DETERMINAÇÃO DA DIFUSIVIDADE EFETIVA DE PEÇAS CERÂMICAS EXTRUDADAS DURANTE A SECAGEM EM UM SECADOR TIPO TÚNEL DE CONVECÇÃO FORÇADA. N. P. Braga 1, A. Starquit 1, C. A. G. Souza 2, R. F. Neves 2 1- Faculdade de Engenharia Química Universidade Estadual de Campinas. Cidade Universitária Zeferino Vaz CEP: 13081-970 C. P. 6066 Campinas SP Brasil Telefone: (0-xx-19) 3788-3969 Fax: (0-xx-19) 3788-3922 Email: nbraga@feq.unicamp.br 2- Departamento de Engenharia Universidade Federal do Pará. Campus Universitário do Guamá CEP: 66075-900 Belém Pará Brasil Telefone: (0- xx- 91) 211-1908 Email: celioag@ufpa.br RESUMO A secagem de peças cerâmicas é uma etapa importante em seu processo de fabricação. É comum nesta etapa ocorrerem defeitos que somente podem ser notados após a queima das peças cerâmicas. O entendimento dos mecanismos envolvidos durante a secagem permite uma melhor compreensão dos defeitos e forma de evitá-los. A secagem tem como objetivo eliminar a água utilizada na conformação das peças de argila (cerâmica vermelha) necessária para a obtenção de uma massa plástica. A velocidade de remoção desta água é um fator determinante nas propriedades do produto final pósqueima (porosidade e absorção de água). Por meio da determinação da difusividade efetiva da água contida no material pode-se avaliar a velocidade de remoção desta umidade. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo determinar a difusividade efetiva de peças cerâmicas durante a secagem em um secador tipo túnel de convecção forçada variando a temperatura do ar de secagem em 40, 50, 60 e 70 ºC. PALAVRAS-CHAVE: difusividade; secagem; cerâmica. ABSTRACT The drying of clay bodies is an important stage in their production process. It s common in this step occur defects which only can be observed after burning of the ceramic bodies. The knowledge of the involved mechanisms during drying allows a better understanding of the defects and permits to avoid them. The objective of drying is to eliminate the water content necessary to obtain a plastic paste, which is used in the conformation of clay pieces (red ceramic). Moisture removing rate is an important factor for the after-burning final product properties (porosity and water absorption). From the determination of effective diffusivity of the moisture content contained in the material, the moisture-removing rate can be evaluated. The objective of the present work is to determine the effective diffusivity in ceramic pieces during the drying process in a forced convection tunnel type dryer. For this purpose, the drying air temperature was varied in the range from 40 to 70 ºC.
1.INTRODUÇÃO Segundo SANTOS (1992), as argilas têm grande importância nas prospecções geológicas, em agricultura, em mecânica dos solos e em grande número de indústrias, como, por exemplo, metalúrgica, de petróleo, de borracha, de papel e principalmente de cerâmica. Para NORTON (1975), as argilas são as matérias primas da cerâmica, portanto é de fundamental importância o conhecimento de sua natureza. A maioria das argilas contém, principalmente, em sua composição o argilomineral caulinita (Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O) e é o argilomineral que mais prevalece em argilas naturais. De acordo com PARTIRE (1993), a fabricação de tijolos destinados à construção é a mais antiga arte da humanidade, porém a menos desenvolvida em relação às demais indústrias. Segundo LIRA (1998), atualmente as indústrias cerâmicas nacionais estão entre as melhores do mundo, no que se refere a pisos, enquanto que na confecção de peças, como tijolos, telhas e artefatos de cerâmica, a produção ainda é feita de forma bastante rudimentar, onde na sua totalidade a secagem é feita em ambientes cobertos e aerados de forma inadequada. Segundo o trabalho de CAMPBELL (1999), o processo de fabricação do tijolo passa por algumas etapas importantes, como: coleta nos leitos dos rios, transporte para olaria, compactação (extrusão), secagem natural à sombra e cozimento ou queima em forno das peças cerâmicas. O processo de secagem é uma operação importante na fabricação de produtos cerâmicos. Entretanto, se esta etapa não for conduzida de forma adequada, isto é, lenta, pode ocasionar o aparecimento de empenamentos localizados nas peças, devido às contrações anisotrópicas que ocorrem durante a eliminação da água. Por isso são necessários estudos que possam prever o comportamento da secagem desse produto, visando complementar de maneira eficiente os estudos já realizados (AMARAL, et al., 1998; AMARAL, et al., 1999, HASATANI, et al., 1993; BRAGA, et al., 1998; AUZIER, et al., 2003), e no final propor parâmetros de secagem de tijolos extrudados. Neste sentido, o objetivo deste trabalho é determinar a difusividade efetiva de peças cerâmicas durante a secagem (2º período de secagem decrescente) e relacioná-la com as propriedades cerâmicas (porosidade aparente (PA) e absorção de água (AA). 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os corpos de prova extrudados com dimensões de 20 cm de comprimento; 2,5 cm de largura e 1,5 cm de espessura, foram feitos a partir de argila pura, isenta de impurezas, oriunda do rio Guamá (margens do Campus Universitário da UFPA, sede em Belém-PA). Esta argila é análoga as das olarias da região do Pará. Os testes de secagem foram realizados em um secador tipo túnel de convecção forçada nas temperaturas de 40 ºC, 50 ºC, 60 ºC e 70 ºC. O ar nestas condições foi soprado com uma velocidade de 2,5 m/s sobre os corpos de prova. A Figura 1 apresenta o desenho esquemático do secador utilizado nos experimentos, bem como a disposição dos dispositivos utilizados para leitura de temperatura e da perda de massa em função do tempo.
4 5 Figura 1 Desenho esquemático do secador: 1- soprador, 2- sistema de resistências elétricas, 3- termostato, 4- psicrômetros, 5- sistema de pesagem, 6- anemômetro (Fonte: Braga et al., 1998). 2.1. Metodologia utilizada O sistema experimental utilizado seguiu as seguintes operações: o ar foi insuflado pelo soprador, onde sua velocidade foi medida por um anemômetro de pás (marca IOPE, modelo FA-1). Um conjunto de resistências elétricas foi montado logo após o soprador para obterse ar quente, na qual a temperatura era controlada por um termostato. Os corpos de prova foram colocados em um leito fixo de alumínio situado no centro do secador, sendo fixo em um balança semi-analítica (marca GEHAKA, modelo BK2000), situada na parte externa do secador permitindo com isso a leitura das medidas de perda de massa de água no processo. Antes e depois do leito têm-se acoplado os psicrômetros para leituras de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido. A partir dos dados obtidos da leitura da balança analítica fez-se um banco de dados. O programa DRYINGFIT faz a leitura desse banco de dados e calcula o coeficiente 2 D ef L e com o resultado obtem-se a difusividade efetiva ( D ef ). O modelo utilizado no programa será descrito na próxima seção. 4 3 2 6 1 2.2. Modelo Matemático Para a determinação da difusividade efetiva das peças cerâmicas foi utilizado o modelo difusivo de Fick (1ª lei de Fick). Entretanto, os dados utilizados para determinação do coeficiente foram os dados referentes ao segundo período de secagem decrescente. Para o primeiro período o modelo não consegue descrever satisfatoriamente. Isto se deve ao alto teor de umidade inicial livre na superfície das peças caracterizando dessa maneira um período de remoção convectiva de água e não um período difusivo. A lei de Fick expressa que o fluxo de massa por unidade de área é proporcional ao gradiente de concentração de água. Utilizando equação de Fick no balanço de água no interior da peça cerâmica, temos: ( Def. X t = ) (1) CRANK (1975) calculou um grande número de soluções para a equação de difusão. Contudo, todas as soluções são para formas geométricas simples (esferas, placas, cilindros) com difusividade constante ou variando linear ou exponencialmente com a concentração de água. Para o caso de sistemas de coordenadas cartesianas com direção unidirecional em uma placa de comprimento característico 2L (espessura): t = Def. (2) z z Vale ressaltar que o comprimento característico 2L refere-se a espessura total da peça. Neste trabalho o processo difusivo
tomará a medida do centro da peça (z = 0) até sua superfície (z = L). A equação tem as seguintes condições inicial e de contorno: Umidade inicial uniforme: X z,t = X 0,t = X ( ) ( ) 0 Umidade no centro da peça: = 0 z z= 0 Umidade constante na superfície: X z,t = X L,t = X ( ) ( ) eq Integrando a Equação 2 com as condições indicadas e aplicando a integral para obter a concentração média: da amostra (m); z direção da transferência de umidade (m). O critério utilizado para verificar a qualidade do ajuste será o módulo da média do desvio relativo, conforme equação 5. Segundo AGUERRE et al (1989) geralmente é considerado um bom ajuste valores abaixo de 10%. 100 ne Vexp Vteor E = (5) ne i= 1 Vexp em que: E desvio relativo da média ; V exp valor experimental (adimensional); V teor valor teórico (adimensional). Chega-se a: 1 L X = X( z,t) dz (3) L 0 8 1 2 D = = π ef t Y A exp B... 2 2 (4) π i=0 B L 4 X Xeq A =, B = ( 2i 1) 2 X X 0 eq onde: A e B números adimensionais; Def - difusividade efetiva (m 2 /s); Y conteúdo adimensional de umidade (adimensional); X - conteúdo médio de umidade (kg água /kg massa seca); X eq - conteúdo de umidade de equilíbrio (kgágua/kg massa seca ); X 0 - conteúdo de umidade inicial (kgágua/kg massa seca ); i número de termos da série; t tempo de secagem (s); L comprimento característico, semi-espessura 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Foram realizados quatro ensaios experimentais nas temperaturas de 40, 50, 60 e 70 ºC mantendo-se a velocidade do ar de secagem constante a 2,5 m/s. Na Figura 2 são ilustradas as curvas de cinética de secagem para as peças cerâmicas. 0 6000 12000 18000 40 ºC 50 ºC 60 ºC 70 ºC Figura 2 - Cinética de secagem das peças cerâmicas variando a temperatura do ar de secagem.
Nas Figuras 3, 4, 5 e 6 estão os resultados obtidos pelo programa DRYINGFIT, que faz uma regressão dos dados obtidos da cinética de secagem para o 2º período de secagem, utilizando 30 termos da soma utilizando corpos de prova de argila pura. Na análise de regressão foram calculados os valores do coeficiente de difusividade com a utilização do modelo da 1ª lei de Fick. A transferência de umidade (conteúdo de água) tem direção perpendicular ao maior comprimento da peça cerâmica ( m). A espessura da peça é de 15 m. Os dados de operação dos ensaios experimentais estão mencionados na Tabela 1. Os coeficientes de difusividade, propriedades das peças cerâmicas estão descritos na Tabela 2. Tabela 1 Dados operacionais do processo de secagem. T ar (ºC) V ar (m/s) X 0 (%b.s) X f (%b.s) X eq (%b.s) 40 2,5 15,3622 6,4599 4,7187 50 2,5 15,4495 5,2337 3,8208 60 2,5 15,3730 3,7199 2,7157 70 2,5 15,7348 3,6458 2,6436 0 4000 8000 12000 16000 Figura 4 - Comparação do modelo com dados de cinética de secagem a 50 ºC. 0 4000 8000 12000 16000 Figura 5 - Comparação do modelo com dados de cinética de secagem a 60 ºC. 0 4000 8000 12000 16000 Figura 3 - Comparação do modelo com dados de cinética de secagem a 40. ºC. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Figura 6 Comparação do modelo com dados de cinética de secagem a 70 ºC.
Tabela 2 Propriedades cerâmicas das peças e os respectivos coeficientes de difusividade (D ef ). T ar (ºC) PA AA D ef.(10 9 ) (m 2 /s) E (30) E (50) 40 19,50 10,74 2,0364 17 9,81 50 24,60 13,47 2,6870 4,91 4,89 60 26,85 15,01 2,7820 4,89 4,88 70 26,98 15,01 3,3548 13,02 13,01 predizer o comportamento da cinética de secagem de peças cerâmicas para o 2º período de secagem decrescente, conforme valores de E na Tabela 2. Verificou-se também que com a utilização de 50 termos da série obteve-se um ajuste mais fino quando comparado com as curvas de cinética de secagem ajustadas com 30 termos. 4.CONCLUSÕES A 1ª lei de Fick da difusão não pode ser utilizada para o primeiro período de secagem constante devido ao alto teor de umidade livre utilizada na confecção do material. A remoção desta água é efetuada pelo processo convectivo. Verificou-se com a Figura 1 que o aumento da temperatura influenciou na cinética de secagem das peças. Quanto maior a temperatura, menor a umidade final nos corpos de prova, conforme é mostrado na Tabela 1. Nota-se também que com o aumento da temperatura, maior foi a difusividade do conteúdo de umidade do interior das peças para sua superfície. Com o aumento da temperatura de 40 a 70 ºC, a difusividade efetiva teve um aumento de aproximadamente 60% em seu valor. Com o aumento da temperatura observou-se um aumento da porosidade aparente nas peças, conseqüentemente houve um acréscimo na absorção de água do material. A altas temperaturas, tanto a porosidade aparente quanto a absorção de água permaneceram praticamente constantes. A partir das figuras 3, 4, 5, e 6, notase que o modelo da 1ª lei de Fick utilizada no programa DRYINGFIT foi adequado para 5.BIBLIOGRAFIA AGUERRE, R. J.; SUAREZ, C.; VIOLLAZ, P. Z. New BET type multi-layer sorption isotherms: - Part II: modeling water sorption in foods. Lebensmittel- Wissenschaft und Technologie, 22 (4), 192-19,1989. AMARAL, A. S. M.; SOUZA, C. A. G.; NEVES, R. F.; Estudo da influência da temperatura de secagem de um material cerâmico extrudado em um secador com convecção forçada. XXXVIII Congresso Brasileiro de Química. Resumos. São Luis: ABQ, 1998. AMARAL, A. S. M Secagem de Materiais Extrudados em um Secador de Convecção Forçada Utilizando Argila do Estado do Pará. Belém PA, Dissertação (Mestrado), Departamento de Engenharia Química / CT / UFPA, 1999. AUZIER JR. R. G.; BRAGA, N. P.; NEVES, R.F; SOUZA, C. A.G. Determinação dos coeficientes convectivos de transferência de calor e obtenção das curvas de secagem de peças cerâmicas em um secador tipo túnel. 8 O Encontro dos Profissionais da Química da Amazônia, Cd-rom, Belém- PA, 2003. BRAGA, N. P.; AUZIER Jr, R. G.; SOUZA, C. A. G.; NEVES, R. F. Montagem e
Construção de um Retratômetro utilizado na Secagem de um Material Cerâmico em um Secador com Convecção Forçada. XXXVIII Congresso Brasileiro de Química. Resumos. São Luis: ABQ, 1998. CAMPBELL, U. Sangue e Dor nas Olarias. O Liberal, 28/03/1999. Caderno Painel. CRANK, J., The Mathematics of diffusion, Oxford, UK: Oxford University Press, 1975. LIRA, S. R. B. Pólo oleiro - cerâmico de Abaetetuba. Expansão e crise. Belém: UFPA/NUMA, 1998. (Série Poema, 5). HASATANI, M.; ITAYA, I.; MUROIE, K.; SATOSHI, T. Contraction characteristics of molded ceramics during drying. Drying Technology, v. 11, n. 4, pp 815-830, 1993. NORTON, F.H. Cerâmica Fina: Tecnologia y Aplicaciones. Barcelona Ediciones Omega, 1975. PARTIRE, A. N. Operação de Secadores e Fornos para Cerâmica Vermelha. São Paulo: Associação Brasileira de Cerâmica, 1993. SANTOS, P. S., Ciência e Tecnologia de Argilas, 2ed. V.2. Ed. Edgar Blücher Ltda, 1992..