12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015

Transcrição

1 12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015 CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DE SOLUÇÕES COLODAIS DE CARBOXIMETILCELULOSE DE SÓDIO Battaglini N. M. P. *, Pintão C. A. F 2, Silveira R. B 3, Nichiata H. Y. 4, Hochegreb A. F. N. 5, Ascher M. E. 6 ** 1,2 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, Faculdade de Ciencias Depto.de Física. Av. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, Bauru (SP)- Brasil neusapb@fc.unesp.br Palavras chaves: reologia, vicosidade RESUMO Este trabalho teve como objetivo estudar as características de fluxo de uma solução aquosa de carboximetilcelulose à concentrações mássicas de 0,17, 0,34, 1,0; 1,5 e 2,0%. A caracterização reológica foi feita através de ensaios utilizando um sistema de agitação empregado nas indústrias como viscosímetro misturador. O sistema de agitação é composto por um tanque de 2 L, por um impelidor tipo âncora centralizado e posicionado verticalmente no tanque e por uma unidade de medidas. O sistema é acoplado a um computador, com software específico e uma interface, que registra a viscosidade e o torque no eixo do impelidor em função da rotação. As soluções foram preparadas adicionando lentamente o carboximetilcelulose à água deionizada sob agitação constante por 20 min e permaneceram em repouso até completa hidratação do CMC. As soluções colocadas no tanque do sistema de agitação foram agitadas no intervalo de 0,17 a 1,67 rps durante 60s para cada rotação. A análise reológica feita a partir dos reogramas construídos indicou que as soluções aquosas de CMC exibiram características não-newtonianas de tempo independente e pseudoplásticas. Os índices reológicos (n) mostraram que a pseudoplasticidade aumentou com o aumento da concentração mássica de carboximetilcelulose. PALAVRAS CHAVE: reologia, características reológicas.

2 INTODUÇÃO A reologia é a ciência que estuda o comportamento mecânico das substâncias fluidas, classificando-as em função de parâmetros específicos das características do escoamento que esses fluidos poderão ter em condições reais. No século XX houve um grande desenvolvimento industrial, em especial ao da indústria de processamento e química com o uso de inúmeros fluidos sintéticos, cuja grande maioria apresenta comportamentos mecânicos não são descritos pela lei de Newton da viscosidade. Entre eles, incluem-se os polímeros, géis, tintas, emulsões, produtos alimentares e farmacêuticos. O CMC é um polímero produzido pela modificação química de uma celulose alcalina com monocloroacetato de sódio. O hidrogênio dos grupos hidroxilas da glicose é substituído pelo grupo carboximetilo do grupo sódio. O CMC é um aditivo comumente utilizado em trabalhos de pesquisa e nas indústrias de petróleo, de papel, de cosméticos e farmacêutica. Na indústria petrolífera, o carboximetilcelulose (CMC) é usado como aditivo ao fluido de perfuração a base de água. O CMC é um polímero modificado e tem como principal função tornar o fluido de perfuração mais viscoso melhorando o carregamento de cascalho [2]. Os parâmetros reológicos do fluido de perfuração influem diretamente no cálculo das perdas de carga na tubulação e na velocidade de transmissão dos cascalhos [3]. A Lei da viscosidade de Newton expressa pela Eq.(1) descreve o comportamento de fluidos viscosos ideais, onde a tensão de cisalhamento é proporcional à taxa de deformação, e a constante de proporcionalidade é por definição a viscosidade dinâmica do fluido. Entretanto, alguns fluidos não apresentam comportamento que são perfeitamente descritos pela lei de Newton da viscosidade. Em alguns casos a viscosidade depende do cisalhamento ou do tempo de sua aplicação e torna-se uma propriedade dependente das condições em que o fluido é deformado e da tensão. Dessa forma, os fluidos podem ser classificados em função do seu comportamento de fluxo ou reológico. (1) Os fluidos em que as tensões desenvolvidas em movimento laminar em regime permanente são exclusivamente de natureza viscosa são ditos fluidos não-newtonianos puramente viscosos e podem ser subdivididos em dois grupos: fluidos com características viscosa independentes do tempo e com características viscosa dependentes do tempo. Os fluidos não-newtonianos puramente viscosos com características viscosa independentes do tempo são aqueles que apresentam uma taxa de deformação que depende somente do valor da tensão nele aplicada. Os fluidos não-newtonianos puramente viscosos com características viscosa dependentes do tempo, a taxa de deformação é função do valor da tensão aplicada, do tempo de duração de aplicação dessa tensão e também da história das tensões a que o fluido esteve anteriormente sob essa tensão. A tixotropia e a reopetia são duas formas de dependência do tempo que as propriedades vicosas podem ter. Nos fluidos tixotrópicos a tensão de corte diminui com o tempo para uma taxa de deformação fixa e temperatura constante. O fenômeno não é permanente, atingindo um valor constante depois de algum tempo. As características do fluido voltam lentamente às condições inicias depois de cessado o esforço de corte aplicado, isto é, o comportamento é reversível para grandes intervalos de tempo [4]. No caso dos fluidos reopéticos, para uma taxa de deformação constante, a tensão de corte aumenta com o tempo até atingir um valor limite. Os fluidos não-newtonianos viscoelásticos apresentam uma recuperação parcial da deformação quando cessa a aplicação da tensão a que estão submetidos, apresentando, por isso, características mistas entre os fluidos e os sólidos. Podem também serem classificados, quanto a sua componente viscosa, como fluidos não- Newtonianos com características viscosas independentes do tempo e fluidos não-newtonianos com características viscosas dependentes do tempo. As soluções de carboximetilcelulose encontram-se no grupo dos fluidos não-newtonianos viscoelásticos e quanto à sua viscosidade tem características viscosas independentes do tempo [5]. Estudos indicaram que viscosímetros misturadores são utilizados para o estudo do comportamento reológico de diversos produtos alimentícios em substituição ao viscosímetro rotacional de uso comum com a finalidade de minimizar os efeitos da sedimentação e da separação dos produtos [6]. Esse tipo de viscosímetro é muito útil na indústria de alimentos para a avaliação do comportamento de fluidos dependentes do tempo e de fluidos com partículas grandes ou substâncias que apresentam problemas com sedimentação de partículas [7]. Para os viscosímetros misturadores, as velocidades em torno do impelidor, e, portanto a taxa de deformação média eram diretamente proporcionais à sua rotação N e expressa pela Eq.(2) [8]. Três métodos foram analisados para determinar a constante de proporcionalidade k s, concluindo que a constante de

3 proporcionalidade do misturador não é válida para todos intervalos das propriedades reológicas do fluido, da geometria do sistema (impelidor e tanque) e da rotação do impelidor [9]. O índice de escoamento n M e do logorítimo da rotação N k s N (2) pode ser determinado pela inclinação da reta obtida quando os valores do logarítimo do torque forem colocados em um gráfico de coordenadas cartesianas [10]. Recentes trabalhos [11], [12], [13] avaliaram o uso do misturador para medidas reológicas concluindo que o misturador pode ser usado, dentro de suas limitações, para a caracterização reológica. Este trabalho teve como objetivo estudar as características de fluxo de uma solução aquosa de carboximetilcelulose usando um misturador. MATEIAIS E MÉTODOS Fluidos usados e preparação das soluções aquosas Foi feita a caracterização reológica do carboximetilcelulose de sódio (CMC, Synth, Brasil) a concentrações mássicas de 0,17, 0,34, 1, 1,5 e 2 %. As soluções aquosas são inodoras, incolores e não tóxicas e a viscosidade depende do PH da solução. As soluções aquosas foram preparadas adicionando o CMC à água deionizada sob agitação constante por 20 min. As soluções permaneceram em repouso por 24, 48 e 60 h de acordo com a concentração mássica para completa hidratação das moléculas e novamente agitadas por 30 minutos antes das medições da viscosidade e do consumo energético do agitador. Sistema usado para as medidas reológicas A caracterização reologia foi feita utilizando-se um sistema laboratorial LR-2ST, IKA, mostrado na Fig.(1), que agrega funções de um viscosímetro misturador e de um reator. Figura 1: Sistema usado para as medidas reológicas. O sistema é composto por uma unidade de agitação laboratorial EUROSTAR- power control-visc P7, por uma unidade de medida modelo IKA Viscoclick VK 600 e por um agitador âncora com orifícios. A unidade de medida IKA Viscoclick é medidor de torque. O valor do torque e as mudanças em seu valor podem ser obtidos durante a operação de agitação. Os valores do torque e da rotação fornecidos pelo sistema de

4 agitação são registrados pelo programa computacional e processados com outros parâmetros pré-determinados que incluem o tamanho e forma do vaso e do impelidor e a densidade do meio a uma determinada temperatura. O tanque de agitação cilíndrico com eixo vertical é feito de vidro com parede dupla para a circulação do fluido térmico o que permite manter a temperatura em cada ensaio. O agitador âncora está colocado na posição central do tanque de agitação. A unidade para o controle da temperatura é constituído de um banho termostático que assegura o controle da temperatura da amostra durante a realização do ensaio reológico. Essa unidade é dotada de um circuito hidráulico que permite a circulação do fluido térmico pela parede dupla do tanque de vidro. A temperatura do fluido térmico é permanentemente mostrada num visor digitalizado e controlada com incerteza de 0,1 C. O sistema de aquisição de dados é composto por um computador com o programa computacional Labworldsoft e uma interface. Os dados são registrados de forma automática e as curvas de fluxo de viscosidade, da rotação e do torque são mostradas instantaneamente durante a operação. As especificações técnicas do agitador e do sistema de agitação estão na Tabela 1. Tabela 1: Especificações técnicas do sistema usado para a caracterização reológica. volume útil do tanque (l) 2,0 temperatura máxima de trabalho ( C) 230 pressão máxima (bar) 1 vácuo (mbar) 25 faixa de rotação (1/s) 0,13 4,83 diâmetro interno do tanque (m) 0,150 altura do costado (m) 0,210 impelidor Âncora plana diâmetro do impelidor (m) 0,140 altura do impelidor (m) 0,126 (diâmetro do impelidor / diâmetro do tanque): d 0,93 D D d espaçamento entre o impelidor e o tanque: c 2 (m) 0,005 Obtenção dos dados experimentais O comportamento reológico das soluções aquosas de CMC foi determinado pelas curvas de fluxo obtidas com o sistema operando no intervalo de 0,17 a 1,67 rps. Inicialmente aumentou-se a rotação em etapas regulares, com tempo iguais de operação para cada rotação, até um valor máximo e, então procedeu a diminuição da rotação da mesma maneira. As leituras dos valores experimentais correspondentes a cada rotação foram efetuadas intermitentemente. Os ensaios foram realizados em triplicatas e a temperatura foi mantida constante à 25 C. Os dados foram processados usando os programas Wingather v2, Labworldsoft, Excel 2007 e Origin 7.5. A classificação reológica foi feita a partir da análise dos reogramas construídos com os valores do torque e da viscosidade em função da rotação. Os índices de escoamento das soluções coloidais foram obtidos pelo coeficiente de inclinação das retas construídas com o logaritmo do torque em função do logaritmo da rotação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Considerando que em um viscosímetro misturador, a taxa média de deformação ao redor do impelidor é m diretamente proporcional à rotação N e que a tensão é diretamente proporcional ao torque M, as características de comportamento de fluxo foram analisadas pelo gráfico torque em função da rotação. A análise de dependência do tempo pode ser feita usando-se varredura crescente e decrescente de taxas de deformação ou aplicando uma taxa de deformação constante por um período específico de tempo. Deste modo, os ensaios realizados com rotações crescentes e decrescentes apresentados na Fig.(1) permitiram analisar a dependência do tempo. Na Fig (1), as curvas ascendentes e descendentes para as soluções coloidais se

5 sobrepõem, indicando um comportamento independente do tempo, porém não é possível afirmar se o fluido é newtoniano analisando somente o comportamento dessas curvas. A análise das curvas das Fig. (3) indica que a viscosidade apresenta um decréscimo no inicio da agitação e para rotações maiores que 0,4 rps, considerando os erros experimentais, há pequena variação em seu valor. Analisando as Fig.(1) e (2) tem-se curvas ascendentes e descendentes sobrepondo, indicando que as soluções não apresentaram características tixotrópicas, ou seja, caracteriza que não houve mudanças na viscosidade em função do tempo sob determinada taxa de cisalhamento. De um modo geral, um fluido espessante pode apresentar uma viscosidade constante para taxas de deformação muito baixas e muito elevadas, e viscosidade que varia segundo a lei da potência para valores intermediários de taxas de deformação que pode ser interpretado pela progressiva desagragação do entrelaçamento das moléculas de fluido quando sujeitas a forças tangenciais de intensidade crescente. Essas forças conduzem a um progressivo ordenamento das moléculas segundo direções paralelas ao escoamento, reduzindo assim sua interação e consequentemente a resistência do fluido ao escoamento, ou seja à sua viscosidade instantanea. A convergência da viscosidade para um valor mínimo para elevadas taxas de deformação corresponde ao valor da viscosidade na situação de orientação completa das moléculas [14]. Na Fig.(2) é perceptível a formação de uma tendência para uma viscosidade constante a altas taxas de deformação. Observa-se na Fig.(3) que à medida que aumentou a concentração de CMC na água o comportamento das soluções se afastou do newtoniano exibindo características pseudoplásticas ,17% 0,34% 1,0% 1,5% 2,0% Torque, Nm ,0 0,5 1,0 1,5 2, Rotação, rps Fig. 1: Torque em função da rotação do impelidor. Viscosidade, 10-1 Pa s ,17% 0,4% 1,0% 1,5% 2,0% 4 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Rotação, rps Fig.2: Viscosidade das soluções aquosas de CMC.

6 Os dados experimentais das curvas da Fig.(3) foram ajustados à Eq. (3) utilizando-se o Software Oringin 7.0. Nos ensaios foram determinados e analisados os parâmetros de ajustes como o coeficiente de correlação (R 2 ). Os parâmetros com seus os respectivos coeficientes de correlação (R 2 ) estão no Quadro (1). O índice de foi inferior a unidade caracterizando comportamento pseudoplástico. escoamento log( torque) Alog( rotação) B (3) 3 0,17% 0,34% 1,0% 2 1,5% 2,0% 1 Log(torque) ,6-0,4-0,2 0,0 0,2 Log(rotação) Fig.3: Logaritimo do torque em função do logartimo da rotação. Tabela 1- Valores do índice de escoamento. CMC (%) 0,17 0,34 1,0 1,5 2,0 Índice de escoamento, n 0,77 0,72 0,69 0,70 0,61 Coeficiente de correlação, R 2 0,9967 0,9956 0,9967 0,9991 0,99931 CONCLUSÕES No intervalo 0,17 N 1, 67 s -1, a análise reológica indicou que as soluções aquosas de CMC exibiram características não-newtonianas de tempo independente e pseudoplásticas. Os índices reológicos (n) mostraram que a pseudoplasticidade aumentou com o aumento da concentração mássica de CMC. REFERENCIAS 1. A.M.S., Cavadas. Potência de agitação e critério de suspensão em reactor agitado por turbina hiperbólica. Dissertação apresentada a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, Área de Especialização de Engenharia Térmica. Porto, Portugal, R. Caenn, M. D.; Chillingar, G. V. Drilling Fluids: State of the Art. Journal of Petroleum Science and Engineering p , J. C. Machado,. Fluses Petrobras- UM-Ba/ ST EP. 2002b 4. A.M.S., Cavadas. Potência de agitação e critério de suspensão em reactor agitado por turbina hiperbólica. Dissertação apresentada a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, para a

7 obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, Área de Especialização de Engenharia Térmica. Porto, Portugal, A.M.S., Cavadas. Potência de agitação e critério de suspensão em reactor agitado por turbinahiperbólica. Dissertação apresentada a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, Área de Especialização de Engenharia Térmica. Porto, Portugal, M. A. Rao, Measurement of Flow Properties of Food Suspensions with a Mixer. Journal of texture Studies. v6, p New York, USA, Steffe, J. F. Rheological Methods in food Process Engineering. Esat Lansing: Freeman Press, A. B. Metzner and R.E.Otto. Agitation of non-newtonian fluids. The Chemical Engineering Journal. n3, p Czechoslovakia:, M. E. Castell-Perez and J. F. Steffe. Evaluating shear rates for power law fluids in mixer viscometry. Journal of Texture Studies v. 21, p , J.F. Steffe. Rheological Methods in Food Process Engineering. East Lansing: Freeman Pre, (1992). 11. N. M. P. Battaglini, F.Q.Costa, F, Q., J.A. Cagnon. Caracterização reológica usando um misturador. XXX CEBRAVIC, F, Q. Costa, J. A. Cagnon and, N. M. P. Battaglini.. Misturador para a análise de propriedades reológicas. Revista Energia na Agricultura, N. M.P. Battaglini,, et. al. Medidas das propriedades de fluxo com misturador. In Proceedings of the 21st International Congress of Mechanical Engineering - CIBIM, Porto, Portugal, 2013 UNIDADES E NOMENCLATURA d diâmetro do impelidor (m) D diâmetro do tanque (adimensional) d diámetro del tubo (m) τ tensão cisalhante (N/m 2 ) µ viscosidad dinâmica (Pa s) taxa de deformação (s -1 ) κ s constante de proporcionalidade (adimensional) N rotação do impelidor (rps) n índice de escoamento (adimensional) M torque (N m)