Princípios de funcionamento - Spray dryer

Spray Dryers são equipamentos que transformam líquido em pó. Para ilustrar seu princípio de funcionamento, vamos descrever o mais simples spray dryer, composto de apenas um estágio de secagem:

O produto é lançado no interior da câmara na forma de spray onde entra em contato com ar previamente aquecido entre 180 a 220 °C. As moléculas de água de cada uma das gotículas formadas se evaporam, fazendo com que as mesmas se transformem em partículas de pó.

Esta transformação é rápida, geralmente toma entre 15 segundos ou menos, e o resultado são partículas de produto em pó suspenso em ar quente e úmido (carregando toda a água evaporada do processo).

Esta mistura de ar/pó é enviada para um sistema de separação -  ciclone é  mais simples deles - onde o pó é recolhido na sua parte inferior e o ar é eliminado para atmosfera.

De acordo com as características da matéria prima ou do pó desejados, diferentes componentes são utilizados:

1. Pré aquecedor de concentrado: Geralmente instalados entre a bomba e o atomizador, têm como objetivo controlar a viscosidade do liquido no momento da atomização e desta forma, ajustar as características do produto final. Seu dimensionamento deve considerar o tempo de operação contínua do spray dryer, geralmente longo, e a pressão de operação, principalmente quando em conjunto com atomizadores a bicos.

2. Atomizadores

• A disco (centrífugo): Formado por um disco que gira a altas rotações (por volta de 10.000 RPM). O concentrado sai da sua extremidade de forma tangencial formando uma névoa que entra em contato com o ar quente da câmara.

•  Atomizador a bicos: Geralmente um conjunto de bicos formado por uma câmara de vortex e orifício. A configuração dos mesmos assim como o posicionamento dos bicos podem ser modificados de acordo com a necessidade do projeto. Necessitam de bomba de alta pressão para funcionamento.

De uma forma geral, o primeiro é mais robusto e de operação simples. O segundo possui mais parâmetros de ajuste e gera uma curva de distribuição mais estreita.

3. Leito Fluidizado Interno: Permite diminuição na temperatura de saída de ar e consequente melhora do stress térmico. Devido á melhor eficiência, acarreta em diminuição de consumo energético da instalação quando comparado a um sistema original. 

4. Leito Fluidizado Externo: Vibratório ou não, é acoplado diretamente na saída do spray dryer. São duas as funções principais:

   • Secagem: Ajuste fino da umidade final

   • Resfriamento: Através de insuflamento de ar frio desumidificado, promove o resfriamento do produto, importante para a manutenção das suas características organolépticas. O faz com duas vantagens: a) Alta eficiência energética (pouco consumo de frio) e tratamento mecânico suave, importante principalmente nos casos de produtos aglomerados.

Vale aqui lembrarmos de uma terceira aplicação: Na fabricação de leite instantâneo integral instantâneo, o leito fluidizado externo é utilizado para manter o pó aquecido durante determinado tempo e temperatura após a lecitinização para correta estabilização do ingrediente.

Em casos em que não há preocupação de tratamento mecânico ou consumo energético, utiliza-se sistema de transporte de resfriamento no lugar de leito. Trata-se de transportar o pó aquecido através de um duto com ar frio desumidificado. Um ciclone separa o produto frio e o ar ao final do sistema.

5. Sistemas de Aglomeração: Um produto em pó aglomerado, 1) Possui menos finos, partículas com diâmetro reduzido quando comparado á média. Estes finos são os responsáveis pela formação de poeira no momento do envase ou manipulação 2) Possuem uma densidade aparente menor que pode ser uma vantagem competitiva principalmente no varejo 3) Tende a ter uma melhor imersibilidade e facilidade de reconstituição principalmente no varejo.

A aglomeração em spray dryer é feita de 3 maneiras: 1) Retorno de Finos: Finos coletados na área de separação, geralmente ciclones ou filtro de mangas são reinjetados na área de atomização. O contato dos finos com as partículas liquidas promovem aglomeração. 2) Configurações especiais na câmara de secagem: Algumas câmaras são desenhadas com a saída de ar posicionada perto da área de atomização. O contato dos finos que o ar carrega com o produto atomizado promove aglomeração. 3) Posicionamento de atomizador a bicos: Os vários bicos de um atomizar são posicionados para que as partículas se colidam promovendo aglomeração.

Do ponto de vista do ar:

1. Sistemas de aquecimento de ar: Uma primeira grande separação pode ser feita.

   • Aquecimento direto: Aquecedores diretos são aqueles que os gases de combustão são insuflados no sistema. Podem utilizar gás, óleo ou similares. Têm como vantagem o baixo custo de investimento, porém há um risco de contaminação do produto com componentes do combustível ou produtos de combustão ineficiente. Geralmente não são utilizados na indústria de alimentos. Uma outra desvantagem é o aumento da umidade do ar, fruto da geração de água pelo processo de combustão.

   • Aquecimento indireto: Alguns tipos:

     1. Radiador de vapor: Simples, eficaz e barato. Muito comum na indústria de laticínios. Como ponto de atenção, devemos lembrar a necessidade de vapor com pressão maior que a usual. Como exemplo, para se operar uma câmara com 200 °C, necessita-se de uma caldeira de 19 bar m de pressão.

     2. Aquecedores de ar indireto: Trata-se de um conjunto formado por sistema de queima (gás, óleo, etc.) e um trocador de calor indireto. O combustível queimado aquece de forma indireta o ar de processo que alimenta o spray dryer. Os gases da combustão é eliminado do processo através de uma chaminé própria. O valor de investimento é maior, porém, dispensa a compra de uma caldeira especial

2. Sistemas de separação de ar/pó:

   • Filtro de Mangas: Como o próprio nome indica, trata-se de um conjunto de cilindros de tecido (mangas) inserido em um involucro rígido, por exemplo, aço inoxidável. A mistura ar pó adentra o sistema entre o invólucro e as mangas. O ar passa pelas mangas, deixando o sistema, geralmente através de um exaustor e chaminé. O pó fica retido na face externa das mangas e caem ao fundo do filtro, podendo ser retirado ou retornado ao sistema para aglomeração, por exemplo. Cada fabricante possui seus acessórios para garantir integridade das mangas. Alguns filtros podem ser limpos de forma automática.

   • Ciclones: Trata-se de componentes de construção simples e sem partes móveis. Baixa necessidade de CAPEX e manutenção. Como no filtro de mangas, o pó retido tanto pode ser retirado do sistema como reinsuflado. Para atender as normas de emissão, geralmente necessitam  trabalhar em conjunto com um lavador de gases ou um filtro de mangas simplificado.

3. Sistemas de tratamento de ar:

   • No que diz respeito á filtragem, diversos tipos de filtros podem ser instalados tanto na captação como após o ventilado/aquecedor, dependendo da necessidade do processo

   • Quanto a desumidificação, podem ser divididos em;

     1. Ar desumidificado e frio para resfriamento de pó: A forma convencional é o resfriamento do ar através de radiador com água gelada até ponto de orvalho a aprox. 5-7 °C, seguido de separador de gotas e radiador com aquecimento a vapor até temperatura ambiente. Trata-se um sistema simples, porém com considerável consumo energético. Sistemas mais eficientes como bomba de calor e rodas de adsorção com chiller embutido estão cada vez mais comuns.

     2. Ar desumidificado para spray dryer: Similar ao anterior, porém de capacidade superior e sem necessidade de se ter um ar frio, os sistemas de roda de adsorção são muito comuns.

Desumidificação de ar em spray dryers é um conceito bem interessante principalmente em instalações em áreas tropicais, naturalmente com níveis altos de umidade.