura, concentração da solução e características do fluido de secagem. Um modelo matemático dinâmico foi proposto para estudar a secagem de uma partícula submetida à secagem convectiva. Considera-se a partícula esférica e simétrica durante todo o processo de secagem, desconsiderando a rotação e a circulação interna de água e de sólidos. O modelo é dividido em duas etapas de secagem e é composto de um sistema de equações algébrico-diferenciais. Para a primeira etapa, aquecimento, evaporação e encolhimento ocorrem simultaneamente. Já na segunda, ocorre aquecimento, núcleo-diminuição, evaporação na interface e difusão de vapor d’água através da crosta. Os resultados simulados foram comparados a dados experimentais de literatura utilizando o coeficiente R² como parâmetro de desempenho. A primeira etapa é influenciada estritamente pelas características do ar de secagem enquanto a segunda etapa depende majoritariamente da crosta porosa formada. Há um rápido aquecimento (∆t ≅ 7s) das gotículas até a temperatura de bulbo úmido na qual ocorre evaporação a taxa constante. Os resultados sugeriram modificação no coeficiente de difusão constante, que foi reequacionado em seguida. O modelo proposto não correspondeu aos dados experimentais de secagem de sílica coloidal mesmo usando coeficiente de difusão variável. Com um coeficiente variável, ao final da secagem, a simulação indicou que aproximadamente 91% da massa da partícula de leite desnatado corresponde à crosta seca. O modelo proposto, avaliado para a secagem de leite desnatado, obteve valores com boa adequação aos dados experimentais de massa (R² > 0,9953) e de temperatura (R² = 0,9879). A análise de sensibilidade avaliou variações de ± 5% em seis fatores e a influência em quatro variáveis de saída. Notou-se que a energia total absorvida pela partícula foi a variável de saída mais sensível a variações em todos os fatores analisados. A temperatura do ar de secagem influencia diretamente na temperatura final da partícula, mas não modifica o seu diâmetro final. A análise de sensibilidade do tamanho da partícula permitiu concluir a importância do controle de atomização em um secador spray.
Abstract: Spray dryers have a wide range of applications in the industry for producing powdered products. Precise control of the process is essential because atomization can result in particles with various sizes, shapes, and properties. Particle morphology and shrinkage can be influenced by several factors, such as temperature, solution concentration, and drying fluid characteristics. A dynamic mathematical model was proposed to study the drying of a particle subjected to convective drying. The particle is considered spherical and symmetrical throughout the drying process, neglecting rotation and internal circulation of water and solids. The model is divided into two drying stages and comprises a system of algebraic-differential equations. In the first stage, heating, evaporation, and shrinkage occur simultaneously. In the second stage, heating, core shrinkage, interface evaporation, and water vapor diffusion through the crust occur. The simulated results were compared to experimental data from the literature using the R² coefficient as a performance parameter. The first stage is strictly influenced by the characteristics of the drying air, while the second stage mainly depends on the formed porous crust. There is a rapid heating ((∆𝑡 ≅ 7𝑠) of the droplets to the wet-bulb temperature, at which point constant-rate evaporation occurs. The results suggested a modification in the constant diffusion coefficient, which was subsequently re-equated. The proposed model did not match the experimental drying data of colloidal silica even when using a variable diffusion coefficient. With a variable coefficient, at the end of drying, the simulation indicated that approximately 91% of the skim milk particle's mass corresponds to the dry crust. The proposed model, evaluated for skim milk drying, showed good agreement with experimental mass data (𝑅2 > 0.9953) and temperature data (𝑅2 = 0.9879). Sensitivity analysis assessed ±5% variations in six factors and their influence on four output variables. It was noted that the total energy absorbed by the particle was the most sensitive output variable to variations in all analyzed factors. The drying air temperature directly influences the final temperature of the particle but does not change its final diameter. The sensitivity analysis of particle size highlighted the importance of atomization control in a spray dryer.
Subject: Análise de sensibilidade
Secagem em spray
Modelos matemáticos
Métodos de simulação
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Restrito
URI: http://hdl.handle.net/1843/73760
Issue Date: 17-May-2024
metadata.dc.description.embargo: 16-May-2026
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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