Resumo: O farelo de soja é um produto de grande consumo no mercado interno e externo, essencialmente como ração animal. No entanto, as especificações nutricionais de comercialização deste produto dependem fundamentalmente das condições de secagem. Deste modo, a utilização convencional do secador rotativo indireto nesta operação precisa atender a estas especificações, as quais impõem altos custos operacionais em função do alto consumo energético. Neste sentido, verifica-se a necessidade de investigar outros tipos de secadores com operação mais eficiente e econômica, e que apresentem produtos de qualidade a baixo custo. Assim, visando atender a esses objetivos, decidiu-se estudar e comparar a secagem do farelo em secadores rotativo direto e indireto. A escolha do secador rotativo direto está relacionada a utilização do ar para promoção da secagem e ao fato do farelo entrar no secador com altas temperaturas decorrentes de etapas anteriores de processo. Este tipo de secador fornece bons gradientes de temperatura e de umidade entre o sólido e o ar no seu interior e uma maior facilidade de trabalho com as variáveis manipuladas de entrada do processo; assim, espera-se que estas características garantam boa qualidade do produto final. Entretanto, seu projeto e sua utilização efetivos dependem de análises comparativas com o secador rotativo indireto; sendo estas, o consumo energético, a dinâmica de secagem, e a aplicação do sistema de controle Proporcional-Integral-Derivative (PID). As formas de secagem direta e indireta foram modeladas em condições permanente e transiente. A condição permanente foi usada para a avaliação dos consumos energéticos para ambas as formas de secagem. Observou-se que o consumo de energia na forma direta foi bem menor do que na forma indireta. A análise da dinâmica do processo foi realizada a partir da simulação do modelo matemático em regime transiente. Simulações da secagem foram realizadas em diversas condições operacionais, sempre considerando a umidade e a temperatura na saída do secador como parâmetro representativo da qualidade do produto. Observou-se que os resultados dessas variáveis no tempo se comportaram de forma semelhante ao de alguns materiais apresentados na literatura. Além disso, verificou-se que as variações da temperatura do vapor nos tubos ou do ar injetado, da umidade inicial do farelo e da velocidade de deslocamento do farelo no secador foram as principais responsáveis pela alteração do regime no secador rotativo operando de forma direta ou indireta. Dada a consistência dos modelos e os efeitos das perturbações de processo, o sistema de controle PID foi sugerido para manter a umidade do farelo na descarga dos secadores próxima a 0,14 (b.s.) por meio da manipulação da velocidade de deslocamento do farelo e da temperatura de vapor nos tubos, para o secador rotativo indireto; e, da manipulação da velocidade de deslocamento do farelo e da temperatura do ar de secagem, para o secador rotativo direto. O controle PID foi avaliado para as estruturas Single Input and Single Output (SISO) e Multiple Input and Single Output (MISO). As respostas dinâmicas da umidade do farelo na saída foram analisadas em malha aberta e fechada para perturbações em degrau, pseudo-aleatórias e em impulso. O critério de desempenho do PID entre os casos propostos foi estudado por comparação em termos de freqüência e magnitude e, pela Integrated Squared Error (ISE). Adicionalmente, as análises do PID SISO e MISO também foram realizadas para as condições de operação com menores consumos energéticos para verificar em que condições a controlabilidade poderia ser maior. Os resultados de aplicação do controle mostraram que o PID SISO se destacou ao manipular a temperatura do vapor nos tubos e a temperatura de entrada do ar. Além disso, os resultados da aplicação do PID SISO e MISO para as condições de operação com os menores consumos energéticos mostraram que, para os secadores rotativos indireto e direto, a controlabilidade foi melhor em temperaturas mais elevadas. A utilização do secador rotativo direto se mostrou mais vantajosa que a do secador rotativo indireto no que se refere ao consumo energético e à controlabilidade.
Abstract: Soybean meal is a product of high consumption in the national and international markets, essentially, as animal feed. However, its nutritional specifications of commercialization fundamentally depend on drying conditions. Therefore, the conventional utilization of the indirect rotary dryer requires these specifications in this operation that impose high operational costs due to enormous amount of energy consumed. As such, there is necessity of investigating other types of dryers with more efficient and economical operation and that present quality products at low cost. Then, in order to attend these aims, it was decided to study and compare the drying of the soybean meal in direct and indirect rotary dryers. The choice of the direct rotary dryer is related to utilization of air to promote the drying and the fact that the soybean meal enters into the dryer at high temperatures due to previous stages of the process. This type of dryer provides good gradients of temperature and moisture between the solid and the air inside the dryer and shows greater facility to work with the manipulated variables of input of the process; then, it is expected that these characteristics guarantee good quality in the final product. However, its effective design and usage depends on comparative analyses with the indirect rotary dryer; being these ones, the energetic consumption, dynamic of drying, and application of Proportional-Integral-Derivative (PID) control system. The forms of direct and indirect drying were modeled in permanent and transient conditions. The permanent condition was used to evaluate the energy consumption for the kinds of drying. It was observed that the energy consumption in a direct kind was much smaller than in an indirect kind. The analysis of the dynamics of the process was carried out from the simulation of mathematical model in transient regime. Drying simulations were realized in various operational conditions, taking into account always output moisture and temperature in the dryer, as a representative parameter of quality of the product. It was observed that the results of these variables behaved similar manner to some of the materials along the time as shown in the literature. In addition, it was verified that the variations of steam temperature in the tubes or injected air temperature, initial moisture and speed of displacement of the soybean meal in the dryer were the main responsible for changing of the regime in the rotary dryer operating direct or indirect kind. Giving the consistency of the models and the effects of process disturbances, the PID control system was suggested to keep the moisture of the soybean meal in the discharge of dryers near 0.14 (d.b.) by manipulating the speed of displacement of the soybean meal and steam temperature in the tubes for the indirect rotary dryer and the manipulation of the speed of displacement of the soybean meal and drying air temperature for the direct rotary dryer. The PID control was assessed for the structures of Single Input and Single Output (SISO) and Multiple Input and Single Output (MISO). The dynamic responses of the soybean meal moisture in the output dryer were analyzed for the step, pseudo-random and impulse disturbances by open and closed loop. The performance criterion of PID control among the proposed cases was studied by comparison in terms of frequency, magnitude and the Integrated Squared Error. Additionally, the analyses of SISO and MISO PID were also realized for the operational conditions with lower energy consumption to verify the conditions that have the best controllability. The results of application showed that the PID SISO stood out to manipulate the temperature of steam in the tubes and inlet air temperature. Moreover, the results of application of PID SISO and MISO for operation conditions with lower energy consumption showed that for indirect and direct rotary dryers the controllability is better at higher temperatures. The utilization of direct rotary dryer revealed to be more advantageous than the indirect rotary dryer with reference to energy consumption and the controllability. |