Experimentos, modelagem, simulação e controle de uma operação contínua de secagem e resfriamento de soja (Glycine max) extrusada

Abstract

Resumo

Resumo: A secagem e resfriamento simultâneos em esteiras móveis é uma operação preliminar tipicamente aplicada em indústrias de processamento de soja com o objetivo de reduzir a umidade e temperatura do leito alimentado no extrator de óleo e proteína. Embora estes parâmetros sejam importantes para propósitos de segurança e otimização de extração, esquemas para o controle automático destas variáveis são extremamente limitados ou inexistentes na literatura. Neste sentido, a presente investigação sugere a utilização de um controlador PID para manipular a velocidade da esteira a fim de manter a temperatura dos flocos de soja expandidos na saída do secador-resfriador em 61,0 ºC sem exceder o intervalo de 0,099 a 0,123 (base seca) de umidade de descarga do produto. Respostas das variáveis investigadas em malha aberta e fechada frente a perturbações arbitrárias na umidade (0,142-0,156 b.s.), e temperatura (103,2-109,8 °C) de alimentação do sólido, assim como na temperatura (52,6-53,4 °C) e umidade média do ar (0,0663-0,0703 kg kg-1) confirmaram a validade da estratégia de controle proposta. Um modelo dinâmico representado por um sistema de duas equações diferencias parciais obtido por um balanço de energia e de massa para o soluto no leito de sólidos foi empregado como secador-resfriador virtual. A consistência do modelo foi verificada por comparação entre resultados experimentais e calculados de umidade e temperatura de soja extrusada na descarga de um secador-resfriador contínuo de grande porte operando em típicas condições industriais. Os coeficientes efetivos de transporte de massa e calor requeridos para solução numérica do modelo dinâmico pelo método das diferenças finitas foram ajustados a um conjunto de dados cinéticos de secagem e resfriamento obtidos em um secador-resfriador batelada de laboratório a 30, 40 e 50 ºC. A técnica ISE e o método simplex de otimização foram aplicados para determinar os parâmetros do controlador requeridos para um controle estável do processo.

Abstract: Simultaneous drying and cooling in conveyor-belts is a preliminary operation typically applied in the soybean processing industry to reduce the moisture content and temperature of the full-fat flakes fed to the oil and protein extractor. Although these parameters are important to have a safe and optimal process of extraction, limited or even inexistent schemes for their control are available. To deal with this drawback, the current investigation suggests the use of a PID controller to manipulate the speed of the conveyor-belt in order to keep the temperature of the flakes in the discharge of the dryer-cooler close to 61.0 ºC without exceeding the acceptable outlet moisture content range from 0.099 to 0.123 in dry basis. Closed-loop responses for the controlled variables when considering simultaneous arbitrary disturbances on inlet moisture content (0.142-0.156 d.b.), inlet temperature of the solid (103.2-109.8 °C), average air temperature (52.6-53.4 °C) and absolute humidity (0.0663-0.0703 kg kg-1) confirmed the reliability of the current strategy of control. A dynamic model represented by a system of two partial differential equations obtained by an energy and mass balance for the solute in the bed was used as a virtual conveyor-belt dryer-cooler. The consistency of this model was checked by a comparison between experimental and calculated results of moisture content and temperature at the exit of a size-scale dryer-cooler of soybean flakes at typical industrial operating conditions. The effective coefficients of mass and heat transfer required to numerically solve the model by using the finite difference method were tuned on a set of kinetic drying and cooling curves obtained in a batch dryer-cooler. The ISE technique and simplex method of optimization were used to tune the set of PID parameters in which process control is stable.