Sistema Portátil para Medida On-line da Distribuição de Tempo de Residência na Extrusão

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1 A R T I G O T É C N I C O C I E N T Í F I C O Sisema Poráil para Medida On-line da Disribuição de Tempo de Residência na Exrusão Denilson M. Sanos e Sebasião V. Canevarolo Jr Resumo: A Curva de Disribuição de Tempos de Residência - CDTR em sido largamene usada para caracerização do ipo de fluxo em exrusoras, sendo que medidas on-line permiem diagnosicar de modo muio rápido problemas como desgase enre a rosca e o barril da exrusora, esagnação do maerial e ouros. A CDTR pode ser deerminada fazendo-se uso da écnica de esímulo de pulso único, onde um raçador é inroduzido no sisema em um dado insane e sua concenração é esimada na saída. Ese arigo propõe um sisema poráil de medida on-line feio aravés da variação da luz ransmiida medida com um deecor consiuído por uma fone de radiação visível e uma célula fooelérica e um sofware de colea e raameno de dados. Usando-se ese sisema em uma exrusora de dupla rosca co-roacional inerpenerane, pode-se verificar que a CDTR é muio mais sensível à variações na axa de alimenação do que da velocidade de roação da rosca e que as frações mais lenas do raçador podem demorar quaro vezes mais que as mais rápidas para saírem. Aumeno na velocidade de roação da rosca e/ou redução na axa de alimenação aumena o fluxo axial alargando a CDTR. Palavras-chave: Tempo de residência, sisema de medida on-line, absorção de luz Inrodução A função disribuição de empos de residência - FDTR O conhecimeno do empo que o maerial polimérico permanece denro do equipameno durane o seu processameno é de fundamenal imporância [,], principalmene quando se considera a grande sensibilidade deses maeriais orgânicos à degradação ermo-mecânica e mais recenemene nos casos onde a exrusora é uilizada como um reaor, ou seja, na exrusão reaiva. Neses dois casos o empo de permanência do polímero na exrusora é definido pelo compromisso de ser suficienemene longo para que odas as reações desejadas se compleem e o mais curo possível para se eviar excessiva degradação do polímero. Durane o fluxo a massa fundida é rabalhada pela rosca subdividindo-a e forçando-a a mudar de direção inúmeras vezes. Tal comporameno é a principal caracerísica de uma exrusora, o que garane a plasificação e misura dos componenes. Ese grande movimeno forçado enre as cadeias poliméricas acaba por induzir diferenes velocidades em diferenes ponos da massa fundida, o que provoca o araso ou adianameno de algumas cadeias poliméricas ou parículas com relação à maioria Denilson M. Sanos,Universidade Federal do Maranhão, jj@zipmail.com.br e UFSCar/DEMa; Sebasião V. Canevarolo, Universidade Federal de São Carlos - UFSCar, Deparameno de Engenharia de Maeriais - DEMa, Rod. Washingon Luís, Km 5, CEP , Caixa Posal 676, São Carlos - SP. caneva@power.ufscar.br 6 Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99

2 delas. Assim o empo de residência não é um valor único mas uma disribuição em orno de um valor médio, com algumas poucas cadeias (parículas) saindo anes e ouras saindo depois do denso conjuno que sai no empo médio. Porano o empo de residência deve ser encarado como uma disribuição de empos de residência, normalmene represenada por uma função, denominada Função de Disribuição de Tempos de Residência - FDTR. Esa função é um imporane parâmero para a medida, caracerização e conrole do fluxo em reaores e exrusoras. Sua forma indica o ipo de fluxo exisene bem como variações no formao da curva podem mosrar alerações das condições de misura, reenção de maerial em ponos moros, ec. permiindo diagnósicos para um ajuse fino das condições de processameno. Obenção da função disribuição de empos de residência [,4] Na maioria dos casos o fluxo é suficienemene complexo para praicamene impedir a obenção da FDTR eoricamene, forçando o desenvolvimeno e uso de écnicas experimenais para a sua deerminação. A écnica mais difundida é a da resposa a um esímulo pulsado na qual, após a esabilização do processo, uma quanidade definida de um raçador (ou marcador) é insananeamene inroduzida no funil da exrusora (ou em oura enrada no cilindro) e em inervalos de empo predefinidos colea-se amosras na saída. Em cada amosra dese conjuno é deerminada a concenração do raçador, aravés de uma écnica experimenal apropriada, consruindo-se o perfil de concenração, iso é a curva de concenração em função do empo, [ vs. ]. Inicia-se a conagem de empo com = no momeno da adição do raçador e o empo em que o primeiro vesígio do raçador sai da exrusora é chamado de empo mínimo. A quanidade de raçador que sai do sisema depois do empo mínimo define o seu perfil de disribuição na exrusora e é conhecido por Função da Disribuição de Tempos de Residência FDTR, represenada maemaicamene por E(. Para faciliar os cálculos a área oal sob a curva [E( vs. ] é, por definição, igual a unidade. Manendo-se a vazão da exrusora consane a quanidade de raçador, ou melhor sua concenração, pode ser medida de amosras reiradas em inervalos de empo fixos. Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99 Porano pode-se calcular o valor da função E( em cada um deses inervalos aravés da divisão da concenração nese inervalo pela quanidade oal de raçador inroduzida C (, iso é [4] : E ( = (a) ou de maneira mais elegane, assumindo-se inervalos de empo infiniesimais: E ( = (b) onde agora represena o valor da concenração do raçador em um empo qualquer. Uma oura maneira de apresenação deses dados é na forma acumulaiva onde o valor da função em um empo qualquer é a concenração parcial acumulada de raçador que saiu aé aquele insane. Esa função é conhecida como Função Acumulada da Disribuição do Tempo de Residência, FADTR represenada maemaicamene por F( e calculada como: F ( = E( = () O cálculo do empo de residência médio pode ser obido a parir das condições de conservação de massa, iso é: V volume = = () Q vazão ou de maneira mais práica aravés da ponderação do empo em qualquer inervalo com sua respeciva concenração de raçador, iso é: = (4) ou assumindo-se inervalos de empo infiniesimais: 6

3 = (5) e a variância σ pode ser expressa por: σ = ( E( (6) Uma maneira de reduzir o número de variáveis é rabalhar com o empo de forma normalizada definido como: θ = (7) assim as funções E( e F( podem ser reduzidas para E(θ) e F(θ) uilizando-se o empo normalizado θ fazendo-se: E(θ) = E( ( 8 ) F(θ) = F( ( 9 ) A fração reida de raçador H após o empo de residência médio é definida por: H = E( = () os valores da fração reida esão na faixa de H, para H = em-se fluxo ipo plug, para H =,68 misurador ideal e H = excessiva acumulação e unelameno. Devido a complexidade dos fluxos envolvidos nos sisemas reais, somene em alguns poucos casos foi possível desenvolver um equacionameno maemáico para prever o fluxo. Segundo Levenspiel [5] as funções do ipo FADTR para um misurador ideal e para um fluido da lei de poência em um reaor ubular são respecivamene expressas pelas equações e. θ F ( θ) = e () n + F( θ ) = n + θ. n / n+ n + n + θ n + para θ () n + FADTR [F ( θ )],,75,5 Misurador ideal Lei de poência,5 n =,4 n =,6 n =,8,,,5,,5, Tempo normalizado ( θ) Figura. Comporameno caracerísico da função FADTR [F(θ)] para um misurador ideal, fluido da Lei de Poência para n =,4;,6 e,8) e Plug-flow. A Figuraapresena exemplos de funções acumulaivas da disribuição de empos de residência FADTR [ou F(θ)] no espaço do empo normalizado θ, mosrando uma curva de F(θ) para o fluxo no misurador ideal calculada a parir da equação e ouras rês curvas referenes ao fluido lei das poências (equação ), para diferenes índices de poência. Esas F(θ) se enconram no inervalo F(θ) e quando θ, F(θ)=. Como pode ser observado na Figura as curvas calculadas são pouco afeadas por variações no índice de poência, mesmo que esas sejam significaivas. Como valores práicos se enconram normalmene enre,6 a,8 é de se esperar pouca influência sobre a F(θ). Tipos de raçadores Plug-flow Em princípio o raçador deve ser uma molécula ou parícula que possa ser facilmene deecada e quanificada por alguma écnica experimenal disponível e não deve alerar as caracerísicas de fluxo da mariz. Em segundo lugar deve-se definir o que se preende medir: se a disribuição de empos de residência das cadeias poliméricas presenes no fluxo ou a capacidade de dispersão de uma parícula na massa polimérica fundida. No primeiro caso o melhor raçador a ser empregado é um formado pelo mesmo ipo de cadeia polimérica que o da mariz mas com algum pono passível de idenificação, por exemplo, um grupo laeral ou erminal grafizado. A presença dese grupo na massa polimérica poderá ser idenificado e quanificado pela écnica experimenal escolhida. Esa cadeia polimérica marcada deverá ser solúvel/miscível no polímero e apresenar propriedades reológicas semelhanes à mariz. No segundo caso, a parícula pode 6 Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99

4 ser composa da própria carga a ser dispersa na massa. Em ambos os casos, vários ipos de raçadores podem ser uilizados dependendo basicamene da écnica de deecção e medida a ser uilizada. Hisoricamene o segundo ipo de raçador foi o mais uilizado e somene recenemene, com o adveno de polímeros funcionalizados, cadeias poliméricas puderam ser marcadas e êm sido uilizadas. Todd e Irving em 969 [6] foram uns dos primeiros a usarem raçadores de nirao de sódio e poássio para o esudo da misura axial em misuradores/reaores com dupla rosca do ipo auo-limpane. Como fluido uilizaram uma solução de glicose e a deecção quaniaiva era feia por medidas da conduividade de soluções aquosas das frações coleadas na saída da exrusora. Em 975 Todd [7] propôs a uilização de coranes insolúveis (azul de meileno em polibueno) que após exração das frações era quanificado por análise colorimérica. Aproximadamene no mesmo período, Wolf & Whie [] propuseram a uilização de raçadores radioaivos, usando um concenrado com dióxido de manganês, que poderia ser irradiado em reaor nuclear ano anes da adição na exrusora como após a colea das frações. Esa écnica coninuou a ser uilizada por vários auores durane oda a década seguine [4,8,9]. Poene e Lappe [] em 986 desenvolveram um esudo comparaivo enre coranes solúveis, pigmenos e microesferas de vidro, concluindo que o ipo de raçador em uma profunda influência nas medidas da disribuição de empos de residência. Alguns raçadores com inensa absorção na região do ulraviolea (mas fora da zona de absorção caracerísica de anéis aromáicos monosubsiuídos presenes em PS e olueno) começaram a ser explorados a parir do início da década de 9, ais como: corane marrom avermelhado para poliesireno [], -aminoanraquinona para poliesireno [, ] e anracenomeanol para EVA [4]. Também êm sido uilizadas cargas minerais do ipo microesferas de vidro, quanificadas por análise ermogravimérica [5], dióxido de iânio, microesferas de vidro e carbonao de cálcio deerminado por aenuação ulra-sônica [6,7] e cargas meálicas do ipo flocos de alumínio uilizados em EVA e quanificados por dissolução e exração em clorofórmio [8]. Poucos raçadores com caracerísicas de absorção na região do infravermelho êm sido usados sendo um deles o iocianao de poassio KSCN que pode ser quanificado pela sua absorção a 56 cm - [9]. Poucos rabalhos uilizam a absorção de luz na região do visível como deeores empregando negro de fumo como raçador em polipropileno []. A produção de cadeias poliméricas marcadas é Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99 um desenvolvimeno basane recene, endo como primeiro caso a grafização de anraceno sobre cadeias de poliesireno funcionalizado com grupos isocianaos [, ]. Tal PS marcado com anraceno, quanificado por especroscopia de ulraviolea, foi uilizado como raçador para a deerminação das funções de empo de residência de poliesireno. Medidas off-line demandam um empo muio longo e não correspondem à velocidade de resposa requerida pelas necessidades auais. Recenemene [] em-se noado um crescene ineresse no desenvolvimeno de écnicas on-line com resposa em empo real, uilizando-se especroscopia de infravermelho (ano MID quano NEAR-IR), ressonância magnéica nuclear, e méodos ulra-sônicos para a caracerização do produo e conrole do processo. A parir da segunda meade da década de 9 várias écnicas quaniaivas para deerminação da disribuição do empo de residência êm sido desenvolvidas com deecção on-line ou em empo real do raçador por especroscopia de ulraviolea [,], infravermelho [,4], méodos ulrasônicos (velocidade e aenuação) [6,7] e sisemas com absorção de luz por pare do raçador [,5], onde, a passagem do mesmo absorve pare do feixe luminoso, sendo al absorção quanificada. Técnicas on-line não só reduzem o empo de obenção do resulado experimenal mas principalmene aumenam a velocidade de decisão pois fornecendo resulados em curos inervalos de empo (minuos comparados com vários dias quando feio pelo méodo convencional off-line) permiem sua uilização para fazer finos ajuses durane o processameno comercial. Também deve-se considerar a eliminação do rabalhoso méodo de colea e poserior análise, o que normalmene resringe em muio o número de frações por amosra, aumenando a incereza na definição da curva da FDTR. Ese arigo descreve os resulados obidos com a medida da disribuição de empos de residência, durane a exrusão de um polímero, a parir da colea de dados com um sisema poráil de medida online, onde o deecor usa radiação visível e não precisa ocar a amosra. Procedimeno experimenal Maeriais Para as medidas de exrusão usou-se polipropileno grau exrusão da OPP (ρ =.9 g/cm e MFI = 6

5 6 g/min). Como raçador foi usado um concenrado de cor vermelho na forma de grãos (produo comercial da CROMEX ), composo basicamene por um pigmeno vermelho sem coberura (iso é, não possui TiO ) disperso em uma mariz de EVA. Para comparação ambém usou-se iocianao de poássio (KSCN) como raçador [9] reirando-se amosras a cada 5 seg. Méodos Equipamenos Recenemene desenvolvemos um compleo sisema compaco e poráil para a obenção das curvas FDTR e de odas as demais variáveis caracerísicas de ais curvas incluindo-se, empo de residência mínimo, médio, máximo, fração reida, variância, ec. Ese é consiuído de um deecor por absorção de luz visível e uma inerface de colea e ransferência de dados a um compuador poráil. O diagrama esquemáico de al sisema é apresenado na Figura. Todos os cálculos e apresenação das curvas na ela são feios por um programa especialmene desenvolvido para ese fim. O empo necessário para colea dos dados, cálculo e apresenação das curvas em ela é menor que o empo de residência do polímero na exrusora [6]. O deecor em uma caixa de conrole com dois longos braços meálicos flexíveis em cujas ponas se enconram uma lâmpada de filameno e uma célula fooelérica. A fone de luz é posicionada ao lado do exrudado em forma de fio circular, o mais próximo possível da saída da exrusora, permiindo que o feixe de luz aravesse o polímero fundido. A passagem do raçador diminui a inensidade de luz ransmiida, que vai sendo moniorada ao longo do empo do ouro lado do exrudado pela célula fooelérica, efeio esse, que descreve a curva de disribuição do raçador na massa polimérica. Na caixa de conrole exisem dois poenciômeros para o ajuse do zero e do ganho, permiindo o conrole da inensidade e sensibilidade do sinal. O sinal analógico é coleado por uma inerface exerna DAQ-Pad, a uma axa de ponos por segundo, e enviada para o compuador via a saída paralela da impressora. Dos vários canais que esa inerface possui apenas dois são usados: um para receber o sinal do deecor e ouro para o sinal do boão de parida. O sofware especialmene desenvolvido colea os sinais e calcula odas as curvas. Ese consise de quaro módulos: i) Linha de base; onde o sinal do deecor (ou ouro canal qualquer a ser especificado) é apresenado em ela de maneira conínua para permiir o conrole visual do funcionameno do sisema, esabilização do fluxo na exrusora e da própria linha de base de leiura. ii) Amosra; onde odos os dados da amosra (ipo de polímero e raçador) e as condições de medida (perfil de emperaura da exrusora, velocidade de roação da rosca e de alimenação dos componenes, configuração da rosca, empo de medida oal e canais de leiura, ec.) são digiados e armazenados. iii) Medidas on-line; mosra no visor a curva que se esa obendo, empo de medida e valor do sinal lido (em mv), boões para érmino e salvameno dos dados capados, ec. A aquisição dos dados pode ser iniciada aravés de pressão manual no boão de parida, ligado ao segundo canal, no exao momeno em que o raçador é inroduzido na exrusora. iv) Análise; calcula e mosra na ela as várias curvas, ais como: empo de residência (CDTR), função disribuição do empo de residência (FDTR), função acumulaiva da disribuição de empos de residência (FADTR) e diferença en- Exrusora Deecor Lâmpada Célula fooelérica Exrudado Microcompuador Figura. Diagrama esquemáico do sisema proposo para medida on-line da Disribuição de Tempos de Residência durane a exrusão. 64 Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99

6 re duas FADTRs. Todos os dados podem ser armazenados para serem analisados em ouros sofwares disponíveis comercialmene ( por ex. Origin, Excel, Saisics, ec.). Para comparação dos resulados obidos ambém esá disponível um banco de dados com várias curvas padrões CDTR e FADTR siméricas, assiméricas como ambém calculadas aravés da equação da lei de poência. 4 Medidas ON-LINE As medidas da disribuição de empos de residência do fundido polimérico foram feias em uma exrusora de dupla rosca Werner-Pfleiderer ZSK com dosagem conrolada por um alimenador gravimérico K-Tron, para maner a axa de alimenação consane, permiir um fluxo esável e um perfil de emperaura de: 9; ; ; ; C nas seguines condições de operação; Roação:, 5 e rpm, e Taxa de Alimenação: 5; 7,5 e kg/h. Os dados são comparados com algumas curvas eóricas Quanificação do raçador por especroscopia no infravermelho Amosras conendo iocianao de poássio (KSCN) como raçador coleadas em inervalos fixos de empo foram prensadas a 9 C, em uma prensa hidráulica com praos aquecidos, formando filmes de aproximadamene 5 µm. Uilizando-se especroscopia de infravermelho calculou-se a concenração de raçador aravés da relação das absorbâncias a 56 cm - (caracerísica do grupo CN) e a 7 cm - (caracerísica do polipropileno). Resulados e Discussão A Figura mosra a disribuição de ponos experimenais coleados durane a medida da Curva de Disribuição de Tempos de Residência (CDTR) do fundido polimérico na exrusão, sob uma axa de alimenação de 7,5 kg/h e uma velocidade de roação de rosca de rpm. Noa-se algum espalhameno dos resulados, mas ese é aleaório em orno de um valor médio. Iso se deve a medida a ser feia em um ambiene iluminado com luz arificial fluorescene, ciclando a 6 Hz, valor próximo à Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun Figura. Efeio do alisameno da curva fazendo-se uma média com os 5 ponos adjacenes. As curvas esão deslocadas para facilidade de visualização. freqüência de colea de dados ( Hz). Fazendo-se um alisameno maemáico, do ipo média dos 5 ponos adjacenes, obém-se a segunda curva, mosrada na mesma figura. Tal procedimeno não afea os resulados e porano foi considerado padrão e uilizado em odos os gráficos apresenados nese rabalho. Em função das especificações do sisema aqui proposo a colea de dados pode ser feia a uma freqüência máxima de Hz, ou seja uma leiura a cada 5 ms. Tal velocidade de aquisição é suficienemene ala para gerar curvas conínuas, permiindo-se uma fácil deecção, mesmo de pequenas variações no seu perfil, aumenando o poder de análise. Esa freqüência foi definida como padrão e usada em odas as medidas apresenadas nese rabalho. Para a deerminação da quanidade ideal de raçador a ser usado nas medidas obeve-se curvas CDTR com,4g,g,g 5 5 Figura 4. Efeio da concenração do raçador na CDTR medidos em uma exrusora de rosca dupla. 65

7 Tabela. Parâmeros médios medidos ou calculados segundo as equações aneriores: Peso do raçador por pulso (g) i ( s) f ( s) ( s) H, ,46, ,498, ,46 Traçador vermelho Traçador KSCN Obido por infra-vermelho quanidades crescenes variando-se de,g a,4g por pulso, ou seja, a quanidade de raçador inroduzida no funil de alimenação. A Figura 4 mosra ese efeio na forma da curva e consequenemene nos resulados medidos do empo inicial i (empo para aparecer a primeira fração do raçador), final f (empo para sair a úlima fração do raçador), médio e fração reida H,os quais são apresenados na Tabela. Como esperado o valor do empo inicial i não é afeado pela concenração esando a variação de leiuras denro do erro de medida (± seg). Por ouro lado o valor final f o é, sendo maior quano maior for a quanidade do raçador usado, devido ao alargameno do pulso inicial. Ouro problema mais grave das alas concenrações é a sauração do deecor que ende a perder a linearidade enre concenração e inensidade do sinal, necessidade básica para operação do deecor. A fração reida de raçador (H) após o empo de residência médio não é subsancialmene afeada pela concenração do raçador. Calculando-se os empos médios podese observar que eses são muio próximos enquano o deeor não saura (aé,g de raçador por pulso), ou seja, o valor mais conveniene para as condições usadas foi de,g de raçador por pulso. Assim, definiu-se como padrão esa concenração, usando-a para odas as ouras medidas apresenadas nese rabalho, independenemene das condições de processameno. A Figura 5 apresena curvas de disribuição de empo de residência, para uma roação de rpm e axa de alimenação de Kg/h, obidas pela écnica aqui proposa comparadas às obidas por especroscopia de infravermelho, écnica experimenal comum na lieraura [9]. A primeira curva foi obida segundo a meodologia proposa nese rabalho uilizando-se como raçador o concenrado vermelho. A segunda curva, com um número bem menor de ponos, corresponde aos resulados uilizando-se iocianao de poássio como raçador, endo sua concenração esimada aravés de especroscopia de infravermelho. Como o KSCN 5 5 Figura 5. Comparação das medidas da CDTR segundo a écnica aqui apresenada, uilizando-se um raçador de concenrado vermelho(o), KSCN (+), e por especroscopia de infravermelho ( ). alera as caracerísicas ópicas do polímero fundido ambém foi possível deecá-lo pelo sisema aqui proposo, obendo-se a erceira curva. Como a inensidade em unidade arbirária pode-se concluir que odas as curvas são equivalenes, validando a écnica proposa. A enorme diferença do número de ponos enre as duas écnicas uilizadas permie ambém uma maior confiança nos resulados, principalmene na região caudal da curva. A seguir esudou-se a influência da axa de alimenação e da velocidade de roação da rosca sobre a CDTR, em uma exrusora de dupla rosca coroacional inerpenerane. Esas são mosradas nas Figuras 6 e 7. A Figura 6 mosra a influência da axa de alimenação, variando enre 5 e kg/h, para valores consanes da velocidade de roação da rosca ( a rpm) na Disribuição de Tempos de Residência. A Figura 7 mosra as mesmas curvas para valores consanes da axa de alimenação. Os valores numéricos mais imporanes calculados desas curvas se enconram apresenados na Tabela. Todas as cur- Tabela. Efeio da velocidade de roação da rosca (rpm) e da axa de alimenação (kg/h) nos parâmeros médios de empos de residência na exrusora de rosca dupla ZSK-. Corrida (rpm/kg/h) i ( s) f ( s) p ( s) ( s) H / 5, 7, 7 6, 4, 9, 7,49 / 7,5 57, 5, 76, 97, 5,4 / 45, 8 9, 7 6, 6 74,,4 5 / 5, 6, 9 5, 9, 8, 6,44 5 / 7,5 48, 8 8, 6 7, 8,,46 5 / 8, 8 55, 5 54, 8 7,,88 / 5, 5,, 84,, 5,49 / 7,5 4, 7 48, 6 6, 77,,4 /, 9 4, 5 5, 7 6, 6,4 66 Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99

8 / /7,5 /5 /5 5/5 / (a): Velocidade de roação de rosca fixa em rpm (a): Taxa de alimenação fixa em 5, kg/h. 5/ 5/7,5 5/5 /7,5 5/7,5 /7, (b): Velocidade de roação de rosca fixa em 5 rpm (b): Taxa de alimenação fixa em 7,5 kg/h. / /7,5 /5 / 5/ / (c): Velocidade de roação de rosca fixa em rpm. Figura 6. Influência da roação de rosca (rpm) e da axa de alimenação (kg/h) na Exrusora ZSK- sobre a CDTR. vas apresenam a forma caracerísica com uma disribuição assimérica em orno de um valor médio. O valor médio é aproximadamene 5% acima do valor de pico p (empo relaivo à maior inensidade nas curvas de disribuição de empos de residência), bem como o valor de empo final f é aproximadamene quaro vezes Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun (c): Taxa de alimenação fixa em, kg/h. Figura 7. Influência da roação de rosca (rpm) e da axa de alimenação (kg/h) na Exrusora ZSK- sobre a CDTR. maior que o valor do empo inicial i, ou seja, as frações mais lenas podem demorar aé quaro vezes mais que as mais rápidas para serem bombeadas para fora da exrusora. Tano um aumeno da velocidade de roação da rosca quano da axa de alimenação ende a encolher a curva de disribuição de empo de residência, deslo- 67

9 cando-a para a esquerda, reduzindo odos os seus valores médios de empo ( i, p, f e ). O efeio é muio maior para a axa de alimenação mosrando que a CDTR é muio mais sensível à mudanças nesa variável do que na velocidade de roação da rosca. A fração reida de raçador (H) é levemene reduzida com a aumeno da axa de alimenação pois quano maior a alimenação maior é o preenchimeno da rosca, principalmene próxima a regiões de ala pressão e porano menor a presença de fluxo axial. Esa variável praicamene não é afeada pela velocidade de roação da rosca. Além de quanificar o processo de exrusão eses dados ambém podem ser usados para ajusar as condições de processameno on-line e ajudar durane o projeo do perfil da rosca. A Figura 8 mosra os mesmos dados das Figuras 6 e 7 apresenados em ermos da Função Acumulaiva da Disribuição de Tempos de Residência FADTR. Em ermos gerais observa-se que o comporameno do fluxo em uma exrusora de rosca dupla ende para o plug-flow, com pouco fluxo axial, como já observado por ouros auores [,]. As curvas são basane próximas e para eviar dificuldade na sua visualização apenas rês condições limies são apresenadas. A curva referene à condição de mínima velocidade de roação da rosca e máxima axa de alimenação (/), ou seja, rosca cheia e em baixa roação, é a que mais se aproxima do comporameno plug-flow. Um gradual aumeno na rpm e/ou redução na alimenação endem a aumenar o fluxo axial alargando a disribuição, como ambém previso pela fração reida de FADTR[F( θ )],,75,5,5, Lei de Poência n =,4 / / /5,5,75,,5,5 Tempo normalizado ( θ) Figura 8. Idem à Figura 7 mas com relação à Função Acumulaiva da Disribuição de Tempos de Residência FADTR. Para comparação ambém é apresenada a curva calculada para um polímero com fluxo segundo a lei de poência (para n =,4). Observar a expansão da escala do empo normalizado θ. raçador (H), discuida acima. Assim a condição /5 é a que mais se afasa do comporameno plug-flow, sendo as demais inermediárias. Apenas como referencia é apresenado novamene a curva eórica mosrada na Figura para um fluido que segue a Lei de Poência com n=,4. Conclusões O sisema de medida on-line por absorção de luz no visível proposo deeca de maneira muio conveniene o Tempo de Residência em exrusoras. O sofware desenvolvido permie o cálculo imediao de odas as curvas relaivas às Funções Acumulaiva e de Disribuição de Tempos de Residência FADTR e FDTR respecivamene, bem como odos os parâmeros relacionados às disribuições ( i, p,, H). O sisema é compaco, leve e poráil, obém a medida sem a necessidade de ocar a amosra, fazendo-o de modo fácil e rápido. Usando-se ese sisema em uma exrusora de dupla rosca inerpenerane co-roacional pode-se verificar que a CDTR é muio mais sensível à variações na axa de alimenação do que da velocidade de roação da rosca. Também observa-se que as frações mais lenas podem demorar quaro vezes mais que as mais rápidas para saírem. Um aumeno na velocidade de roação da rosca e/ou redução na axa de alimenação, ou seja uma rosca pouco preenchida e em ala roação, ende a aumenar o fluxo axial alargando a disribuição de empo de residência. Agradecimenos Os auores agradecem a paricipação do Sr. Gil Mason pela consrução do deeor e ao Sr. Sérgio R. Barcellos por escrever o sofware, bem como ao supore financeiro do CNPq (PADCT, PRONEX) CAPES/PICD e FAPESP em vários projeos. Referencias bibliográficas. Carberry, J.; Varma, A., Chemical Reacion and Reacor Engineering. Ed. Marcel Dekker, Inc. New York, (986).. Tadmor, Z; Gogos, C. G., Principles of Polymer Processing; Wiley Inercience, New York, (978). 68 Polímeros: Ciência e Tecnologia - Abr/Jun - 99

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