PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II. Secagem - Drying. No processamento cerâmico, sucede a conformação e precede a queima 3/8/2016

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1 3/8/2016 Secagem - Drying No processamento cerâmico, sucede a conformação e precede a queima

2 Secagem - introdução Processamento de Cerâmicas II Fluxograma geral do processamento de cerâmicas Matérias - primas caracterizadas Cálculos e dosagem Mistura Conformação Secagem Queima Acabamento Inspeção Produto final Consumo Observação: um fluxograma específico pode ter mais ou menos etapas

3 Secagem - introdução Quais são esses produtos cerâmicos?

4 Secagem - introdução Secagem - remoção de água, por evaporação Qual a condição necessária para evaporação? Pressão de vapor da água seja maior que a Pressão Parcial do vapor da água na atmosfera em que o material esteja por secar. Processo endotérmico H 2 O (l) H 2 O (g) kj.kg -1 gases de combustão eletricidade Equipamentos Estufas ou Fornos

5 Secagem - introdução secagem de produtos conformados queima (sinterização) Calor x Processamento cerâmico produzir aglomeração e reduzir porosidade (chamote) aliviar tensões residuais cristalização de fases vítreas Efeitos produzidos por tratamentos térmicos em peças cerâmicas alterações de massa e volume movimentação dos átomos e aumento na velocidade de difusão redução da porosidade e redução da superfície específica

6 Secagem - introdução Pressão de vapor - revisão Existe uma relação entre Pressão de Vapor e Temperatura?

7 Secagem - introdução Algumas definições Ar Mistura de nitrogênio, oxigênio e pequenas quantidades de outros gases Ar atmosférico Ar que normalmente contém um pouco de vapor de água (umidade) Ar seco Ar que não contém vapor de água Umidade absoluta, ou específica, ou ainda, relação de umidade) Massa do vapor d água presente (m v ) em uma unidade de massa de ar seco (m s ) w m m v s kg de vapor d água/kg de ar seco

8 Secagem - introdução Algumas definições ar seco umidade específica ZERO Ar saturado adição de vapor aumenta a umidade específica ar não absorve mais umidade - SATURAÇÃO AR a 25ºC, 101,3 kpa (P sat,h2o a 25ºC = 3,1698 kpa) P v =0 ar seco P v < 3,1698 kpa ar não saturado P v > 3,1698 kpa ar saturado

9 Secagem - introdução Algumas definições Psicometria Trata da determinação das propriedades de misturas de gás e vapor O sistema AR-VAPOR de água é o mais frequentemente encontrado Mistura insaturada Quando a pressão parcial do vapor na mistura GV, a uma dada temperatura, é inferior à pressão de vapor do líquido, à mesma temperatura Mistura saturada Quando a pressão do vapor for igual à pressão parcial do líquido Mistura supersaturada Quando a umidade absoluta do gás for superior à correspondente na saturação parte da umidade encontrase na forma líquida

10 Secagem - introdução Algumas definições Temperatura de bulbo seco Temperatura de bulbo úmido Richard E. Sonntag

11 Secagem - introdução Algumas definições Temperatura seca É a temperatura de uma mistura G-V, obtida através da imersão de um termômetro, ou qualquer outro sensor de temperatura, no interior da mistura. Entende-se por temperatura úmida a temperatura estacionária atingida por uma pequena quantidade de líquido, que se evapora no interior uma grande quantidade de mistura G-V em escoamento. Temperatura úmida Se o gás tiver insaturado, algum líquido é evaporado para a corrente de gás, transportando com ele o seu calor latente de vaporização, tornando-se mais frio o sistema termômetro algodão. Atingindo o seu estado estacionário, a temperatura mantémse constante - TU Temperatura do ponto de orvalho ou ponto de orvalho É a temperatura à qual, por efeito do resfriamento, o vapor na mistura G-V começa a condensar

12 Secagem - introdução Algumas definições Umidade Relativa (UR) É a razão entre a pressão parcial do vapor no ar pela pressão de vapor da água à temperatura do ar U. R P P p v.100 É a razão entre a quantidade real de umidade no ar a uma dada temperatura e a quantidade máxima que o ar pode conter naquela temperatura

13 Secagem - introdução

14 Secagem

15 Secagem

16 Secagem Secagem é uma operação importante na fabricação de produtos cerâmicos Do ponto de vista industrial, a operação de secagem é uma das fases mais delicadas de todo o processo produtivo cerâmico A ocorrência de gradientes térmicos e de umidade, durante o processo de eliminação da água, dá lugar ao aparecimento de tensões mecânicas, susceptíveis de gerar defeitos nos produtos deformações e fissuras que os inutilizam, ou baixam os níveis de qualidade Igualmente, são importantes os aspectos econômicos relacionados com os custos energéticos de operação

17 Secagem Conclusão Econômica Secagem mais rápida possível Técnica Secagem rápida: retração diferencial produz trincamento e até fissuras

18 Secagem Custos de secagem um exemplo Produção da unidade Água a ser eliminada na secagem Consumo do secador (água evaporada) Energia necessária 200 ton/dia de cerâmica vermelha para construção 48 ton/dia 4184 kj/kg (1000 kcal/kg) 200,8 x 10 6 kj/dia Quantidade de gás natural (GN) necessária, sabendo se que 50% da necessidade seja recuperadas 2650 normal m 3 Preço do normal m 3 R$???? Custo R$????

19 Secagem Defeitos frequentes na secagem - exemplos Secagem de placas Secagem de pratos, travessas, tigelas e peças assemelhadas

20 Secagem Processos de transferências na operação de secagem O processo de transferência mais lento controla a velocidade de secagem Tipos T C Condução Convecção Radiação Em cerâmica, maioria dos processos de secagem utiliza a convecção

21 Secagem Processos de transferências na operação de secagem Condução: contato direto entre as fontes quente e a fria Área Convecção: presença de um fluido (ar, Ar, etc) Coeficiente pelicular de transferência de calor Área Radiação: fonte e receptor sem intervenção do meio Emissividade absorvidade Área

22 Secagem Processos de transferências na operação de secagem T T T Q ka Q h A T T cd cd c c c 1 s x y z Q Q cd, Q c, Q r são as velocidades de transferência de calor por condução, convecção e radiação T T T,, gradientes de temperatura nas direções x,y e z x y z T s é a temperatura superficial do corpo T 1 é a temperatura do meio gasoso entre as fontes quente e fria T 2 é a temperatura da fonte emissora de radiação (parede ou meio gasoso) k é a condutividade térmica do material do produto h c é o coeficiente de transferência de calor por convecção ε coeficiente de emissão da superfície do produto à T s s coeficiente de absorção da superfície do produto, para radiação incidente, emitida pela vizinhança à T 2 é a constante de Stefan Boltzmann r r A T T s s s

23 Secagem Secagem por convecção Rendimento térmico total da operação de secagem por convecção 60% Eleva a temperatura do sólido Ar quente Transforma o líquido em vapor Calor cedido ao equipamento de transporte do produto Calor cedido ao exterior devido a isolação ineficiente do forno

24 Secagem A velocidade de secagem por convecção depende: 1 Fatores externos São aqueles que não se relacionam com a estrutura do sólido a secar Temperatura Umidade relativa do ar Velocidade de circulação do ar Área da superfície exposta Pressão total 2 Fatores internos Natureza física da peça Estrutura da peça Teor de umidade Temperatura Espessura da peça

25 Fator de velocidade Secagem Como seria uma equação matemática representativa da velocidade de evaporação? V evaporação K E P v P p K E é a constante de evaporação que depende das condições de fluxo de ar Velocidade de evaporação da água em superfície livre

26 Secagem Umidade dos sólidos 10/8/16

27 Secagem Umidade dos sólidos Umidade dos sólido U(%) mu m m u s ton/dia de cerâmica vermelha para construção água a ser eliminada = 48 ton/dia X W 1 W kg de água/kg de sólido seco X é o teor de umidade W é a massa de água no sólido úmido

28 Secagem - mecanismos Como a água pode estar distribuída no processamento cerâmico? água de suspensão (deve ser removida antes ou durante a conformação) água interpartículas água dos poros água adsorvida (química ou fisicamente adsorvida - van der Waals) água de hidratação (cristalização) Norton

29 Secagem - mecanismos Água interpartículas ou intercamadas (água livre aparece mesmo depois de uma filtração, espessamento, absorção por moldes, etc espessura de ordem de 50 nm) a retirada dessa água promove retração da peça Água nos poros está nos interstícios entre as partículas a remoção dessa água promove pequena ou quase nenhuma retração Água adsorvida (química ou fisicamente adsorvida - van der Waals) Norton

30 Secagem Umidade dos sólidos Como a umidade está em um SÓLIDO?

31 Secagem Umidade dos sólidos Como a umidade está em um SÓLIDO? Umidade ligada Pressão de vapor da umidade retida no sólido, a determinada temperatura, for inferior a pressão do vapor do líquido puro, à mesma temperatura Umidade não ligada Pressão de vapor da umidade retida no sólido, a determinada temperatura, for igual a do líquido puro, à mesma temperatura

32 Secagem Umidade dos sólidos Classificação dos sólidos para efeito de secagem sólidos porosos não higroscópicos Areia, minerais britados, partículas de polímeros e alguns cerâmicos Critérios de definição volume de poros claramente reconhecível, que está cheio de líquido quando o sólido está completamente saturado, e cheio de ar quando o sólido se encontra completamente seco umidade fisicamente ligada desprezível, isto é, o sólido não é higroscópico o sólido não retrai durante a secagem

33 Secagem Umidade dos sólidos Classificação dos sólidos para efeito de secagem sólidos porosos higroscópicos Argilas, peneiras moleculares, madeiras, têxteis, etc. existe um espaço de poros claramente reconhecidos Critérios de definição existe uma grande quantidade de umidade fisicamente ligada ocorre retração nas etapas iniciais de secagem

34 Secagem Umidade dos sólidos Classificação dos sólidos para efeito de secagem sólidos coloidais não porosos Sabões, gomas, alguns polímeros (ex: nylon) e vários produtos alimentícios Critérios de definição não existe qualquer espaço de poros todo líquido se encontra fisicamente ligado Esse tipo não se aplica às cerâmicas

35 Secagem Isotermas de sorção-desorção e entalpia de ligação

36 Secagem Umidade dos sólidos Isotermas de sorção-desorção indica a relação entre a umidade no sólido e a umidade relativa do ambiente (gás), a uma determinada temperatura Curvas de equilíbrio (desorção) entre o ar úmido e alguns sólidos, a 25ºC (Fonte Fonseca)

37 Secagem Umidade dos sólidos Isotermas de sorção-desorção as isotermas de sorçãodesorção são válidas para temperaturas particulares Região A: monomolecular Região C: multimolecular Região B: intermediária caulim (6) baixa higroscopicidade tabaco (7) alta higroscopicidade A saturação do ar aumenta muito: aumento da condensação capilar. expansão do sólido se a pressão parcial é próxima de zero a umidade de equilíbrio no sólido é próxima de zero Figura - Curvas de equilíbrio (desorção) entre o ar úmido e alguns sólidos, a 25ºC (Fonte Fonseca)

38 Secagem Umidade dos sólidos Histerese de sorção-desorção (umidificação-desumidificação)

39 Secagem Umidade dos sólidos Entalpia de ligação da umidade ao sólido Estudar extra classe

40 Mecanismos de secagem velocidade de secagem retração da peça

41 Secagem - mecanismos Velocidade de escoamento da água Movimento da umidade através de um meio poroso com um gradiente de umidade (C 1 -C 2 )/d dv K C C 1 2 dt d P Variação da viscosidade da água com a temperatura

42 Refractory Castable Engineering - Ana Paula -

43 Secagem - mecanismos Fases na secagem de uma argila úmida Velocidade de perda de água na secagem da argila úmida Norton

44 Secagem - mecanismos AB regime transitório se estabelece quando o sólido é posto com o gás de secagem depende das condições do sólido e do gás de secagem BC superfície de secagem saturada de líquido Representação da Velocidade de Secagem em função da Umidade média do produto, para condições externas constantes não depende das características do sólido e sim da superfície tem temperatura constante ponto C umidade crítica CD velocidade de eliminação de líquido diminui Acontece quando a velocidade de eliminação de líquido à superfície for superior a do movimento do líquido para a superfície a secagem depende das características do sólido

45 Secagem - mecanismos Representação da Velocidade de Secagem em função da Umidade média do produto, para condições externas constantes Representação da variação da Umidade média do produto em função do tempo, para condições externas constantes (Fonte Fonseca)

46 Secagem Retração de peças cerâmicas durante a secagem

47 Relação entre secagem e retração de peças cerâmicas

48 Relação entre umidade, velocidade de secagem, temperatura da peça e tempo

49 Retração de peças cerâmicas durante a secagem curva de Bigot A evolução da retração linear de secagem de massas argilosas em função da perda de água de conformação é representada por meio da chamada curva de Bigot.

50 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS A umidade crítica depende da estrutura interna do corpo cerâmico granulometria (para uma mesma composição mineralógica, a Umidade Crítica será tanto menor quanto mais fino for o sistema) natureza mineralógica dos componentes da massa cerâmica morfologia das partículas método de preparação (colagem, extrusão, etc) M.O.E. Schwartz,

51 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Curvas de Bigot para duas massas cerâmicas argilosas - Fonseca

52 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Curvas de Bigot para duas massas cerâmicas argilosas - Fonseca

53 Secagem - mecanismos Artigo 17/8/16

54 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Secagem: temperatura de 65 ± 5 C a cada 40 minutos todas as peças foram medidas e pesadas até que estabilizassem as medidas para a realização da curva de Bigot. sinterizadas em forno mufla elétrico, controlador de temperatura Novus N1100, aquecimento de 10 C/min; Patamar de 45 min à 900 C.

55 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS

56 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS

57 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Influência da espessura de parede e estado de floculação ne secagem de peças cerâmicas Fonte: REED

58 Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS Curvas TG, DTG e DSC calcinação de um espinélio comparar com secagem

59 Curva de secagem característica Quando se utilizam diversas condições para secar um mesmo material, as curvas de secagem são geometricamente similares. Se essas curvas forem normalizadas, a respeito da velocidade inicial de secagem e da umidade crítica média, então todas elas se aproximam de uma curva única Velocidade de secagem característica f V V sec./ unid. área sec. inicial Umidade característica X X X crit. X eq. eq.

60 Curva de secagem característica f é a velocidade de secagem característica V sec. é a velocidade de secagem por unidade de área V sec.inicial é a velocidade inicial de secagem f V V sec./ unid. área sec. inicial é a umidade característica X é a umidade média X cr é a umidade média crítica X eq. é a umidade de equilíbrio X X X crit. X eq. eq. Curva de secagem característica de uma argila plástica

61 Curva de secagem característica se o comportamento do sólido na secagem é descrito pela curva característica, as suas propriedades devem satisfazer aos seguintes critérios: 1. A umidade crítica X cr é invariante e independente da umidade inicial; 2. Todas as curvas de secagem de um determinado sólido são geometricamente similares, de modo que a curva característica seja única e independente das condições externas. Esses critérios são restritivos, sendo quase impossível satisfazê-los numa gama larga de condições. Mesmo assim, o conceito de curva característica é muito utiizado no projeto e previsão de desempenho de secadores.

62 Condições externas e internas de secagem

63 Condições externas e internas de secagem 1. Condições externas de secagem condições que não se relacionam com a estrutura do sólido a secar. -Temperatura - Umidade relativa do ar As Condições Externas de Secagem são particularmente importantes nas etapas iniciais de secagem remoção da umidade livre Durante a remoção da umidade estabelece elevado gradiente de umidade entre o interior e a superfície do sólido aparecimento de tensões que podem causar a fissuração e a deformação dos produtos o que fazer? A velocidade de secagem deve ser convenientemente ajustada, diminuindo a velocidade de evaporação da superficial

64 Condições externas e internas de secagem Variação da umidade com a distância da superfície na secagem de peças cerâmicas

65 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem características do sólido influencia a cinética da secagem dos produtos cerâmicos transferência de calor para o sólido úmido gradiente de temperatura no sólido migração da umidade do interior para a superfície do sólido mecanismos de: Difusão Escoamento capilar Pressões internas retração associada à secagem O conhecimento do movimento interno da umidade é muito importante, principalmente quando esse controla o processo

66 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem Secagem é um processo complexo que envolve a transferência de calor e massa Para projetar, otimizar e controlar o funcionamento dos secadores, é necessário recorrer a modelos para descrever o processo de secagem muito trabalho de pesquisa melhorar o empirismo Qualquer modelo, que pretenda descrever o processo de secagem, incorpora um conjunto de parâmetros associados às propriedades termodinâmicas e de transporte dos materiais a secar difusividade efetiva da umidade; condutividade térmica efetiva; coeficientes peliculares de transferência de calor e massa; constante de secagem; conteúdo de umidade no equilíbrio

67 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem difusividade efetiva da umidade e condutividade térmica efetiva relacionadas com a transferência de massa e calor no interior do sólido coeficientes peliculares de transferência de calor e massa relacionadas com a transferência de massa e calor no exterior do sólido

68 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem difusividade efetiva da umidade t X 2 D X D é a difusividade efetiva (m 2 /s) X é a umidade do sólido (kg/kg de sólido seco) t é o tempo (s) 2 é o operador laplaceano 2ª Lei de Fick Difusão molecular Escoamento capilar Escoamento de Knudsen Difusão superficial Descreve a movimentação da umidade no interior do sólido D = D 0 exp.(-e/rt) D( X, T) D 0 T T 0 a T X X Tabelas mostram valores de difusividade para vários materiais 0 a X Efeito da umidade e da temperatura na difusividade da umidade em um tijolo de argila Fonte: Fonseca

69 Regimes de Escoamento

70 Regimes de Escoamento O escoamento de gases pode ser classificado em três regimes distintos: Viscoso, Molecular e Intermediário. Como há diferentes comportamentos do gás em cada regime, calculamos a condutância e os fluxos moleculares com relações específicas para cada regime.

71 Escoamento Viscoso Este escoamento ocorre quando a frequência de colisões entre as moléculas do gás é muito grande em comparação com a frequência de colisões das moléculas com as paredes.. kt 2. d 2. p D λ - livre caminho médio D - diâmetro da tubulação

72 Escoamento molecular O escoamento é molecular quando, λ >>D ou seja, as colisões das moléculas são quase que exclusivamente com as paredes do tubo e não entre si.

73 Escoamento Intermediário Neste regime temos que, λ ~ D sendo a frequência das colisões das moléculas com as paredes da mesma ordem que as colisões molécula-molécula.

74 Quantificação do tipo de escoamento A distinção entre os regimes é feita através do número de Knudsen N k. N k D 1 D 110 D 110 D 1 Viscoso Intermediário Molecular

75 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem Fonte: Fonseca

76 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem - condutividade térmica efetiva Condutividade térmica de um material mede a sua capacidade para conduzir calor. T t k C p 2 T Equação de Fourier k C p Difusividade térmica k é a condutividade térmica (kw/m.k) Efeito da geometria - modelos Efeito da geometria na condutividade térmica de materiais heterogêneos, usando modelos estruturais Fonte: Fonseca

77 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa Q = h H A (T A -T) Equação de Newton Q velocidade de transferência de calor h H coeficiente superficial de transferência na interface gás-sólido A área efetiva de transferência T A temperatura do gás T temperatura do sólido

78 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa Q = h H A (T A -T) Velocidade do ar (m/s) Coeficiente de transferência de calor em função da velocidade do ar para alguns tipos de secadores

79 Condições externas e internas de secagem 2. Condições internas de secagem Coeficientes peliculares de transferência de calor e massa J = h M A (Y A Y AS ) J velocidade de transferência de massa h M coeficiente pelicular de transferência na superfície gás-sólido Y AS umidade na interface ar-sólido Y A umidade do ar Coeficiente de transferência de massa em função da velocidade do ar para alguns tipos de secadores

80 2. Condições internas de secagem constante de secagem combinação das propriedades anteriores dx dt K X X Para placas K D 2 L X é a umidade média do material X* é a umidade de equilíbrio t é o tempo D é a difusividade L é espessura da placa K é muito importante para efeito de projeto e otimização de secadores

81 Resumo - temperatura - umidade relativa do ar - forma física do sólido Velocidade de secagem difusividade efetiva da umidade - condutividade térmica efetiva - constante de secagem - conteúdo de umidade no equilíbrio sólido com elevada densidade aparente baixa porosidade poros pequenos A velocidade de secagem deixa de ser dependente de q mais dependente da difusão e passa a ser

82 Exemplos de secadores

83 Sistemas de secagem - equipamentos industriais de secagem cerâmica quanto ao fluxo: - contínuos - intermitentes tipo de produto leva em conta - secadores para produtos cerâmicos estruturais (barro vermelho, por exemplo) - secadores para pavimentos e revestimentos - secadores de louça - etc - quantidade de produtos - forma

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85 Estufas com tiragem de ar natural - DEMAR

86 Sistemas de secagem Ar Exaustão Secador a vagonetas duplos: (A) duto de entrada do ar, (B) duto de exaustão do ar, com registro, (C) ventilador de hélice com inclinação ajustável de 1 a 15 HP, (D) motor do ventilador, (e) aquecedores aletados, (F) câmara de vento, (G) bocais ajustáveis para os jatos de ar, (H) vagonetas de bandejas, (J) chicanas de reversão Perry.

87 Sistemas de secagem fornos contínuos Peças úmidas e frias contatam o ar com umidade relativa elevada e baixa temperatura Baixas velocidades de secagem Ótimo para peças com umidades superiores à umidade crítica

88 Sistemas de secagem fornos contínuos Ar seco com temperatura elevada contata diretamente com as peças frias e úmidas Elevadas velocidades de secagem Pode produzir fissuras nas peças

89 Sistemas de secagem

90 Fornos intermitentes a gás

91 Dimensionamento de secadores Questões básicas do dimensionamento: Quanto tempo durará a secagem? Quais as dimensões do secador? Qual o consumo energético no processo? 31/8/16

92 Dimensionamento de secadores 3 situações distintas: 1. Necessidade de selecionar o tipo e tamanho de secador para secar determinado produto e de otimizar os custos de investimento e de operação Ferramentas: experiência industrial trabalhos experimentais novas tecnologias 2. Necessidade de conhecer as condições de funcionamento de um secador em operação, ou avaliar a sua capacidade para tratamento de um novo produto Ferramentas: Idem a 1, mas para um determinado tipo de secador 3. Necessidade de conhecer e otimizar as condições de funcionamento de um secador em operação Ferramentas: É mais frequente experiência e responsabilidade do operador na condução do processo fabril

93 Cálculo de um secador (somente uma breve discussão) Para calcular um secador precisa-se fazer balanços de massa e de energia que permite conhecer e otimizar os consumos energéticos associados ao funcionamento das instalações de secagem.

94 umidade do sólido temperatura do material umidade absoluta do gás temperatura do ar úmido Processo básicos de cálculo na secagem fluxo mássico de gás seco umidade do sólido temperatura do material massa do sólido seco tempo de residência temperatura do ar seco fluxo mássico de sólido seco umidade absoluta do gás Variáveis envolvidas no funcionamento de um secador - Fonseca entra = sai + retido

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