Dimensionamento de secador por atomização: cálculo da capacidade de evaporação, potência de aquecimento e vazão de ar

Um secador por atomização é dimensionado pela capacidade de evaporação, os quilogramas de água que remove por hora, e não pela produção de pó ou pela altura da torre. Para dimensioná-lo, converta a produção de pó necessária em água a evaporar usando o teor de sólidos da alimentação e, depois, estime o calor e a vazão de ar necessários a partir das temperaturas de entrada e saída. O cálculo abaixo é uma primeira estimativa; um teste piloto e o projeto do fornecedor confirmam a máquina final.

Muitos problemas de cotação começam com o número errado. Quem pede «um secador por atomização de 100 kg/h» pode estar falando de 100 kg/h de pó, 100 kg/h de alimentação ou 100 kg/h de água evaporada, e esses valores diferem por um fator de dois ou mais. Este guia mostra como transformar a sua meta de processo no número que importa, com um exemplo resolvido que você pode adaptar.

Contexto rápido: por que a capacidade de evaporação é o número de dimensionamento

Quase toda a energia e a maior parte do tamanho do equipamento de um secador por atomização dependem de quanta água precisa sair das gotas. Isso determina a entrada de calor, a vazão de ar, o volume de câmara necessário para o tempo de residência e o tamanho do ventilador e do sistema de coleta. Dois secadores com a mesma altura de câmara podem ter taxas de remoção de água muito diferentes, conforme a temperatura e a vazão do gás.

Por isso as linhas de modelos são identificadas pela evaporação. O secador por atomização a pressão da SINOTHERMO vai do YPG-50, com 50 kg/h, ao YPG-1000, com 1.000 kg/h, e o secador por atomização centrífugo vai do LPG-25, com 25 kg/h, à linha LPG-200-2000, de 200 a 2.000 kg/h de água.

Passo 1: defina o que você precisa

Reúna estes dados antes de calcular.

Escolha T_in e T_out a partir dos limites do seu produto. Se tiver dúvida de como, leia primeiro o guia de temperaturas de entrada e saída na atomização.

Passo 2: converta a produção de pó em alimentação e água a evaporar

1. 1.Sólidos secos no pó: P × (1 − w_p) = 100 × (1 − 0,04) = 96 kg/h de sólidos.
2. 2.Vazão de alimentação necessária: sólidos ÷ fração de sólidos da alimentação = 96 ÷ 0,30 = 320 kg/h de alimentação.
3. 3.Água que entra com a alimentação: 320 − 96 = 224 kg/h.
4. 4.Água que permanece no pó: 100 − 96 = 4 kg/h.
5. 5.Água a evaporar: 224 − 4 = 220 kg/h.

Conferência: alimentação 320 kg/h = pó 100 kg/h + água evaporada 220 kg/h. O balanço fecha.

Este é o resultado-chave: essa tarefa precisa de um secador dimensionado para cerca de 220 kg/h de evaporação nas suas temperaturas de operação, e não de um «secador de 100 kg/h».

Uma consequência útil: o teor de sólidos da alimentação tem um efeito grande. Com 20 por cento de sólidos, os mesmos 96 kg/h de sólidos exigem 480 kg/h de alimentação e cerca de 380 kg/h de evaporação. Aumentar o teor de sólidos de 20 para 30 por cento reduz a carga de evaporação em mais de um terço; concentrar a alimentação antes de pulverizar, por exemplo por evaporação, economiza tamanho de secador e energia, desde que a alimentação continue bombeável e pulverizável.

Passo 3: estime o calor necessário

O calor necessário tem três partes.

1. 1.Evaporação da água. O calor latente da água nas condições de atomização é de aproximadamente 2.400 kJ/kg (cerca de 2.260 a 100 °C e mais em temperaturas menores). Para 220 kg/h: 220 × 2.400 = 528.000 kJ/h, cerca de 147 kW.
2. 2.Aquecimento da alimentação até a temperatura de secagem. Suponha um calor específico de cerca de 3,5 kJ/kg·K para uma alimentação com 30 por cento de sólidos, aquecida de 20 °C a cerca de 50 °C: 320 × 3,5 × 30 = 33.600 kJ/h, cerca de 9 kW.
3. 3.Aquecimento do pó seco. 96 kg/h × 1,5 kJ/kg·K × cerca de 60 K = cerca de 8.600 kJ/h, cerca de 2,4 kW.

O calor útil é de cerca de 147 + 9 + 2,4 = cerca de 158 kW. Some as perdas de calor da câmara e dos dutos. Um valor de 10 a 15 por cento é típico para uma unidade isolada, mas deve ser confirmado para o seu projeto, o que dá cerca de 180 kW que o gás precisa ceder entre a entrada e a saída.

Passo 4: estime a vazão de ar

O gás cede calor ao esfriar de T_in para T_out. Com um calor específico de cerca de 1,05 kJ/kg·K para ar úmido:

Vazão mássica de ar = calor cedido ÷ (c_p × (T_in − T_out)) = (180 kW × 3.600 kJ/kW·h) ÷ (1,05 × (200 − 90)) = 648.000 ÷ 115,5 = cerca de 5.600 kg/h de ar seco.

Com densidade ambiente de cerca de 1,2 kg/m³, isso dá cerca de 4.700 m³/h em condições ambientes. O ventilador precisa lidar com um volume maior nas condições quentes de saída, por isso o fornecedor o dimensionará para o volume real de exaustão.

Confira a umidade da exaustão: 220 kg/h de água em 5.600 kg/h de ar acrescentam cerca de 0,04 kg de água por kg de ar seco, bem abaixo da saturação a 90 °C, de modo que a exaustão está longe de condensar.

Passo 5: estime o tamanho do aquecedor

O aquecedor precisa elevar o ar da temperatura ambiente até a temperatura de entrada:

Potência do aquecedor = vazão de ar × c_p × (T_in − T_a) = 5.600 × 1,006 × 180 ÷ 3.600 = cerca de 280 kW.

Isso é maior que os 180 kW usados pela câmara, porque o ar de exaustão sai a 90 °C e leva calor consigo. Essa é a razão pela qual vale considerar a recuperação de calor da exaustão em escalas maiores.

Verificação com dados publicados. O secador por atomização a pressão da SINOTHERMO informa aquecimento elétrico de 75, 120 e 150 kW para os YPG-50, YPG-100 e YPG-150, cerca de 1,0 a 1,5 kW por kg/h de evaporação nominal. Nosso exemplo precisa de 280 ÷ 220 = cerca de 1,3 kW por kg/h. Os dois valores têm a mesma ordem de grandeza, que é o objetivo da verificação. Os dados dos modelos também dependem da temperatura de entrada, então use-os apenas como referência.

Passo 6: escolha um modelo, com margem

Você precisa de cerca de 220 kg/h de evaporação com 200 °C de entrada. Na linha de secadores por atomização a pressão, o próximo modelo com evaporação nominal suficiente é o YPG-300 (300 kg/h). Deixe uma margem de projeto para que o secador não trabalhe no máximo todos os dias. Os valores de evaporação na página do produto são máximos e, para temperaturas de entrada abaixo de 200 °C, dependem dos requisitos reais do processo. Quanta margem manter é uma decisão de projeto a confirmar com o fornecedor.

Se a sua alimentação for viscosa ou abrasiva, ou se você precisar de pó mais fino, a escolha equivalente na linha centrífuga é um modelo da linha LPG-200-2000. A decisão do atomizador vem primeiro; veja atomização na secagem por atomização.

Referência rápida: o que muda a resposta

Para alimentações à base de solvente, veja o guia do secador por atomização de circuito fechado.

O que o cálculo não informa

Esta é uma primeira estimativa. Ela não inclui o tamanho de câmara necessário para o tempo de residência, que depende do tamanho da gota e da taxa de secagem, nem a distribuição de tamanho de partícula, a eficiência de coleta do ciclone e do filtro de mangas, ou o comportamento de uma alimentação pegajosa. Isso vem do projeto do fornecedor e dos dados de teste.

Erros comuns a evitar

Confundir pó, alimentação e água. Confirme por escrito a qual número você se refere. A evaporação em kg/h de água é a base padrão.

Escalar pela vazão de laboratório. Os resultados de laboratório não escalam linearmente. Use dados piloto.

Aceitar a evaporação nominal ao pé da letra. Os valores nominais são máximos em condições declaradas. Com temperatura de entrada menor ou alimentação difícil, a capacidade real é menor.

Ignorar a fonte de calor. As opções elétrica, a vapor, a gás e com fornalha de ar quente têm custos de operação diferentes. A potência do aquecedor do seu cálculo permite compará-las. Veja o guia de custo do secador por atomização e o guia de secadores por atomização.

Pular o teste. Os sólidos de alimentação que você realmente consegue pulverizar e a temperatura de saída que o seu pó tolera vêm de ensaios. O nosso laboratório de testes realiza testes piloto pagos e os dados alimentam diretamente este cálculo.

Conclusão

Dimensione um secador por atomização pela água que ele precisa evaporar. Converta a produção de pó em evaporação por meio dos sólidos da alimentação, estime calor e vazão de ar a partir das suas temperaturas e escolha um modelo com margem. O teor de sólidos da alimentação é a alavanca que mais altera o resultado.

Próximo passo: Solicite um teste piloto com a sua alimentação para confirmar sólidos, temperatura de saída e propriedades do pó. O teste piloto é um serviço pago, e depois podemos dimensionar uma máquina de produção com dados medidos.

Perguntas frequentes

Como se dimensiona um secador por atomização?

Converta a produção de pó necessária na água que deve ser evaporada, usando o teor de sólidos da alimentação e a umidade do pó. Depois estime o calor e a vazão de ar a partir das temperaturas de entrada e saída e selecione um modelo pela capacidade de evaporação nominal, com alguma margem.

O que é capacidade de evaporação?

É a massa de água que o secador consegue remover por hora, em kg/h. É a base de dimensionamento padrão dos secadores por atomização, pois determina a entrada de calor, a vazão de ar e o tamanho do equipamento.

Como calculo a água a evaporar?

A vazão de alimentação é igual aos sólidos secos divididos pela fração de sólidos da alimentação. A água a evaporar é a vazão de alimentação menos a produção de pó. Para 100 kg/h de pó com 4 por cento de umidade a partir de uma alimentação com 30 por cento de sólidos, são cerca de 220 kg/h.

Quanto calor um secador por atomização precisa?

Aproximadamente 2.400 kJ por quilograma de água evaporada de calor latente, mais o aquecimento da alimentação e do produto e as perdas. No exemplo, a potência do aquecedor é de cerca de 280 kW para 220 kg/h de evaporação, ou cerca de 1,3 kW por kg/h.

O teor de sólidos da alimentação importa para o dimensionamento?

Sim, e muito. Subir os sólidos de 20 para 30 por cento reduz a carga de evaporação em mais de um terço para a mesma produção de pó, desde que a alimentação ainda possa ser bombeada e atomizada.

O cálculo é exato?

Não. É uma primeira estimativa. Tempo de residência, tamanho de partícula, eficiência de coleta e comportamento da alimentação são confirmados pelo projeto do fornecedor e por um teste piloto.

Qual modelo SINOTHERMO atende 220 kg/h de evaporação?

Da linha de secadores por atomização a pressão, o YPG-300 com 300 kg/h de evaporação máxima, com margem. A linha centrífuga LPG-200-2000 também cobre esse porte. A escolha final depende do atomizador, da alimentação e da especificação do pó.