ESTUDO DO PROCESSO DE SECAGEM DE PEÇAS CERÂMICAS (CHAMOTA- ARGILA) UTILIZANDO UM SECADOR TIPO TÚNEL

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1 ESTUDO DO PROCESSO DE SECAGEM DE PEÇAS CERÂMICAS (CHAMOTA- ARGILA) UTILIZANDO UM SECADOR TIPO TÚNEL Guaracy Barbosa dos Santos Maia (Aluno do mestrado CMEQ-UFPA ) 1, Elisangela Lima Andrade (bolsista PIBIC-UFPA) 2, José Antônio da Silva Souza (DEQAL-UFPA) 3,Roberto de Freitas Neves (DEQAL-UFPA) 3, Prof. Célio Augusto Gomes de Souza (DEQAL-UFPA) 3, 1 Curso de Mestrado em Engenharia Química-( CMEQ-UFPA) 2 Bolsista do PIBIC-UFPA 3 Departamento de Engenharia Química e de Alimentos (DEQAL-UFPA) RESUMO: Neste trabalho um secador foi projetado, desenvolvido e montado na usina de materiais do Laboratório de Engenharia Química, com o objetivo de secar materiais cerâmicos. O secador é do tipo túnel com convecção forçada todo revestido em alumínio e isolado com vermiculita. O secador é composto por seis módulos, sendo que no primeiro módulo está o soprador que possui um controlador de freqüência que possibilita variar a vazão de ar insuflado. Para avaliar a performance do equipamento, foi utilizada uma mistura de chamota-argila do Estado do Pará. Foram realizadas corridas experimentais de secagem de peças cerâmicas de chamota-argila na proporção de 70%-30% e 60%-40%, respectivamente. A partir do levantamento dos dados experimentais foi realizado a modelagem matemática das curvas de secagem, onde seguiram o comportamento do modelo de Page modificado. Os resultados experimentais obtidos, mostraram-se adequados quando comparados com os dados da literatura. 1. INTRODUÇÃO No Estado do Pará, a produção da indústria de cerâmica vermelha encontra-se restrita, ainda, à fabricação de produtos estruturais (telhas e tijolos vazados) em nível tal que não supre por completo o mercado interno, o qual adquire ainda produtos cerâmicos das regiões Nordeste e Centro-Oeste. Um forte condicionante desta situação é o escasso processo de modernização das indústrias, o que dificulta a introdução de produtos e processos produtivos competitivos, em termos de preço e qualidade (SOUZA et al, 1995). O setor de cerâmica vermelha em toda a região paraense sofre um profundo processo de transformação, visando à modernização do parque industrial, destacando-se os pólos produtores de São Miguel do Guamá, Tapajós no Município de Santarém e Sudoeste do Pará, com a concentração do setor em Marabá e Tucuruí. Uma possibilidade de melhoria no processo de produção na indústria de cerâmica vermelha, está ligada ao desenvolvimento de tecnologia para a construção de fornos mais eficientes e a custos menores, uma vez que a maioria do material refratário adquirido hoje é proveniente do sudeste do País, entretanto a matéria prima para este fim é abundante. O parque industrial poderia ser beneficiado mediante o uso de tecnologias que levem em consideração características específicas da região, através da realização de análises e diagnósticos técnico-científicos que apontem para soluções em função das características das matérias-primas. Pode-se obter a melhoria do produto já fabricado ou a implementação de outros, mediante pequenas alterações nas instalações e baixo investimento na pesquisa das matérias primas utilizadas, dentro da realidade de cada localidade.

2 Então com todo esse panorama e a falta de desenvolvimento técnico-científico para o melhor desenvolvimento das industrias oleiras do Estado do Pará. A Divisão de Materiais do Departamento de Engenharia Química e de Alimentos da Universidade Federal do Pará desenvolveu um secador para que se avalie o comportamento das curvas de taxa de secagem nas diferentes condições de concentrações da mistura chamota argila, das velocidades de secagem, das temperaturas de secagem. O objetivo dessa secagem é de propiciar obtenção de um material cerâmico refratário de boa qualidade para uso em fornos industriais e com maior durabilidade. 2. MATERIAIS, EQUIPAMENTOS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS. 2.1 MATERIAIS Argila A argila é um material natural, terroso, de granulometria fina, que geralmente adquire, quando umedecido com água, certa plasticidade, (SANTOS, 1989 e VAN VLACK, 1973). Toda argila usada na elaboração desse trabalho é oriunda do Município de Marabá no Estado do Pará que é um pólo produtor, a argila foi tratada retirando-se todos os resíduos grosseiros (raízes, folhas, galhos, etc), em seguida todo o material foi colocado em uma estufa a 100ºC por 24h para retirada do excesso de umidade, logo após o material seco foi cominuido em um britador e posteriormente foi feita a moagem em um moinho de discos visando a redução do tamanho das partículas Chamota. Pode ser definida como um subproduto proveniente da queima do caulim ou de rejeitos de material cerâmico. A chamota é, geralmente, estabilizada a temperaturas, pelo menos tão altas quanto aquelas nas quais o refratário cerâmico é queimado (NORTON, 1973). A chamota utilizada nesse trabalho é proveniente da queima do caulin a 1250 ºC, é oriunda do Município de Marabá no Estado do Pará que é um pólo produtor, o caulin foi tratado retirando-se todos os resíduos grosseiros (raízes, folhas, galhos, etc), logo após o material seco foi cominuido em um britador e posteriormente, a moagem em um moinho de discos visando a redução do tamanho das partículas e em seguida todo o material foi colocado em uma mufla e queimado a 1250 ºC A mistura chamota-argila. A partir do tratamento da argila e da chamota, foi realizada a mistura nas proporções de e 60-40% de chamota-argila respectivamente, adicionou-se cerca de 30% de água em peso da mistura, até formar uma massa homogênea ao ponto que a massa adquira certa plasticidade considerada ideal, para que os corpos de prova sejam confeccionados em uma extrusora (Marca VERDÉS Série: 0015). Os corpos cerâmicos possuem as seguintes dimensões 20,0 x 2,9 x 1,9cm.

3 3. EQUIPAMENTOS EXPERIMENTAIS. Com o objetivo de estudar o processo de secagem de corpos de prova em uma mistura de chamota-argila nesse trabalho, foi projetado, desenvolvido e montado um secador todo em alumínio tipo túnel com convecção forçada, todo revestido com vermiculita (Figura 1). Sendo composto por seis módulos, o sistema experimental utilizado permite a seguinte seqüência de operações: (1) frequencímetro que controla o ar insuflado; (2) soprador; (3) saída do soprador; (4) grupos de resistências (500 W) independentes no total de dois grupos de quatro resistências são ligadas conforme a temperatura de secagem; (5) antes e depois dos corpos de prova são colocados psicrômetros para as leituras de temperaturas de bulbo úmido e bulbo seco; (6) os corpos de prova são colocados em um leito fixo todo em alumínio, e em um dos corpos é colocado um retratômetro, onde há uma janela em vidro que nos permite retirar os dados de retração; (7) sendo o leito acoplado em uma balança semi-analitica na parte superior externa do secador permitindo assim a leitura das medidas de perda de umidade dos corpos de prova na operação; (8) antes e depois dos corpos de prova são colocados termopares para as leituras do ar; (9) na saída do secador é colocado um sistema de controle de vazão de diâmetros 18,4 cm e 14,6 cm e (10) um anemômetro para controlar a velocidade do ar na saída do secador a cada corrida experimental Figura 1 Secador tipo túnel: 1- Frequencímetro; 2- Soprador centrífugo; 3 Saída do soprador; 4 Grupos de resistências; 5 Psicrômetros; 8 Termopares; 6 Leito fixo (corpos de prova); 7 Balança semi-analítica; 9 Controle de saída de fluxo (D= 18,4 e 14,6 cm); 10 Anemômetro de pás (medidor de velocidade). A figura 2, apresenta uma vista frontal do secador.

4 Figura 2 Vista do secador tipo túnel em leito fixo com covecção forçada 4. A SECAGEM DOS CORPOS DE PROVA A cada experimento realizado no secador foi utilizado três corpos de prova nas respectivas misturas (60-40 e %), temperatura de secagem (60 e 70 ºC) e velocidade de secagem (2,9; 3,6; 4,4; 5,4 m/s). Inicialmente os corpos de prova foram pesados, em seguida foram colocados no secador, então mediu-se as suas perdas de massa em tempos predeterminados de 10 em 10 minutos, até que a massa ficasse constante. Em seguida os corpos foram colocados numa estufa à temperatura de 100ºC por 24 horas, para garantir que toda água dos corpos seja evaporada, assim obtendo-se a massa de sólido seco. 5. DETERMINAÇÃO DAS CURVAS DE SECAGEM Com a finalidade de analisar a cinética de secagem dos corpos de prova, tem-se: Para determinar os valores dos teores de umidade em base seca foi utilizada a seguinte equação: Mc Mss X (% bs ) =. 100 (1) Mss Para o calculo das curvas de secagem, foram utilizadas as seguintes equações: - Para o período de taxa de velocidade constante: X = A + Bt (2) X é o teor de umidade que varia o teor de secagem (t). A e B são constantes. - Para o período de taxa decrescente, foi utilizado o equação de PAGE (PAGE, 1949): D X = C exp( kt ) (3) C,k e D são constantes da equação de PAGE (PAGE, 1949).

5 Para as curvas da taxa de secagem versus tempo de secagem, foram obtidas a partir da derivação das equações (2) e (3). A taxa de secagem foi calculada através da equação: Mss dx R =. (4) A dt 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES. 6.1 Curvas de secagem Foram realizados quatro corridas experimentais para a determinação das curvas de secagem nas temperaturas de 60 e 70 ºC para as respectivas misturas (60-40 %) e (70-30 %) de chamotaargila, com as seguintes velocidades de secagem 2,9; 3,6; 4,4; 5,4 m/s na saída do secador, que é mostrada na Figura 3; 4; 5 e 6. Para as corridas foram utilizados três corpos de prova com dimensões (20 x 2,9 x 1,9 cm) sendo feito uma média já que os corpos apresentaram praticamente a mesma cinética de secagem, com as respectivas temperaturas e velocidades de secagem. As misturas estudadas chamota-argila apresentaram uma tendência de redução da retração linear, que é de grande importância na produção de elementos cerâmicos (refratários). Este resultado preliminar foram comparados quantitativamente com os resultados de AMARAL (1999); o qual utilizou argila-areia. A Figura 3 apresenta teor de umidade versus tempo de secagem, onde X 0 é o teor de umidade inicial. Pode-se verificar que não há praticamente diferença de teor de umidade com o tempo, na temperatura de 60º C com as velocidades de 2,9 e 4,4 m/s, na respectiva concentração verifica-se que a partir de 330 minutos a perda de massa é considerada constante Chamota-Argila (70-30 %) 0.8 T=60ºC e v=2,9m/s T=60ºC e v=4,4m/s 0.6 X/X t(min) Figura 3- Curva do teor de umidade (X/X 0 ) em função do tempo (t) com a concentração da mistura chamota-argila (70 30 %) e as velocidades de secagem.

6 A Figura 4 apresenta teor de umidade versus tempo de secagem, onde X 0 é o teor de umidade inicial. Pode-se verificar que há uma visível diferença da perda do teor de umidade com o tempo, devido ao aumento da temperatura e da velocidade de secagem, entretanto na maior temperatura a velocidade de secagem é menor o que está de acordo com os dados da literatura Chamota-Argila (60-40 %) T=70ºC e v=5,4m/s T=60ºC e v=3,6m/s 0.6 X/X t(min) Figura 4- Curva do teor de umidade (X/X 0 ) em função do tempo (t) com a concentração da mistura chamota-argila (60 40 %) e as velocidades de secagem. O comportamento da taxa de secagem (R) versus tempo de secagem (t), mostrado na Figura 5, demonstra que, quando há um aumento da velocidade e da temperatura de secagem, ocorre uma redução relevante no tempo de secagem, sendo observado no intervalo de 0 a 320 minutos, a partir de 330 a perda de massa é praticamente constante, para as respectivas temperaturas e velocidades de secagem na mistura Chamota-Argila (60-40 %) 1.7 R(g/cm 2 min) T=70ºC e v=5,4m/s T=60ºC e v=3,6m/s Figura 5- Curva da taxa de secagem (R) em função do tempo (t) da mistura chamota-argila nas temperaturas e velocidades de secagem. t(min)

7 A Figura 6, mostra o comportamento da taxa de secagem (R) com o tempo (t). As curvas permanecem muito próximas mesmo variando as velocidades de secagem com a temperatura constante, podemos observar que no intervalo de tempo 0 a 390 minutos a diferença da taxa de secagem é muito sensível, permanecendo praticamente constante a partir de 400 minutos Chamota-Argila (70-30 %) T=60ºC e v=4,4m/s T=60ºC e v=2,9m/s 1.3 R(g/cm 2 min) Figura 6- Curva da taxa de secagem (R) em função do tempo (t) da mistura chamota-argila nas temperaturas e velocidades de secagem. A Tabela 1, mostra os valores das constantes das equações (2) e (3) para o teor de umidade com o tempo e seus respectivos coeficientes de correlação (R), onde esses mostram um excelente ajuste dos pontos experimentais aos modelos utilizados, sugerindo que essas equações podem descrever adequadamente a cinética de secagem da mistura chamota-argila, bem como a variação de temperatura e velocidade de secagem, sendo coerentes com os dados da literatura, STRUMILO E KULDRA (1986 ) Tabela 1 Coeficientes dos modelos ajustados para o teor de umidade dos corpos de prova de acordo com os modelos utilizados para o período de taxa constante e o período de taxa decrescente. t(min) Experimento 1º Período: Taxa constante 2º Período : Taxa decrescente A B R C K D R CA(60-40)70ºC,v=5,4m/s 593,8264-0, , , , 844-1, ,99958 CA(60-40)60ºC, v=3,6m/s 592,6615-0, , , ,86-1, ,99957 CA(70-30)60ºC, v=4,4m/s 626,3768-0, , , ,57-2, ,99954 CA(70-30)60ºC, v= 2,9m/s 616,0525-0, , , ,03-2, ,99939

8 7. CONCLUSÃO - O equipamento projetado, montado e construído atendeu as expectativas para a secagem de peças cerâmicas. - Que o aumento da velocidade de secagem influencia a cinética de secagem. - A temperatura de secagem é um fator preponderante na diminuição do tempo de secagem; - Que a percentagem utilizada na mistura chamota-argila, apresentaram corpos de prova sem trinca e deformações, onde posteriormente foram feitos ensaios de queima para avaliar a qualidade do material utilizado, conforme a sua percentagem de mistura; - O modelo de cinética de secagem utilizado reproduziu satisfatoriamente os ensaios experimentais. - Pode-se verificar que o tempo de secagem dos corpos de prova da mistura chamota-argila foi menor, e que é aliado a retração, e que se destaca como importante vantagem para a produção de elementos cerâmicos para a região paraense, uma vez que, a maioria das industrias cerâmicas da região realiza a secagem ao natural e que leva um tempo relativo em média três dias. 8. REFERÊNCIAS AMARAL, A.S.M. Secagem de Materiais Extrudados em um Secador de Convecção Utilizando Argila do Estado do Pará, Belém-PA, CT/DEQ/UFPA, Outubro de 1999, p.102 (Tese de Mestrado). Orientador Prof. Dr. Célio Augusto Gomes de Souza. NORTON, F. H. Introdução à Tecnologia Cerâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.] PAGE, G. E. Factors influencing the maximum rates of air drying shelled corn in thin layers. Thesis (M. S.), Lafayette, Mechanical Engineering Department, Purdue Universit, Indiana, SANTOS, P. S. Ciência e Tecnologia de Argilas. 2. Ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1989, v.2. SOUZA, C. A. G.; SOUZA, J. A. S. Fabricação de tijolos refratários a partir de matérias primas silico-aluminosas, disponível na região e de resíduos da indústria de caulim e da indústria de bauxita refratária que serão utilizadas na construção de fornos para indústria de cerâmica vermelha. Projeto apresentado a Secretaria de Meio Ambiente SECTAM, STRUMILLO, C.; KULDRA, T. Draying: Principles, applications and design. New York: Gordon and Breach Science Publishers, Topics in Chemical Engineering, v. 3). VAN VLACK, L. H. Propriedades dos Materiais cerâmicos. São Paulo: Edgard Blücher,1973.