FLUIDODINÂMICA DO LEITO DE JORRO EM OPERAÇÕES DE RECOBRIMENTO DE PARTÍCULAS E SECAGEM DE SUSPENSÕES COM ATOMIZAÇÃO NA BASE

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1 FLUIDODINÂMICA DO LEITO DE JORRO EM OPERAÇÕES DE RECOBRIMENTO DE PARTÍCULAS E SECAGEM DE SUSPENSÕES COM ATOMIZAÇÃO NA BASE B. D. Castro 1 (aluna de I.C), M. W. Donida, S. C. S. Rocha 2 (orientadora) e A. M. M. Marques Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem Universidade Estadual de Campinas C. P Barão Geraldo- Campinas, São Paulo Brasil, CEP barbaradcastro@yahoo.com.br, 2- rocha@feq.unicamp.br RESUMO - O objetivo deste trabalho é analisar a fluidodinâmica de um leito de jorro convencional durante operações de recobrimento de partículas e secagem de suspensões. Para realização dos experimentos foi utilizado um leito de jorro convencional em escala laboratorial, com ângulo da base cônica de 60 e atomização da suspensão na base contendo partículas inertes de diferentes propriedades físicas: esferas de vidro, ABS, polipropileno e poliestireno. Os valores de queda de pressão, vazão de ar de jorro, circulação de sólidos e altura da fonte foram acompanhados durante os processos. O comportamento fluidodinâmico do leito foi correlacionado com as características das partículas e da suspensão em cada processo: recobrimento e secagem. A performance do recobrimento da partícula e da secagem de suspensão foi correlacionada com a adesão da suspensão no material. INTRODUÇÃO Secagem de suspensão e recobrimento de partículas são operações similares quando conduzidas em leito de jorro. Em ambos os casos, a suspensão é atomizada sobre leito de partículas movimentadas por ar aquecido, revestindo a superfície das partículas com um fino filme líquido. No processo de recobrimento, o solvente evapora e o material sólido fica depositado sobre as partículas na forma de filme. No processo de secagem, o filme líquido é seco sobre o material inerte e é rompido durante a circulação das partículas, produzindo um pó fino, que é arrastado e coletado por um ciclone. O principal parâmetro que determina se ocorrerá recobrimento ou secagem é a força de adesão da suspensão com a superfície da partícula. Em casos de forte adesão entre a interface líquido-sólido, as partículas poderão ser recobertas e para uma fraca adesão na superfície sólida, as gotas de líquido poderão secar como pó, ou secar formando um filme sólido que é rompido pelo atrito inter-partículas (1, 2, 3). A força de adesão é dependente da molhabilidade do sólido pelo líquido e pode ser quantificada através do ângulo de contato e da tensão superficial da suspensão (4, 5, 6). O objetivo deste trabalho é analisar a fluidodinâmica e a performance de um leito de jorro convencional durante processos de recobrimento e secagem, quando uma suspensão polimérica é atomizada pela base sobre partículas inertes. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS Caracterização das Partículas 1

2 As partículas utilizadas foram ABS, polipropileno (PP), poliestireno (PS) e esferas de vidro, as quais foram analisadas quanto ao tamanho, forma, esfericidade, ângulo de repouso, densidade aparente, densidade bulk e índice de escoabilidade. As características físicas das partículas estão apresentadas na Tabela 1. A granulometria das partículas foi obtida por peneiramento e o diâmetro médio foi calculado a partir da definição de Sauter. A esfericidade foi determinada pela razão do maior diâmetro inscrito e o menor diâmetro circunscritivo na área projetada da partícula num plano estável. O ângulo de repouso de cada partícula foi medido pelo método do tambor rotatório (7). A densidade aparente das partículas foi determinada por porosimetria de mercúrio, no equipamento Autopore II. A densidade bulk ou volumétrica dos sólidos foi determinada pela a razão entre a massa de partículas e o volume que elas ocupam em um recipiente quando em arranjo normal. A definição de escoabilidade intrínseca é baseada na habilidade da partícula escoar livremente através de um orifício em um plano. O índice de escoabilidade foi obtido pela medida do menor orifício através do qual as partículas passam livremente, em três testes consecutivos, utilizando o equipamento Flodex Powder Flowability. Índices menores indicam que o material apresenta alta escoabilidade. Tabela 1: Características físicas das partículas selecionadas ABS PP PS Esferas de Vidro Forma Arredondada Irregular Lenticular Arredondada d p ( mm) 2,90 2,91 4,58 2,13 ap (kg/m 3 ) 1013,6 905,3 1049,1 2491,7 bulk (kg/m 3 ) ,77 0,06 0,74 0,06 0,90 0,07 0,81 0,05 (º) 40,27 2,22 37,67 2,12 36,67 1,22 31,03 1,15 IE (mm) Caracterização da Suspensão A suspensão polimérica utilizada, baseado em resultados de Donida, Rocha e Bartholomeu (8), é composta de hidroxietilcelulose (5,5%), polietileno glicol 6000 (0,75%), estearato de magnésio (1%), dióxido de titânio (1,25%), corante (1%), talco (3,5%) e água (87%). Essa suspensão forneceu a formação de um filme homogêneo e apresentou um bom desempenho no processo de recobrimento de esferas de vidro com atomização no topo. A suspensão foi caracterizada quanto à concentração de sólidos, massa específica, tensão superficial e reologia, como apresentado na Tabela 2. A concentração de sólidos foi medida pesando-se a suspensão seca em uma estufa a 105 C até peso constante; a massa específica foi determinada por picnometria; a tensão superficial foi determinada a 25 C usando o método de anel Du Nouy (tensiômetro KSV ) e os parâmetros reológicos foram obtidos através de um reômetro capilar. Tabela 2: Características da suspensão. C sol (%) 12,70 0,59 susp (kg/m 3 ) 1042,8 5, (N/m) 60,09 1,20 n (--) 0,8808 ± 0,0205 m (N s n /m 2 ) 0,3228 ± 0,0041 A molhabilidade de cada par partícula-suspensão foi quantificada por de medidas do ângulo de contato(contact Angle Meter, Tantec ). Os resultados encontram-se na Tabela 3. 2

3 Tabela 3: Ângulos de contato suspensão material inerte. Material ( ) PP 78,98 2,33 PS 76,68 2,38 ABS 70,35 1,35 Vidro 37,82 1,42 Equipamento Experimental O sistema experimental está apresentado na Figura 1. O leito de jorro foi construído em acrílico, com diâmetro da coluna cilíndrica de 20 cm, altura da coluna cilíndrica de 30 cm, diâmetro do orifício de 5 cm e base angular de 60. O bico atomizador é do tipo duplo fluido e está localizado na base do leito. Uma linha de ar comprimido alimentou o bico atomizador e a suspensão foi bombeada por uma bomba peristálica. A pressão de ar de atomização e a vazão de suspensão foram mantidas constantes em valores operacionais pré-definidos em testes preliminares. MÉTODOS Durante os experimentos, foram medidas: vazão de ar de jorro, queda de pressão no leito, temperatura e umidade relativa do ar de entrada e de saída, temperatura das partículas no ânulo, altura da fonte, altura do ânulo e velocidade de circulação das partículas na parede do leito. A velocidade de circulação das partículas foi determinada medindo-se o tempo necessário para uma partícula percorrer uma distância fixa na parede da base cônica do leito. Dez medidas foram realizadas para definir um valor médio de velocidade de circulação. As seguintes condições operacionais foram previamente determinadas em testes preliminares e foram mantidas constantes em todos os experimentos. A temperatura do ar de entrada foi fixada em 60 C, a suspensão foi atomizada a kpa (20 psig) e a vazão de suspensão foi mantida em m 3 /s (6 ml/min). O tempo de processo foi estabelecido em 30 minutos. (1) soprador (10) leito de jorro (2) resfriador (11) linha de ar comprimido (3) válvula (12) bomba peristáltica (4) pressão estática (13) suspensão (5) placa de orifício (14) ciclone (6) manômetro diferencial (15) manômetro diferencial (7) manômetro diferencial (16) termohigrômetro (8) resistências elétricas (17) termohigrômetro (9) bico atomizador Figura 1: Sistema Experimental. A vazão de ar adotada para iniciar a atomização da suspensão foi fixada em 1,15 vezes a vazão de jorro mínimo; durante os experimentos, a altura do leito foi mantida constante através do aumento da vazão de ar, quando sintomas de instabilidade fluidodinâmica foram observados (mudanças bruscas na altura da fonte). A adesão da suspensão com as partículas inertes foi quantificada pelo trabalho de adesão, (4): W ad 1 cos (1) Para avaliar o processo de recobrimento, foram quantificados a eficiência de recobrimento, definida pela Equação (2), e o crescimento das partículas, dado pela Equação (3). Mf Mi 100 (2) Q C t susp sol Mf Mi 100 M i (3) 3

4 P (Pa) No processo de secagem da suspensão foram avaliados eficiência de coleta de pó no ciclone, e a retenção média de sólidos nas partículas, R. Mpó 100 (4) Q C t susp sol Mf Mi R 100 Q C t susp sol (5) RESULTADOS E DISCUSSÕES Dois processos distintos foram verificados: recobrimento de partículas e secagem da suspensão. Esses processos mostram-se dependentes do trabalho de adesão da suspensão com a superfície da partícula. Partículas que apresentaram alto valor de trabalho de adesão como esferas de vidro e ABS e com valores de ângulo de contato inferiores a 70 graus, foram recobertas pela suspensão polimérica. Enquanto que para as partículas de PS e PP, que apresentam fraca adesão da suspensão-material e valores de ângulos de contato superiores a 76 graus, ocorreu secagem da suspensão na forma de pó. Estes resultados estão de acordo com os trabalhos da literatura (3, 9), que estudaram o recobrimento de diferentes partículas com suspensão polimérica em leito de jorro, com atomização no topo. A Tabela 4 apresenta os resultados de eficiência de recobrimento, crescimento das partículas e trabalho de adesão para as esferas de vidro e ABS. Tabela 4: Resultados dos experimentos de recobrimento das partículas. Vidro ABS (%) 82,10 1,41 69,38 5,29 (%) 0,422 0,01 0,976 0,07 Wad.10 3 (N/m) 107,6 80,3 Pode-se verificar que os resultados de eficiência são proporcionais ao trabalho de adesão da suspensãopartícula. Quanto maior o trabalho de adesão, mais forte a adesão entre a suspensão e a partícula, portanto, maior é a eficiência de recobrimento. As esferas de vidro apresentam menor ângulo de contato, ou seja, maior molhabilidade da suspensão na superfície e proporcionou um valor de eficiência de 82%. O comportamento fluidodinâmico observado para o processo de recobrimento com as esferas de vidro e ABS foram similares. Após a adição da suspensão, as condições estacionárias de transferência de calor e massa, que ocorrem simultaneamente, foram estabelecidas aos cinco minutos de processo. Estas condições foram identificadas através das medidas de temperatura no ânulo, umidade e temperatura do ar na saída do leito. A vazão do ar de entrada foi aumentada durante o experimento para manter a altura constante do leito, pois verificou-se em testes preliminares que o aumento da massa das partículas provoca instabilidades no leito tendendo-o ao colapso. As Figuras 2 e 3 apresentam os valores de queda de pressão e velocidade de circulação das partículas, respectivamente, durante o processo de recobrimento das esferas de vidro e do ABS. Os valores apresentados no tempo zero correspondem às condições para o leito seco com ar de atomização Vidro ABS Figura 2: Queda de pressão no leito durante o recobrimento para esferas de vidro e ABS. Analisando-se as Figuras 2 e 3 verifica-se que no processo de 4

5 v circ (cm/s) v circ (cm/s) P (Pa) recobrimento a queda de pressão do leito e a velocidade de circulação das partículas tendem a aumentar com o aumento da vazão do ar de jorro Vidro ABS Figura 3: Velocidade de circulação das partículas durante o recobrimento para esferas de vidro e ABS. Os resultados obtidos nos experimentos de secagem da suspensão estão listados na Tabela 5. A eficiência de coleta de pó seco foi próxima para os dois materiais inertes (PS e PP), bem como a retenção média de sólidos na partícula. A semelhança dos valores de eficiência e de retenção de sólidos é coerente com o trabalho de adesão entre a suspensão e os materiais, pois os ângulos de contato são muito próximos. Tabela 5: Resultados dos experimentos de secagem da suspensão. PS PP (%) 40,66 1,30 37,83 1,50 R (%) 34,03 5,72 37,05 3,34 Wad.10 3 (N/m) 73,9 71,6 A fluidodinâmica do leito com as partículas de PP e PS, durante a secagem da suspensão, foi similar. A vazão do ar de entrada foi aumentada durante o experimento para manter a altura constante do leito, uma vez que, verificouse que o aumento de retenção de sólidos no leito provoca instabilidade com tendência ao colapso. As Figuras 4 e 5 apresentam os valores de queda de pressão e velocidade de circulação das partículas, respectivamente, durante a secagem com as partículas de PP e PS. PS PP Figura 4: Queda de pressão no leito durante a secagem durante a secagem com PS e PP PS PP Figura 5: Velocidade de circulação das partículas durante a secagem com PS e PP. No processo de secagem de suspensão, a queda de pressão do leito (Figura 4) apresentou-se praticamente constante após o estabelecimento das condições estacionárias para as duas partículas utilizadas. Enquanto que a velocidade de circulação das partículas (Figura 5) apresenta a tendência de diminuir com o tempo de processo. Isto ocorre devido ao aumento da retenção de sólidos no leito, que reduz a porosidade no ânulo, facilitando a passagem do ar pelo canal central. CONCLUSÕES A força de adesão suspensãomaterial determinou o processo recobrimento de partículas ou secagem de suspensões. As partículas de vidro e 5

6 ABS, com maiores valores de ângulo de contato suspensão-material, foram recobertas, enquanto o PS e o PP secaram a suspensão na forma de pó. A eficiência de recobrimento e a retenção de sólidos na partícula mostraram-se proporcionais à intensidade da força de adesão. Podem ser identificados comportamentos fluidodinâmicos distintos entre os processos de recobrimento e secagem. Durante o recobrimento, a circulação das partículas e a queda de pressão do leito aumentaram com o aumento da vazão do ar de jorro. No processo de secagem da suspensão a velocidade de circulação das partículas diminuiu com aumento da retenção de sólidos no leito e a queda de pressão do leito manteve-se praticamente constante com o aumento da vazão do ar de jorro. Subscritos susp suspensão ad adesão ap aparente circ circulação f final i inicial p partícula sol sólidos REFERÊNCIAS 1. LEONTIEVA, A.I., BRYANKIN, K.V., KONOVALOV, V.I., UTROBIN, N.P. Heat and mass transfer during drying of a liquid film from the surface of a single inert particle. Drying Technology 2002, 20 (4-5), KUTSAKOVA, V.E. Drying of liquid and pasty products in a modified spouted bed of inert particles. Drying Technology 2004, 22 (10), DONIDA, M. W., VIEIRA, M.G.A, ROCHA, S.C.S. Fluid-dynamic, coating efficiency and adhesion of an aqueous polymeric AGRADECIMENTOS suspension to inert particles in a spouted bed. Transactions of TSTU 2004, 2, n. Agradecemos à FAPESP e à CAPES pelo apoio financeiro. 10th Anniv, ADAMSON, A.W. Physical Chemistry of Surfaces, 5 th ed., JohnWiley & Sons, NOMENCLATURA IVESON,S.M., LITSTER, J.D., HAPGOOD, C concentração K., ENNIS, B.J. Nucleation, (%) growth and d diâmetro breakage phenomena in (mm) agitated wet IE índice de escoabilidade granulation process: a (mm) review. Powder M massa Technology 2001, 117, 3-39 (kg) m índice de consistência 6. HEMATI, M., CHERIF, N R., s n /msaleh, 2 K., n índice de comportamento PONT, V. Fluidized bed (--) coating and P pressão granulation: influence of (Pa) process-related Q vazão variables and physicochemical (kg/min) properties R retenção média de sólidos na on the growth kinetics. (%) Powder partícula Technology 2003, 130, t tempo de processo 7. KEEY, R. B. Drying (min) of Loose and V Velocidade Particulate Materials. (cm/s) New York W trabalho Hemisphere, (m 3 /s) Letras Gregas 8. DONIDA, M.W., ROCHA, S.C.S., eficiência de coleta de pó BARTHOLOMEU, F. (sinfluence -1 ) of crescimento da partícula aqueous polymeric coating (%) suspension eficiência de recobrimento characteristics on the particle (%) coating in a ângulo de contato spouted bed. In: Drying 2004,. (º) v. A, 217- esfericidade ângulo de repouso 9. VIEIRA, M.G.A., DONIDA, M.W., (º) ROCHA, S.C.S. Adhesion of an aqueous densidade (kg/m 3 polymeric ) suspension to inert particles in a spouted tensão superficial (N/m) bed. Drying Technology 2004, 22 (5), variação