INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO E VELOCIDADE DE ROTAÇÃO NO CARREGAMENTO IDEAL DE TAMBOR ROTATÓRIO COM SUSPENSORES

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1 INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO E VELOCIDADE DE ROTAÇÃO NO CARREGAMENTO IDEAL DE TAMBOR ROTATÓRIO COM SUSPENSORES 1 Daniel Muranaka de Lima, ² Luis Felipe G. De Avila, ² GhabrielleAlbarottiP. S. Campos, ³ Suellen Mendonça Nascimento e 4 Marcos Antonio de S.Barrozo e 4 Claudio R. Duarte ¹ Bolsista MEC do Programa de Educação Tutorial, discente do curso de Engenharia Química ² Bolsista do CAPES do Programa Jovens Talentos para a Ciência, discente do curso de Engenharia Química 3 Aluna de Iniciação Científica, discente do curso de Engenharia Química 4 Bolsista CAPES, Aluna de Mestrado da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 5 Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG 1,2,3,4,5 Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco 1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP ) claudiofequfu@gmail.com RESUMO - Os tambores rotatórios são bastante utilizados para a secagem de granulados ou particulados sólidos, devido ao baixo custo e a versatilidade em comparação com outros secadores. Em vista disso, este equipamento tem sido muito estudado, visando compreender a influência das variáveis de processo na dinâmica dos particulados. Geralmente, são usados tambores rotatórios com suspensores, onde a quantidade de sólidos contidos neles e em queda na seção transversal de um secador rotatório é extremamente importante para a análise do desempenho destas unidades, desta maneira o escoamento no tambor pode ser classificado de acordo com a massa de material particulado em seu interior. Assim, ele pode estar sub-carregado, sobrecarregado,ou com o carregamento ideal. Para classificar o carregamento, mediu-se posição em que o descarregamento dos sólidos nos suspensores inicia de acordo com a posição angular. Neste trabalho, variou-se a massa de partículas inicialmente colocadas no tambor, a velocidade de rotação e o diâmetro das partículas. Os resultados obtidos foram satisfatórios para determinar a influencia dessas variáveis no carregamento ideal do tambor rotatório. Palavras-Chave: secador, tambor rotatório, carregamento ideal. INTRODUÇÃO Os secadores rotatórios com suspensores são utilizados em diversos setores industriais, como indústrias de cimento, fertilizantes e minerais. Isso acontece devida a alta capacidade de processamento e flexibilidade de operação quando comparado com outros tipos de secadores. O secador rotatório convencional consiste de um tambor cilíndrico, inclinado por um pequeno ângulo com relação à horizontal, que gira em torno do seu próprio eixo longitudinal. Além disso, acoplados internamente ao tambor existem suspensores que irão promover o cascateamento dos sólidos no interior do secador e melhorar o contato com o ar de secagem. Um estudo importante no projeto de um secador rotatório é a carga total de sólidos no seu interior. Idealmente, um secador rotatório deve ser operado com todos os suspensores operando em sua capacidade máxima de acordo com a sua posição angular. Pois com uma quantidade menor, o secador estará operando abaixo da sua capacidade total e acima desta quantidade ideal, as partículas não estarão com a umidade ideal ao final do processo. O carregamento ideal, definido na literatura, se dá quando a descarga das partículas inicia na posição 0 (Ajayi e Sheehan, 2012), que é a posição em que passa a linha horizontal que divide o tambor ao meio. De acordo com Baker (1983), a carga de sólidos no tambor deve corresponder entre 10 e 15% do seu volume total, porém esta é uma definição puramente empírica, fazendo necessária uma maior investigação deste parâmetro de projeto. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo estudar a influência das variáveis operacionais no carregamento ideal. MATERIAIS E MÉTODOS

2 A seguir será apresentada a unidade experimental, assim como materiais e métodos para a determinação do carregamento ideal. Unidade Experimental Os experimentos foram realizados utilizando um tambor cilíndrico com 108 mm de diâmetro e 500 mm de comprimento, de aço inoxidável, colocado na horizontal, como mostra a Figura 1. garantir que o perfil de partículas era constante, esperou-se de dois a cinco minuots até que o regime entrasse em estado estacionário. Filmouse com uma câmera de alta definição alguns segundos da rotação. Com o software ImageGrab é possível quebrar o filme em frames e obter as imagens do tambor em diferentes posições. Para medir a posição angular do suspensor, na extremidade frontal do tambor existe um transferidor, que permite que as retas horizontal e vertical sejam traçadas nas imagens. A posição angular é dada pelo ângulo que vai da posição da ponta do suspensor até o cruzamento das duas linhas traçadas. A medida desse ângulo é feita utilizando o software ImageJ. como mostra a Figura 2. Figura 1 Foto da unidade construída para o trabalho. Na parte interna do cilindro foram soldados seis suspensores igualmente espaçados com três segmentos cada, com 10, 4 e 4 mm. Acoplado à parte inferior havia um motor que promovia a rotação das partículas. Materiais As partículas utilizadas foram esferas de vidro, cuja massa específica é 2455 kg/m³. Tal particulado fora escolhido por ser um material inerte, ou seja, não há alterações químicas e nem físicas de suas propriedades. Foram utilizadas peneiras para separar diâmetros médios de esferas. Neste trabalho, estudou-se as esferas de 1,09, 1,84 e 2,56 mm de diâmetro. Figura 2 Exemplo de medição da posição angular de um suspensor. Para determinar a massa no suspensor em dado ângulo, parou-se a rotação do tambor em ângulos que variam de -20 até 120 e retirou-se as partículas utilizando uma calha coletora que era acoplada à uma tampa de acrílico na parte de trás do tambor, conforme mostra a Figura 3. Métodos Para determinar o perfil de descarga de sólidos em relação à posição angular dos suspensores, foi necessário recolher a massa de esferas de vidro em dado suspensor para pesagem. Além disso, foi necessário um método também para análise do ângulo do suspensor. Para isso, alimentou-se o tambor com diferentes carregamentos de partículas e fechouse a entrada e a saída com as tampas de acrílico. Assim, colocou-se o tambor para girar,mas para

3 Figura 3 Foto do sistema de tampa de acrílico e calha coletora de partículas. Com esses métodos variou-se a velocidade de rotação entre 1,5, 3,0 e 4,5 rpm; o diâmetro das esferas de vidro entre 1,09, 1,84 e 2,56 mm; e o carregamento entre 3%, 4,5% e 6% em relação ao volume do tambor. Os dados foram plotados em gráficos usando o software Statistica, e os resultados estão descritos a seguir. RESULTADOS E DISCUSSÃO As Figuras 4, 5 e 6 mostram a variação do perfil de descarga com a posição angular para as velocidades de 1,5, 3 e 4,5 rpm, para esferas com 1,09 mm de diâmetro. Analisando as figuras, observa-se que para este diâmetro de esferas, quando a fração de sólidos no tambor ocupa 3% do tambor em fração volumétrica o tambor está abaixo do carregamento ideal, em qualquer uma das velocidades, tendo em vista que a massa de sólidos só começa a descarregar em torno da posição angular de 40. Assim, há uma perda de área util de descarga, visualizando um processo de secagem. Para o caso em que a fração volumétrica das esferas ocupa 4,5% e 6%, para o diâmetro de 1,09 mm, o tambor está operando acima do seu carregamento ideal, visto que as partículas estão sendo descarregadas antes da posição 0. Desta maneira parte das partículas não entram em contato com o ar de secagem. Figura 5 Variação do perfil de esferas de 1,09 mm e velocidade de rotação de 3 rpm. Figura 6 Variação do perfil de esferas de 1,09 mm e velocidade de rotação de 4,5 rpm. Figura 4 Variação do perfil de esferas de 1,09 mm e velocidade de rotação de 1,5 rpm. As Figuras 7, 8 e 9 mostram os perfis de descarga das partículas de 1,84 mm para as três velocidades de rotação do tambor. Analisando as figuras, observa-se que, assim como para as esferas de 1,09 mm de diâmetro, para as esferas de 1,84 mm quando a fração de sólidos é de 3% do volume do tambor, está se operando abaixo do carregamento ideal, já que a descarga dos sólidos se inicia em aproximadamente 40. E para o carregamento do tambor em 6% em fração volumétrica o tambor está trabalhando acima do carregamento ideal, pois a descarga está iniciando antes da posição 0. No entanto, para este diâmetro, a carga do tambor de 4,5% representa o carregamento ideal, porque a

4 descarga dos sólidos está se iniciando em aproximadamente 0. Esta análise se aplica para todas as velocidades. Figura 7 Variação do perfil de esferas de 1,84 mm e velocidade de rotação de 1,5 rpm. Figura 9 Variação do perfil de esferas de 1,84 mm e velocidade de rotação de 4,5 rpm. Realizou-se também o estudo do carregamento ideal para as esferas de 2,56 mm de diâmetro, cujos resultados estão apresentados nas Figuras 10, 11 e 12. Os resultados encontrados para as esferas com 2,56 mm de diâmetro foram os mesmos encontrados para as esferas de 1,84 mm, em que 4,5% em fração volumétrica representa o carregamento ideal em qualquer uma das velocidades iniciais. Assim, encontra-se que para as esferas de vidro com diâmetros de 1,84 e 2,56 mm o carregamento ideal do tambor ocorre para 4,5% em fração volumétrica. Já para as esferas de 1,09 mm este carregamento é ligeiramente menor. Tal fato pode ser explicado pelo coeficiente de atrito dinâmico dessas esferas serem menores do que os das esferas de maior diâmetro, desta maneira, elas escoam com mais facilidade e por isso descarregam um pouco antes. Figura 8 Variação do perfil de esferas de 1,84 mm e velocidade de rotação de 3 rpm. Figura 10 Variação do perfil de esferas de 2,56 mm e velocidade de rotação de 1,5 rpm.

5 Figura 11 Variação do perfil de esferas de 2,56 mm e velocidade de rotação de 3 rpm. Figura 12 Variação do perfil de esferas de 2,56 mm e velocidade de rotação de 4,5 rpm. Como já foi mencionado, o carregamento ideal para secadores rotatórios utilizado na literatura está entre 10 e 15% do volume do tambor, bem maior do que o carregamento ideal encontrado. Isso acontece porque o tambor estudado não leva em conta a presença do ar de secagem, que altera o tempo de residência das partículas, e, além disso, ele é disposto na horizontal, tendo em vista que se trata de um equipamento batelada, enquanto que os secadores reais possuem uma pequena inclinação para que ocorra o transporte das partículas. No entanto, no trabalho desenvolvido por Ajayi e Sheehan (2012), os autores estudaram o escoamento de partículas de areia em um tambor rotatório com suspensores colocado na horizontal. O carregamento ideal encontrado foi de aproximadamente 5% do volume do tambor, bem próximo ao valor encontrado neste trabalho. Como não houve variação com a velocidade e o diâmetro da partícula alterou pouco o valor do carregamento ideal, realizou-se a análise do carregamento ideal para partículas de fertilizante com 2,56 mm de diâmetro e velocidade de rotação de 3 rpm. Os resultados estão mostrados na Figura 13: Figura 13 Análise do carregamento ideal para fertilizante NPK com 2,56 mm de diâmetro e velocidade de rotação de 3 rpm. Analisando a Figura 13, observa-se que o carregamento ideal para o fertilizante é de 5,5% enquanto que para as esferas de vidro este era de 4,5%. Esta diferença do valor do carregamento ideal é explicada pela diferença de coeficiente de atrito entre os materiais. Na análise do ângulo de repouso estático observou-se que o as esferas de vidro começam a rolar em aproximadamente 28, enquanto que para o fertilizante o ângulo de repouso estático é de 41. Desta maneira, as partículas de fertilizante são mais coesas e por isso o carregamento ideal é um pouco maior, dada a maior dificuldade de escoar. É importante observar também que, em todas as condições em que foi analisado o carregamento ideal, as curvas em que o tambor está operando abaixo da idealidade seguem constante até que se encontram à curva que opera no carregamento ideal. Este comportamento ocorre devido à saturação dos suspensores, visto que no carregamento ideal todos os suspensores estão transportando a máxima quantidade que comportam em qualquer posição angular. Assim, observa-se que os suspensores só começam a descarregar quando atingem a máxima capacidade de sólidos para determinada posição angular. CONCLUSÃO A análise do carregamento ideal através dos perfis de descarga trouxe resultados conclusivos. Observou-se que para as esferas de vidro com diâmetros de 1,84 e 2,56 mm o

6 carregamento ideal do tambor ocorre para 4,5% em fração volumétrica, enquanto que para as esferas de 1,09 mm é ligeiramente menor, o que é explicado pelas diferenças entre os coeficientes de atrito dinâmico. O carregamento ideal para o fertilizante de 2,56 mm de diâmetro foi de 5,5%. O valor desse carregamento é maior para o fertilizante porque as partículas são mais coesas do que as esferas de vidro. Além disso, este valor é distante do recomendado na literatura, de 10 a 15%, o que se deve ao fato de o tambor deste trabalho estar na horizontal e não haver a presença do ar de secagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AJAYI, O.O., SHEEHAN, N.M. Application of image analysis to determine design loading in flighted rotary dryers. Powder Technology, v. 223, p , BAKER, C.G.J. Cascading rotary dryers. Advance in Drying, Hemisphere, New York, (ed), v.2, 1983, p