secagem - drying -...
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Secagem - Drying
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
No processamento cerâmico, a secagem sucede
a conformação e precede a queima
1/8/2018
Parte 1
Matérias - primas
caracterizadas
Cálculos e
dosagem Mistura Conformação
Secagem Queima Acabamento Inspeção
Produto final
Consumo
Fluxograma geral do processamento de cerâmicas
Observação: um fluxograma específico pode ter mais ou menos etapas
Secagem - introdução Processamento de Cerâmicas II
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Secagem - remoção de água, por evaporação
Qual a condição necessária para evaporação?
• gases de combustão (lenha, carvão, óleo, gás, etc)
• eletricidade Equipamentos
Estufas ou Fornos
Processo endotérmico
H2O(l) H2O(g)
Pressão de vapor da água seja maior que a Pressão Parcial
do vapor da água na atmosfera em que o material esteja por
secar.
Secagem - introdução
2.260 kJ.kg-1
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Relação entre calor e
Processamento cerâmico
• secagem de produtos conformados
• queima (sinterização)
• aglomeração e redução de porosidade
(chamote)
• alivio de tensões residuais
• cristalização de fases vítreas
Efeitos produzidos por tratamentos térmicos em peças
cerâmicas
• alterações de massa e volume
• movimentação dos átomos e aumento na velocidade de difusão
• redução da porosidade e
• redução da superfície específica
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Pressão de vapor - revisão
Existe uma
relação entre
Pressão de Vapor
e Temperatura?
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Ar Mistura de nitrogênio, oxigênio e pequenas
quantidades de outros gases
Ar atmosférico Ar que normalmente contém um pouco de
vapor de água (umidade)
Ar seco Ar que não contém vapor de água
Umidade absoluta, ou
específica, ou ainda,
relação de umidade
Massa do vapor d´água presente
(mv) em uma unidade de massa
de ar seco (ms)
s
v
m
mw kg de vapor d´água/kg de ar seco
Secagem - introdução
Algumas definições
Ar saturado
• ar seco – umidade específica ZERO
• adição de vapor – aumenta a umidade específica
• ar não absorve mais umidade - SATURAÇÃO
AR a 25ºC, 101,3 kPa
(Psat,H2O a 25ºC = 3,1698 kPa)
Pv=0 ar seco
Pv < 3,1698 kPa ar não saturado
Pv > 3,1698 kPa ar saturado
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Algumas definições
Psicometria
•Trata da determinação das propriedades de misturas de gás
e vapor
• O sistema AR-VAPOR de água é o mais frequentemente
encontrado
Mistura insaturada Quando a pressão parcial do vapor na mistura GV, a uma
dada temperatura, é inferior à pressão de vapor do
líquido, à mesma temperatura
Mistura saturada Quando a pressão do vapor for igual à pressão parcial do
líquido
Mistura
supersaturada Quando a umidade absoluta do gás for superior à
correspondente na saturação – parte da umidade encontra-
se na forma líquida
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Algumas definições
Temperatura de bulbo seco
Temperatura de bulbo úmido
Algumas definições
Richard E. Sonntag
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Temperatura seca
É a temperatura de uma mistura G-V, obtida através da imersão
de um termômetro, ou qualquer outro sensor de temperatura,
no interior da mistura.
Temperatura úmida
• Entende-se por temperatura úmida a temperatura estacionária
atingida por uma pequena quantidade de líquido, que se
evapora no interior uma grande quantidade de mistura G-V em
escoamento.
• Se o gás tiver insaturado, algum líquido é evaporado para a
corrente de gás, transportando com ele o seu calor latente de
vaporização, tornando-se mais frio o sistema termômetro –
algodão.
• Atingindo o seu estado estacionário, a temperatura mantém-
se constante - TU
Temperatura do ponto de
orvalho ou ponto de orvalho
É a temperatura à qual, por efeito do resfriamento, o
vapor na mistura G-V começa a condensar
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Algumas definições
Umidade Relativa (UR)
É a razão entre a pressão parcial do vapor no ar pela pressão
de vapor da água à temperatura do ar
100..v
p
P
PRU
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - introdução
Algumas definições
É a razão entre a quantidade real de umidade no ar a uma dada
temperatura e a quantidade máxima que o ar pode conter
naquela temperatura
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
• Secagem é uma operação importante na fabricação de produtos
cerâmicos
• Do ponto de vista industrial, a operação de secagem é uma das fases
mais delicadas de todo o processo produtivo cerâmico
• A ocorrência de gradientes térmicos e de umidade, durante o processo
de eliminação da água, dá lugar ao aparecimento de tensões mecânicas,
susceptíveis de gerar defeitos nos produtos – deformações e fissuras –
que os inutilizam, ou baixam os níveis de qualidade
• Igualmente, são importantes os aspectos econômicos relacionados
com os custos energéticos de operação
Secagem
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Defeitos frequentes na secagem - exemplos
Secagem
Trincas na zona de maior
retração-Fonte: Facincani (1992)
Gradiente de umidade na seção transversal
da peça. Fonte: Telljohann (2003).
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Defeitos frequentes na secagem - exemplos
Secagem
Fissuras devido a não
homogeneidade na distribuição das
partículas
Rubens Alves Junior
P
d
CCK
dt
dV 21
Fissuras na face com menor umidade
residual
Fissuras superficiais devido a alta
taxa de secagem
Secagem de placas
Secagem de pratos, travessas, tigelas
e peças assemelhadas
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Defeitos frequentes na secagem - exemplos
Secagem
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Conclusão
Econômica Secagem mais rápida possível
Técnica Secagem rápida: retração diferencial –
produz trincamento e até fissuras
Secagem
Produção da unidade 200 ton/dia de cerâmica
vermelha para construção
Água a ser eliminada na secagem 48 ton/dia
Consumo do secador (água evaporada) 4184 kJ/kg (1000 kcal/kg)
Energia necessária 200,8 x 106 kJ/dia
Quantidade de gás natural (GN)
necessária, sabendo–se que 50% da
necessidade seja recuperadas
2650 normal m3
Preço do normal m3 R$ ????
Custo R$ ????
Custos de secagem – um exemplo
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Processos de transferências na operação de secagem
Tipos T C
Condução
Convecção
Radiação
Em cerâmica, maioria dos processos de secagem
utiliza a convecção
O processo de transferência mais lento controla a velocidade de secagem
Secagem
1/8/2018
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Processos de transferências na operação de secagem
Secagem
Convecção:
• presença de um fluido (ar, Ar, etc)
• Coeficiente pelicular de transferência de calor
• Área
Condução:
• contato direto entre as fontes quente e a fria
• Área
Radiação:
• fonte e receptor – sem intervenção do meio
• Emissividade – absorvidade
• Área Secagem por microondas
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Processos de transferências na operação de secagem
Secagem
z
T
y
T
x
TkAQ cdcd
sccc TTAhQ 1
• Qcd, Qc, Qr são as velocidades de transferência de calor por condução, convecção e radiação
• gradientes de temperatura nas direções x,y e z
• Ts é a temperatura superficial do corpo
• T1 é a temperatura do meio gasoso entre as fontes quente e fria
•T2 é a temperatura da fonte emissora de radiação (parede ou meio gasoso)
• k é a condutividade térmica do material do produto
• hc é o coeficiente de transferência de calor por convecção
• ε coeficiente de emissão da superfície do produto à Ts
• s coeficiente de absorção da superfície do produto, para radiação incidente, emitida pela
vizinhança à T2
• é a constante de Stefan Boltzmann
z
T
y
T
x
T
,,
44
2 sssrr TTAQ
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Secagem por convecção
Rendimento térmico total da operação de secagem por convecção 60%
Ar quente
Secagem
Eleva a temperatura do sólido a secar
Transforma o líquido em vapor
Calor cedido ao equipamento de transporte
do produto
Calor cedido ao exterior devido a isolação
ineficiente do forno
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
A velocidade de secagem por convecção depende:
1 – Fatores externos
• Temperatura
• Umidade relativa do ar
• Velocidade de circulação do ar
• Área da superfície exposta
• Pressão total
2 – Fatores internos
• Natureza física da peça
• Estrutura da peça
• Teor de umidade
• Temperatura
• Espessura da peça
Secagem
São aqueles que não
se relacionam com a
estrutura do sólido a
secar
Velocidade de
evaporação da água em
superfície livre
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
pvEevaporação PPKV
• KE é a constante de evaporação que
depende das condições de fluxo de ar
• Pv é a pressão de vapor do líquido
na temperatura de evaporação
• Pp é a pressão parcial de vapor do
líquido não ambiente
Secagem
Como seria uma equação
matemática representativa da
velocidade de evaporação?
Fato
r de v
elo
cid
ade
Temperatura ºC
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Umidade dos sólido
100(%)u
su
m
mmU
sólido
água
W
WX
X é o teor de umidade
W é a massa de água no sólido úmido e massa do sólido
(kg de água/kg de sólido seco)
200 ton/dia de cerâmica vermelha para
construção – água a ser eliminada = 48 ton/dia
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Classificação dos sólidos para efeito de secagem
• sólidos porosos não higroscópicos
Areia, minerais britados, partículas de polímeros e alguns
cerâmicos
Critérios
de definição
• o sólido não retrai durante a secagem
• volume de poros claramente reconhecível, que
está cheio de líquido quando o sólido está
completamente saturado, e cheio de ar quando
o sólido se encontra completamente seco
• umidade fisicamente ligada desprezível, isto
é, o sólido não é higroscópico
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Classificação dos sólidos para efeito de secagem
• sólidos porosos higroscópicos
Argilas, peneiras moleculares, madeiras, têxteis, etc.
• ocorre retração nas etapas iniciais de
secagem
Critérios
de definição
• existe um espaço de poros claramente
reconhecidos
• existe uma grande quantidade de umidade
fisicamente ligada
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Classificação dos sólidos para efeito de secagem
• sólidos coloidais não porosos
Sabões, gomas, alguns polímeros (ex: nylon) e vários produtos
alimentícios
• todo líquido se encontra fisicamente ligado
Esse tipo não se aplica às cerâmicas
Critérios
de definição
• não existe qualquer espaço de poros
Você
concorda?
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - mecanismos
Norton
Como a água pode estar distribuída em uma peça
cerâmica?
• água de hidratação (cristalização)
• água de suspensão (deve ser removida antes ou durante a
conformação)
• água interpartículas
• água dos poros
• água adsorvida (química ou fisicamente adsorvida - van
der Waals)
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Como a umidade está em um SÓLIDO?
Umidade ligada
Pressão de vapor da umidade retida no
sólido, a determinada temperatura, for
inferior a pressão do vapor do líquido puro, à
mesma temperatura
Umidade não ligada
Pressão de vapor da umidade retida no
sólido, a determinada temperatura, for
igual a do líquido puro, à mesma
temperatura
Umidade nos sólidos • Retida nos capilares
• Adsorvida à superfície
Umidade livre
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Como a umidade está em um SÓLIDO?
Sistema sólido + gás com certa umidade
• A umidade do sólido aumenta ou diminui para um valor de
EQUILÍBRIO
• Se a umidade do sólido for maior que do equilíbrio o sólido
perde umidade até atingir o equilíbrio
• Ganha umidade no caso contrário
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Como a umidade está em um SÓLIDO?
Sistema sólido + gás com certa umidade
• A umidade do sólido aumenta ou diminui para um valor de
EQUILÍBRIO
• Se a umidade que se encontra acima dos valores de equilíbrio
é chamada de UMIDADE LIVRE e a que permanece no
sólido, em equilíbrio com o gás, é a UMIDADE DE
EQUILÍBRIO
• A operação de secagem remove a umidade, que pode ser
ligada ou não, até a condição de equilíbrio
• A relação entre a umidade e a umidade relativa do gás, a
determinada temperatura, é mostrada por meio das Isotermas
de SORÇÃO-DESORÇÃO
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Curvas de equilíbrio (desorção) entre o ar úmido e alguns sólidos, a 25ºC (Fonte Fonseca)
Isotermas de sorção-desorção indica a relação entre a umidade no sólido e a
umidade relativa do ambiente (gás), a uma determinada temperatura
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Isotermas de sorção-desorção
• as isotermas de sorção-
desorção são válidas para
temperaturas particulares
Região A: monomolecular
Região C: multimolecular
Região B: intermediária
• caulim (6) – baixa
higroscopicidade
• tabaco (7) – alta
higroscopicidade
• se a pressão parcial é
próxima de zero a umidade
de equilíbrio no sólido é
próxima de zero
A saturação do ar
aumenta muito:
• aumento da condensação
capilar.
• expansão do sólido
Figura - Curvas de equilíbrio (desorção) entre o ar úmido e alguns sólidos, a 25ºC (Fonte Fonseca)
Histerese de sorção-desorção (umidificação-desumidificação)
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
www.feagri.unicamp.br/ctea/projpesq.html
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem – Umidade dos sólidos
Entalpia de ligação da umidade ao sólido
Estudar extra classe
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem - mecanismos
Norton
Água interpartículas
(água livre aparece mesmo depois de uma
filtração, espessamento, absorção por
moldes, etc – espessura de ordem de 50
nm)
• a retirada dessa água promove retração
da peça
Água nos poros
• está nos interstícios entre as partículas
• a remoção dessa água promove pequena ou
quase nenhuma retração
Água adsorvida
• (química ou fisicamente adsorvida - van der Waals)
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
P
d
CCK
dt
dV 21
Movimento da umidade através de um meio poroso
com um gradiente de umidade (C1-C2)/d
Velocidade
de
escoamento
da água
Vários modelos matemáticos
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
• Complexos
• equações diferenciais
Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS
Influência da espessura de parede e estado de floculação ne secagem de peças
cerâmicas – Fonte: REED
Refractory Castable Engineering - Ana Paula
O que pode ocorrer se a velocidade de secagem for muito
rápida?
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
Velocidade de perda de água na secagem da argila úmida
Fases na secagem de uma argila úmida
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Norton
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
Representação da Velocidade de Secagem em
função da Umidade média do produto, para
condições externas constantes
AB – regime transitório
• se estabelece quando o sólido é
posto com o gás de secagem
• depende das condições do sólido e
do gás de secagem
BC – superfície de secagem saturada de
líquido
• não depende das características do sólido
e sim da superfície
• tem temperatura constante
• ponto C – umidade crítica
CD – velocidade de eliminação de líquido diminui
• Acontece quando a velocidade de eliminação de líquido à superfície for superior a
do movimento do líquido para a superfície
• a secagem depende das características do sólido
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Representação da Velocidade de Secagem em
função da Umidade média do produto, para
condições externas constantes
Representação da variação da Umidade média do
produto em função do tempo, para condições
externas constantes
(Fonte Fonseca)
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
Retração de peças cerâmicas durante a secagem
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça
A evolução da retração linear de secagem de
massas argilosas em função da perda de água de
conformação é representada por meio da chamada
curva de Bigot.
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Retração de peças cerâmicas durante a secagem
curva de Bigot
A umidade crítica depende
da estrutura interna do corpo
cerâmico
• método de preparação
(colagem, extrusão, etc)
Secagem - mecanismos
M.O.E. Schwartz,
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS
• granulometria (para uma
mesma composição
mineralógica, a Umidade
Crítica será tanto menor
quanto mais fino for o
sistema)
• natureza mineralógica dos
componentes da massa
cerâmica
• morfologia das partículas
Secagem - mecanismos
Curvas de Bigot para duas massas cerâmicas argilosas - Fonseca
PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS
Secagem - mecanismos PROCESSAMENTO DE MATERIAIS CERÂMICOS
Curvas de Bigot para duas massas cerâmicas argilosas - Fonseca
Curva de secagem característica
• Quando se utilizam diversas condições para secar um mesmo material, as
curvas de secagem são geometricamente similares.
• Se essas curvas forem normalizadas, a respeito da velocidade inicial de
secagem e da umidade crítica média, então todas elas se aproximam de uma
curva única
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
inicial
áreaunid
V
Vf
.sec
./.sec
..
.
eqcrit
eq
XX
XX
Velocidade de secagem
característica
Umidade característica
Curva de secagem característica de uma argila plástica
Vsec. é a velocidade de secagem por unidade de área
Vsec.inicial é a velocidade inicial de secagem
f é a velocidade de secagem característica
X é a umidade média
Xcr é a umidade média crítica
X eq. é a umidade de equilíbrio
é a umidade característica
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Curva de secagem característica
inicial
áreaunid
V
Vf
.sec
./.sec
..
.
eqcrit
eq
XX
XX
PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II
Curva de secagem característica
• se o comportamento do sólido na secagem é descrito pela curva
característica, as suas propriedades devem satisfazer aos seguintes critérios:
1. A umidade crítica Xcr é invariante e independente da umidade inicial;
2. Todas as curvas de secagem de um determinado sólido são
geometricamente similares, de modo que a curva característica seja única
e independente das condições externas.
Esses critérios são restritivos, sendo quase impossível
satisfazê-los numa gama larga de condições.
Mesmo assim, o conceito de curva característica é muito
utiizado no projeto e previsão de desempenho de secadores.