Aula 15 - Processo de Fabricação I

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(1)Aula 15. Matérias-primas. Moagem. Conformação. Secagem. Esmaltação. Queima. Produto. Preparação de Massa Atomização Processo de Fabricação I. Atomização • O processo de atomização é um método de obtenção de pós aplicado em diversos tipos de indústrias, como as de corantes, produtos alimentícios (leite em pó, café solúvel, etc.), farmacêutica, fertilizantes, plásticos e também na indústria cerâmica; • A atomização é um processo de secagem de uma suspensão (na cerâmica: a barbotina). O objetivo é remover a água quase que completamente e formar grânulos adequados para a próxima etapa do processo de fabricação;. Prof. Edney Neves – IFPR – Câmpus Campo Largo – Curso Técnico em Cerâmica. • O atomizador (também conhecido como Spray Drier) é constituído por um grande cone invertido em cuja parte superior é acoplada um cilindro fechado e um condutor de ar quente proveniente de um gerador;. • Em seu interior está disposta uma coroa circular de bicos, que nebulizam a barbotina sob pressão, reduzindo-a a gotas minúsculas e lançando-as em direção ao alto, onde entram em contracorrente com ar quente;. Figura 1. Spray Drier (atomizador). Fonte: SACMI. Figura 2. Desenho em corte do interior da torre de um Spray Drier (atomizador). Fonte: SACMI. • As gotículas de barbotina, em contato com o ar quente, desidratam-se e as partículas finamente moídas, nelas contidas, aglomeram-se de modo a formar um grão. O pó seco é recolhido no vértice do cone; • O ar de exaustão é extraído próximo da parte inferior e contêm uma certa quantidade de grãos mais finos, os quais são separados por meio de uma bateria de ciclones; • O ar de exaustão carregado de vapores de água é enviado à chaminé por meio de um ventilador e, então, disperso na atmosfera. Figura 3. Ilustração do processo de atomização (vista geral da planta). Fonte: SACMI. 1.

(2) 1 – Bomba de alimentação da barbotina 2 – Filtros 3 – Coroa de bicos 4 – Torre de secagem 5 – Válvula de saída do pó 6 – Ciclones separadores 7 – Pressurizador 8 – Queimador 9 – Duto de ar quente 10 – Distribuição de ar quente 11 – Ventilador 12 – Separador de pó molhado 13 – Chaminé. Figura 4. Ilustração das principais partes e dispositivos de um sistema de atomização. Fonte: SACMI. • Há diferentes tipos de atomizadores, de acordo com o sistema de atomização da suspensão e do percurso do fluxo de calor. AR QUENTE. BARBOTINA (ALIMENTAÇÃO). AR QUENTE. BARBOTINA (ALIMENTAÇÃO). AR USADO. AR QUENTE. Figura 5. Exemplo de painel de comando de um atomizador. Fonte: Incepa. • Dispositivos de nebulização da barbotina (sistemas de dispersão) 1) Atomizadores de discos centrífugos. BARBOTINA (ALIMENTAÇÃO). 2) Atomizadores de bicos pneumáticos BARBOTINA (ALIMENTAÇÃO). 3) Atomizadores de bicos de pressão AR USADO AR USADO PRODUTO Tipo fluxo único para baixo, com bicos de atomização. AR USADO. AR QUENTE PRODUTO. Tipo fluxo único para baixo, atomização com discos. PRODUTO Tipo de contracorrente: atomização com bicos de fluxo descendente e ar ascendente. PRODUTO Tipo contracorrente: atomização com bicos de fluxo ascendente e ar de descendente. Figura 6. Configuração de quatro tipos diferentes de atomizadores. Fonte: SACMI. 1) Atomizadores de discos centrífugos. 2) Atomizadores de bicos pneumáticos. - Produzem pós com um intervalo granulométrico restrito (entre 60 e 150 mm); - Partículas são muito uniformes e de diâmetro pequeno; - Pós com baixo peso específico aparente; - Tais propriedades podem ser prejudiciais para a etapa de prensagem.. - Tipo de atomização onde a barbotina é levada também até um bico onde em seu interior é injetado o ar comprimido à elevada velocidade; - Utilizado em pequena escala em barbotinas de alta viscosidade e alta densidade; - Geram pós muito finos.. 2.

(3) 3) Atomizadores de bicos de pressão - Para barbotinas de massa cerâmica tradicional é o tipo de atomizador mais empregado, tanto por sua qualidade técnica como econômica; - Funcionam como uma lança onde na sua extremidade encontra-se um bico pulverizador (com diâmetro regulável); - Produz uma distribuição granulométrica mais ampla (entre 60 e 550 mm);. - Quanto maior é a pressão da barbotina mais fino será o pó (pressão inversamente proporcional ao tamanho do pó); - Quantidade de pó atomizado está limitado ao tamanho do diâmetro do bico e é proporcional a pressão aplicada; - A torre deste tipo de atomizador são, em geral, maiores.. 1 – Cabeça 13 – Discos sem furo 14 – Distribuidor 15 – Carcaça com Coupling. Figura 7. Partes do bico do atomizador. Fonte: SACMI. Figura 11. Imagem gerada em computador da trajetória da partícula dentro do atomizador. Fonte: SACMI. Figura 8. Vista da coroa de bicos. Fonte: SACMI. Figura 9. Seção transversal de dois tipos diferentes de spray drier: (a) coroa de bicos (b) com lanças. Fonte: SACMI. Figura 10. Lança do atomizador. Fonte: SACMI. Vídeo 1. Processo de atomização.. 3.

(4) Evolução da atomização: d) Formação da partícula sólida. c) Explosão provocada pela elevada pressão interna da fase vapor; b) Evaporação do líquido e inchamento, nesta fase ainda existe a movimentação das partículas sólidas; a) Formação da gota logo à saída do bico de pulverização;. Figura 12. Imagem interna do atomizador de lanças. Roca Espanha.. • Por ser um processo contínuo poderá haver oscilação nos parâmetros do pó obtido, tais como a umidade e a distribuição granulométrica (além da pressão da barbotina, temperatura, pressão interna do atomizador). Assim, é fundamental o controle periódico e de forma sistemática durante a atomização para que a próxima etapa (conformação) não seja afetada;. Figura 13. Representação esquemática da evolução da atomização de um grão cerâmico. Fonte: Ribeiro, et al, 2001.. 1) Umidade • É importante que a umidade do pó seja adequada ao produto a ser prensado. Umidade muito baixa dificulta a extração do ar contida no pó (“laminado” e baixa resistência mecânica da peça), ao contrário, uma umidade muito alta gera problemas de limpeza dos moldes e dificulta a etapa seguinte de secagem; • Em geral, o intervalo de umidade encontra-se entre 4 e 7%. No entanto, as indústrias criam um valor ótimo com os limites de ± 0,5%;. • Cartas de controle são implantadas no processo para conhecer a evolução dos parâmetros, bem como o momento necessário de intervenção;. • Para correção do valor de umidade, pode-se atuar de algumas maneiras: a) Quando a variação for muito grande é preferível atuar sobre o gerador de calor, alterando a temperatura (aumentando ou diminuindo); Obs.: A temperatura deve permanecer entre 450 e 650°C. Figura 15. Determinador de umidade. Fonte: www.genesiscientifica.com.br Figura 14. Evolução semanal da umidade do pó atomizado. Fonte: Negre, et al, 2001.. Parâmetros: Massa, Temperatura e Tempo. b) Quando a variação é pequena é possível intervir na pressão da bomba de barbotina (aumentando ou diminuindo); Obs.: As variações de pressão que se podem efetuar são da ordem de 2 a 3 atmosferas.. 4.

(5) • Existem alguns equipamentos acoplados a saída do atomizador que regulam as variáveis do processo para manter o valor da umidade constante; • Alguns equipamentos atuam em função da temperatura do ar na saída do atomizador e outros de acordo com a leitura automática da umidade do pó;. 2) Granulometria. • Os parâmetros de atomização que podem ter influência sobre a granulometria são: a) b) c) d) e) f). % de água contida na barbotina; Viscosidade da barbotina; Pressão da bomba de barbotina; Diâmetro do orifício do bico; Espessura e tipo de espiral do bico; Tipo de atomizador.. Figura 16. Determinador de umidade acoplado na saída do atomizador. Fonte: Incepa.. a) % de água contida na barbotina. b) Viscosidade da barbotina. • A quantidade de água contida na barbotina, determina a maior ou menor facilidade de pulverização. Em geral, o aumento da porcentagem de água favorece a pulverização da barbotina, ou seja, provoca a formação de gotículas muito pequenas e consequentemente o pó atomizado possui frações granulométricas mais finas.. • Uma viscosidade alta gera granulometrias mais grossas. Com viscosidade extremamente baixas a nuvem de gotículas formada tenderia a ser “empurrada” pela corrente de ar descendente para as paredes do atomizador.. c) Pressão da bomba de barbotina. e) Espessura e tipo de espiral do bico. • A pressão da bomba influencia sobre a pulverização ou sobre a trajetória da partícula a sair pelos bicos. Em geral, quanto maior a pressão da bomba menor serão as gotículas.. • O espiral que assegura o movimento rotatório da barbotina, influencia sobre a trajetória das partículas, sobre suas dimensões e sobre a altura da nuvem de gotículas;. d) Diâmetro do orifício do bico. • Mantendo o bico com o mesmo diâmetro de orifício, uma espessura maior do espiral tende a levantar e manter unida a nuvem de gotículas. Isto provoca a formação de gotas maiores e assim, granulometrias mais grossas;. • Numa condição de pressão constante da barbotina, bicos com o orifício de maior diâmetro geram pó com granulometria mais grossa.. 5.

(6) • O aumento da espessura do espiral promove um aumento da quantidade de barbotina que sai pelo bico (a cada 2 mm de espessura há um aumente de 15-20%).. f) Tipo de atomizador • Experimentalmente há verificado que em igualdade de condições, os atomizadores com maior altura da torre produzem granulometrias mais grossas; • Talvez isto seja explicado pelo fato de uma maior quantidade de barbotina nebulizada tende a reagruparse formando gotas maiores dentro da nuvem e consequentemente grãos de diâmetro maior.. • Os parâmetros de controle citados anteriormente (de a a f) alteram a granulometria do pó atomizado e podem ser alterados mais de um ao mesmo tempo, possibilitando um maior campo de regulagem.. • Da mesma forma que para a umidade, há o controle da evolução da granulometria do pó atomizado. Evolução Granulometria Spray #32. #42. 60. Malha da peneira. 50 40 30 20 10 0. Data do ensaio. Figura 17. Evolução da granulometria de um pó atomizado.. • O pó atomizado é enviado aos silos de estocagem onde deve permanecer por no mínimo 48 horas a fim de homogeneizar a umidade, para em seguida ser consumido na etapa de prensagem;. Determinação da Distribuição Granulométrica (Revisão). Prof. Edney Neves – IFPR – Câmpus Campo Largo – Curso Técnico em Cerâmica. 6.

(7) Distribuição Granulométrica. Distribuição Granulométrica. As partículas sólidas que constituem as matérias-primas possuem uma grande variedade de formas e tamanhos, e podem apresentar-se em diferentes graus de agregação. A distribuição de tamanho de partículas irá influenciar propriedades do produto cerâmico, tais como a porosidade, tamanho do poro, resistência mecânica, etc. e regulam o comportamento da massa no decorrer do processo de fabricação. Deste modo, a determinação da distribuição de tamanho de partículas é fundamental para o controle e otimização do processo de fabricação e do produto acabado.. Figura 18. a) Agitador de peneiras, b) Conjunto de peneiras usado na determinação da distribuição da granulometria.. • Cálculo de dimensionamento e de produção dos atomizador # 32. # 42. # 100. É comum necessitarmos conhecer as informações de produtividade do atomizador, seja pelo dimensionamento do equipamento em função da necessidade da fábrica ou para verificar a produção normal de funcionamento.. # 200. Figura 19. Frações obtidas de um pó atomizado após peneiramento em peneiras malha 32, 42, 100 e 200 as série Tyler.. Exercício 1 – Conhecendo a produção horária do pó úmido, estabelecer a quantidade de água evaporada no atomizador. Informações conhecidas: - Quantidade de pó úmido atomizado: 6.800 kg/hora - Umidade final do pó: 6% - Teor de água da barbotina: 38%. Cálculos: - Determinação da quantidade de pó seco produzido. 6800. ℎ. × 94% = 6392. - Resulta então que a quantidade de água contida no pó úmido, e portanto, não evaporada no atomizador é:. 6800. ℎ. − 6392. ℎ. = 408. á ℎ. - Determinação da quantidade de água contida na barbotina:. 62 % sólido seco -------- 6392 kg sólido seco 38 % água ----------------------- X X = 3917 kg de água. ℎ. 7.

(8) - Determinação da quantidade de água efetivamente evaporada no atomizador:. 3917. ℎ. − 408. ℎ. = 3509. á ℎ. Exercício 2 – Determine a quantidade de água evaporada no atomizador. Informações conhecidas: - Quantidade de pó úmido atomizado: 8.100 kg/hora - Umidade final do pó: 7% - Teor de água da barbotina: 35%. Referência Bibliográfica NEGRE, F.; JARQUE, J.C.; FELIU, C.; ENRIQUE, J.E. Estudo da Operação de Secagem por Atomização de Pós Cerâmicos em Escala Industrial: Seu Controle e Automatização. Cerâmica Industrial, v. 5, n. 2, p. 47-52, 2000. RIBEIRO, M. J.; VENTURA, J. M.; LABRINCHA, J. A. A Atomização como Processo de Obtenção de Pós para a Indústria Cerâmica. Cerâmica Industrial, v. 6, n. 5, p. 34-40, 2001. FAVALLI, R.C.; PIMENTA, M. M.; PASCHOAL, J. O. A. Modelagem Matemática da Secagem por Atomização: Trajetória das Gotículas dentro do Secador. Cerâmica Industrial, v. 6, n. 5, p. 41-46, 2001. SACMI IMOLA. Tecnologia de la Fabricacion de Azulejos. Espanha: Litografia Castellon, [1990]. INSTITUTO ITALIANO PARA COMÉRCIO EXTERIOR. Curso de formação para profissionais da indústria cerâmica: Moagem e conformação na fabricação de pisos e azulejos. Criciúma: [s. n.], 2001. ASSOCIAZIONE COSTRUTTORI ITALIANI. Preparazione Materie Prime e Formatura di Piastrelle Ceramiche. Modena: S.A.L.A., 2004.. 8.

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