PROCESSAMENTO DE CERÂMICAS II. Parte 1. Secagem - Drying. No processamento cerâmico, a secagem sucede a conformação e precede a queima

Secagem -

Drying

No processamento cerâmico, a secagem

sucede

a conformação

e

precede a queima

1/8/2018

Matérias - primas caracterizadas

Cálculos e

dosagem Mistura Conformação

Secagem _{Queima Acabamento} Inspeção

Produto final Consumo Fluxograma geral do processamento de cerâmicas

Secagem

- remoção de água, por evaporação

Qual a condição necessária para evaporação?

•

gases de combustão (lenha, carvão, óleo, gás, etc)

• eletricidade

Estufas ou Fornos

Processo endotérmico

H

O



H

O

Pressão de vapor da água

seja maior que a

Pressão Parcial

do vapor da água

na atmosfera em que o material esteja por

secar.

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

Pressão de vapor - revisão

Existe uma relação entre

Pressão de Vapor

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

(m

) em uma unidade de massa

de ar seco (m

)

s v

m

m

w



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

(P_{sat,H2O a 25ºC} = 3,1698 kPa) P_v=0  ar seco

P_v < 3,1698 kPa  ar não saturado

P_v > 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 _{dada temperatura, é} pressão parcial do vapor_{inferior à pressão de vapor do} na mistura GV, a uma

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

Algumas definições

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

.

.

P

P

R

U



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

• 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

Defeitos frequentes na secagem - exemplos

Trincas na zona de maior

retração-Fonte: Facincani (1992) Gradiente de umidade na seção transversal

Defeitos frequentes na secagem - exemplos

Fissuras devido a não

homogeneidade na distribuição das partículas

Rubens Alves Junior





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

Conclusão

Econômica

Secagem mais rápida possível

Técnica

Secagem rápida: retração diferencial –

produz trincamento e até fissuras

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$ ????

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

Processos de

transferências

na operação de 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

Processos de

transferências

na operação de secagem



































































z

T

y

T

x

T

kA

Q

Q



h

A



T



T



• Q_cd, Q_c, Q_r são as velocidades de transferência de calor por condução, convecção e radiação • gradientes de temperatura nas direções x,y e z

• T_s 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

• h_c é o coeficiente de transferência de calor por convecção • ε coeficiente de emissão da superfície do produto à T_s

• _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       , ,





A

T

T

Q











Secagem por convecção

 Rendimento térmico total da operação de secagem por convecção  60%

Ar quente

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

São aqueles que não se relacionam com a estrutura do sólido a secar

Velocidade de

evaporação da água em

superfície livre





K

P

P

V





• K_E é a constante de evaporação que depende das condições de fluxo de ar • P_v é a pressão de vapor do líquido

na temperatura de evaporação

• P_p é a pressão parcial de vapor do líquido não ambiente

Como seria uma equação matemática representativa da velocidade de evaporação? F ato r de v el oc ida de Temperatura ºC

Umidade dos sólido

100

(%)

m

m

m

U





W

W

X



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

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

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

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

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

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

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

Isotermas de sorção-desorção e

entalpia de ligação

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

Histerese de sorção-desorção (umidificação-desumidificação)

Entalpia de ligação da umidade ao sólido

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

Mecanismos de secagem – velocidade

de secagem – retração da peça







P

d

C

C

K

dt

dV

_



Movimento da umidade através de um meio poroso com um gradiente de umidade (C₁-C₂)/d

Velocidade de escoamento

da água

Vários modelos matemáticos

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

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

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

Relação entre umidade, velocidade de secagem, temperatura da peça e tempo

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

A umidade crítica depende da estrutura interna do corpo cerâmico

• método de preparação (colagem, extrusão, etc)

M.O.E. Schwartz,

• 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

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 área unid

V

V

f

























X

X

X

X



Velocidade

de

secagem

característica

Umidade característica

Curva de secagem característica de uma argila plástica

V_sec. é a velocidade de secagem por unidade de área

V_sec.inicial é a velocidade inicial de secagem

f é a velocidade de secagem característica

X é a umidade média

X_cr é a umidade média crítica

X_eq. é a umidade de equilíbrio

 é a umidade característica inicial área unid

V

V

f

























X

X

X

X



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 X_cr 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.