Muitos setores industriais tais como, mineração, metalurgia, processamento de alimentos, polímeros e indústrias bioquímicas, possuem processos que requerem uma elevada área de contato entre as fases envolvidas, no intuito de aumentar as taxas de transferência de massa e energia. Desta forma, os tambores rotatórios surgem como equipamentos adequados no processamento de materiais granulares em aplicações tais como, mistura, granulação, moagem, recobrimento e secagem (SCATENA, 2014).
Tambores rotatórios são largamente empregados nos setores industriais, principalmente, devido a sua capacidade de lidar com materiais contendo uma larga faixa de distribuição granulométrica e diferenças significativas nas suas propriedades físicas (SCATENA, 2014).
Como observado por MELLMANN (2001), dependendo da velocidade de rotação do tambor, de sua geometria, da fração de preenchimento e das propriedades físicas do material particulado, tambores rotatórios podem apresentar, basicamente, cinco diferentes regimes de escoamento granular em seu interior (escorregamento, rolamento, cascateamento, catarateamento e centrifugação), cada qual contendo um comportamento dinâmico intrínseco, o que aumenta ainda mais a complexidade em seu estudo.
Logo, muitos trabalhos têm sido desenvolvidos em tambores rotatórios no intuito de se estudar os diferentes regimes de escoamentos granulares, o fenômeno de segregação e mistura de partículas e o comportamento dinâmico de partículas (SCATENA, 2014).
Pós que possuem pequeno tamanho de partícula tendem a ter dificuldades para escoar para dentro da cavidade de matriz. Isto pode provocar maior tempo para a produção de peças, necessitando de um maior tempo para o preenchimento da matriz, vazios ou diferenças de massa, podendo provocar distorções que não poderão ser eliminadas em etapas posteriores. Para atenuar ou eliminar por completo este problema existem técnicas para unir estas partículas formando aglomerados do pó, melhorando a suas propriedades tecnológicas. (DEMÉTRIO, 2012).
Normalmente, a granulação começa depois de uma mistura, via seca ou via úmida, dos ingredientes pulverizados ou não, de tal forma que esses componentes alcancem uma distribuição uniforme dentro da mistura (homogeneização). A massa granulada, após sofrer um processo de secagem e classificação granulométrica, pode ser utilizada diretamente como produto final ou como uma forma intermediária, dentro do processo industrial, para a
obtenção de outros produtos. Por exemplo, uma massa granulada com um certo teor de umidade pode ser compactada dentro de um molde para formar uma pastilha medicamentosa ou então um revestimento cerâmico (BERNARDES, 2006).
O processo via seca consiste basicamente na moagem a seco das matérias-primas, seguido pela granulação do pó fino. Na etapa de moagem são usados moinhos que permitam a obtenção de fina granulometria com elevada superfície específica, que favoreça a gresificação da massa durante o processo de sinterização. A granulação é realizada geralmente em granulador de forma senoidal com adição de água. As partículas umidificadas tendem a aglomerar-se em torno de um núcleo para formar grânulos maiores. A aglomeração causada principalmente pela coesão entre as camadas de umidade que encobre as partículas (SAMPAIO et al., 2007).
Assim, os grânulos são compostos de partículas primárias ligadas entre si por meio de forças superficiais e pontes sólidas. As forças superficiais são forças de Van der Waals ou eletrostáticas entre as partículas, ou ainda forças de capilaridade devido à presença de líquido dentro do grânulo (SAMPAIO et al., 2007).
Além disso, a ação mecânica de turbulência no granulador aumenta os contatos entre as partículas, que influencia a taxa de formação dos grânulos. A quantidade de umidade dos grânulos apropriada para a operação de prensagem é ajustada em secador de leito fluidizado. Os pós granulados por via seca têm características tecnológicas próximas daqueles obtidos por via úmida (SAMPAIO et al., 2007).
Na granulação via úmida utiliza-se um ligante que manterá as partículas unidas até que seja realizada a etapa de compactação. O ligante é dissolvido em um solvente adequado e ao evaporar ocorrerá a união das partículas do pó (DEMÉTRIO, 2012). Estes pós podem ser orgânicos ou inorgânicos (Tabela 5).
Tabela 5: Ligantes orgânicos e inorgânicos para granulação de pós
Existem diversas formas de se realizar o processo de granulação de pós finos; os principais métodos para se realizar a granulação são em tambor, por “Spray Dryer”, térmica e mecânica. BERNARDES (2006) explica detalhadamente algumas das razões para realização da granulação: a) prevenir segregação dos componentes da mistura, b) melhorar propriedades de fluidez da mistura dos pós e c) melhorar as características de compactação da mistura dos pós.
2.7.1 Granulação em tambor
O processo de granulação pode ser definido como a aglomeração intencional de partículas finas pela adição de água ou solução ligante, para formar aglomerados de tamanhos controlados denominados de grânulos (SAMPAIO et al., 2007).
Granulação a úmido é um processo complexo com vários fenômenos físicos ocorrendo, que leva à formação de grânulos. Este fenômeno divide-se em três grupos de processos: a) Umidificação, nucleação e distribuição de ligante; b) Consolidação e crescimento e c) Atrito e ruptura (HAPGOOD et al., 2007).
Solventes orgânicos são utilizados quando as formulações processadas são sensíveis à água, como uma alternativa da granulação via seca, ou quando se necessita de um tempo de secagem muito rápido (HAPGOOD et al., 2007).
Para a granulação em tambor é necessário a utilização de uma massa formada pela mistura de pós que se deseja granular, do polímero que será o responsável pela formação dos grânulos e pelo solvente específico para este polímero. Neste método esta massa é colocada dentro de um cilindro ou tambor e este inicia movimentos de rotação causando a colisão e junção entre as partículas (Figura 13). Durante este processo acontece o envolvimento das partículas de pó pelo polímero e a evaporação do solvente, formando assim os grânulos (DEMÉTRIO, 2012).
O tamanho médio dos grânulos formados depende, dentre outros fatores, do tempo de granulação e velocidade de rotação do tambor. Este processo permite a utilização laboratorial, onde há a produção em baixa escala de pós granulados.
Ainda, o aumento do tamanho de pós por granulação melhora as estruturas macroscópicas e microscópicas, densidade e aparência das peças (HASSANPOUR et al., 2009).
Figura 13: Ilustração da granulação em tambor
Fonte: Demétrio (2012)