Secagem - Drying - sistemas.eel.usp.brsistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/1922320/LOM3074/P1-2-Secagem... · é a temperatura superficial do corpo • T 1 é a temperatura do meio

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 - introdução

Quais são esses produtos cerâmicos?


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


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


Pressão de vapor - revisão

Existe uma

relação entre

Pressão de Vapor

e Temperatura?


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



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



Temperatura de bulbo seco

Temperatura de bulbo úmido


Richard E. Sonntag


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



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



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



Secagem

PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II Secagem


• 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


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).



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



Secagem


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


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



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



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


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


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


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


Secagem – Umidade dos sólidos

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


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



• 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



• 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)


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





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



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


Isotermas de sorção-desorção e

entalpia de ligação

Secagem


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


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)


www.feagri.unicamp.br/ctea/projpesq.html


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)


Mecanismos de secagem – velocidade

de secagem – retração da peça


Mecanismos de secagem – velocidade de secagem – retração da peça


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


• 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?



Velocidade de perda de água na secagem da argila úmida

Fases na secagem de uma argila úmida


Norton


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




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)


Retração de peças cerâmicas durante a secagem




Relação entre secagem e retração de peças cerâmicas

Relação entre umidade, velocidade

de secagem, temperatura da peça e

tempo

Secagem - mecanismos

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.


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)


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


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


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


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.

F i m

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