Fluidodinâmica computacional (CFD) na simulação do processo de secagem por atomização

Aqui vamos trazer um breve relato da aplicação da Fluidodinâmica Computacional (CFD) para a simulação do processo de secagem por atomização. Iremos trazer um apanhado geral da ferramenta e do processo de secagem, porém existem muitos detalhes a serem abordados, podendo-se ir muito além, partindo dos conceitos de transferência de calor e massa, de como fazer os modelos e prever o processo, entre outras informações específicas. Mas nosso intuito aqui é trazer a todos as noções gerais, para que pessoas de qualquer área possa ler e entender o tema abordado. 

Boa Leitura!

A Fluidodinâmica Computacional (CFD) é uma ferramenta de simulação que necessita de computadores com alta capacidade de processamento, para reproduzir modelos matemáticos e realizar simulação de processos que dispõem de uma física como: escoamento de fluidos, transferência de calor e de massa, reações químicas, entre outras que envolvem situações reais na indústria. Esses modelos possibilitam prever perfis de velocidade, temperatura, pressão e outros parâmetros específicos do sistema estudado. 

Fonte: Tau Flow

A técnica de CFD é amplamente utilizada em indústrias automotivas, aeroespaciais e nucleares, porém nos últimos anos passou a ser empregada na indústria de alimentos. Sua principal vantagem é a possibilidade de simular, prever e otimizar processos, levando a uma economia de custos e melhoria da qualidade dos alimentos.

Secagem por Atomização (Spray dryer)

O processo de secagem por atomização ocorre no interior de um equipamento chamado spray dryer. No processo de secagem por spray drying um bico atomizador pulveriza soluções ou suspensões em pequenas gotículas no interior de uma câmara de secagem, em que entrarão em contato direto com um ar aquecido, que fornece a energia necessária para a evaporação da água presente na suspensão, transformando as gotículas em partículas de pó, que posteriormente são coletadas por um ciclone. 


A secagem por Spray Drying é amplamente utilizada para redução do volume de produtos leite em pó, café instantâneo, etc.

Fonte: Google Imagens

A secagem por atomização deve garantir um controle preciso do processo de remoção do teor final de água e produzindo a qualidade correta do pó, com eficiência elevada, longos períodos de funcionamento e baixas perdas de produto. 

Fonte: GEA

Os componentes do spray dryer podem ser projetados com o auxílio da fluido dinâmica computacional. A técnica de CFD aplicada ao processo de secagem por spray dryer, se tornou uma ferramenta de grande importância, pois este tipo de secagem envolve escoamentos complexos e multifásicos, com uma mistura de gás, gotículas e partículas. Além disso, a taxa de secagem é fortemente influenciada pela velocidade do ar; por isso, é de grande importância conhecer os padrões de escoamento de ar e sua velocidade no interior da câmara de secagem; para que, por meio destes perfis seja possível encontrar intervalos de escoamentos de ar ideais para uma secagem mais eficiente. 

Fonte: ESSS

Porém, estes parâmetros são difíceis de se medir de forma experimental, pois seriam necessários vários medidores (sensores) distribuídos em várias direções de fluxo de ar e locais. Além disso, existem algumas limitações na modelagem dos fenômenos complexos, especialmente os relacionados à turbulência do gás. Conhecer a trajetória das partículas (velocidade, temperatura, tempo de residência) no interior da câmara de secagem também é de extrema importância para a otimização da secagem, pois todos estes parâmetros, além da velocidade do ar de secagem, influenciarão diretamente na qualidade do produto obtido.

Fonte: TetraPak

Logo, a utilização da fluidodinâmica computacional irá auxiliar os engenheiros, técnicos e envolvidos nos processos da indústria de alimentos a simularem um projeto e obterem as variáveis necessárias para que sua reprodução em planta real tenha uma maior confiabilidade. O CFD também ajuda a criar o projeto ideal para cada laticínio, garantindo um consumo mínimo de energia e outros serviços.

Referências

https://www.esss.co/blog/aprimorando-processos-na-industria-de-alimentos-e-bebidas-com-simulacao/

https://assets.tetrapak.com/static/documents/prepared_food_brochure_39807_4.pdf

https://www.tetrapak.com/br/processing/dairy/milk-powder

HUANG, L.; KUMAR, K.; MUJUMDAR, A. S. A parametric study of the gas flow patterns

and drying performance of co-current spray dryer: Results of a computational fluid dynamics

study. Drying Technology, v. 21, n. 6, 2003.