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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA CINÉTICA DE SECAGEM DE ARGILA EM UM SECADOR DE BANDEJAS Grupo: Felipe FioresiDalvi Fernando Baptista Neto Gustavo GabrielMolino Rodrigues Thiago PavesiGuignone Santos Thiago Peixoto Nunes Ramos Vinícius Gomes Morgan ViníciusMolini Benedito São Mateus 2016 FELIPE FIORESI DALVI FERNANDO BAPTISTA NETO GUSTAVO GABRIEL MOLINO RODRIGUES THIAGO PAVESI GUIGNONE SANTOS THIAGO PEIXOTO NUNES RAMOS VINÍCIUS GOMES MORGAN VINÍCIUS MOLINI BENEDITO CINÉTICA DE SECAGEM DE ARGILA EM UM SECADOR DE BANDEJAS Trabalho apresentado à disciplina Operações Unitárias III de Engenharia Química do Centro Universitário do Norte do Espírito Santo, como requisito para avaliação. Prof.: Paulo Sérgio da Silva Porto. SÃO MATEUS 2016 Sumário 1. Introdução .......................................................................................................................... 3 2. Objetivos ............................................................................................................................. 4 2.1 Objetivos Gerais ............................................................................................................... 4 2.2 Objetivos específicos ...................................................................................................... 4 3. Materiais e Métodos ......................................................................................................... 4 3.1 Materiais ............................................................................................................................ 4 3.2 Métodos ............................................................................................................................. 5 4. Resultados e Discussão ................................................................................................. 5 5. Conclusão .......................................................................................................................... 9 6. Referências Bibliográficas ........................................................................................... 10 3 1. Introdução A secagem é o processoresponsável pela retirada da água de diversos tipos de materiais e de vasta aplicação industrial, usada em materiais cerâmicos, alimentos, grãos em geral e até mesmo em produtos agrícolas. Esta etapa é uma das mais essenciais do processo produtivo, tanto do ponto de vista econômico quanto da qualidade final da peça produzida, pois durante essa etapa surgem elevados gradientes de umidade e temperatura no interior do sólido. Com isso, simultaneamente, são geradas tensões térmicas e hídricas, que podem causar defeitos irreversíveis na peça produzida, diminuindo a produtividade do processo e aumentando custos operacionais quando a produção acontece em escala industrial, devido ao elevado consumo da energia ao longo do processo produtivo. O consumo de energia térmica e elétrica representauma grande parcela do custo total de produção na atualidade, sendo a secagem umadas etapas que mais consomem energia1. Na fabricação de produtos cerâmicos a transferência de calor e massa e provoca o encolhimento de corpos porosos2.Durante a secagem de sólidos ocorre o fenômeno de encolhimento do corpo de prova, alterando, por consequência, as dimensões do sólido e a cinética de secagem. Este fenômeno acontece simultaneamente com o transporte de umidade e é mais intenso em materiais cerâmicos com umidade inicial alta, principalmente se apresentarem granulação fina. Dependendo das condições de secagem, da estrutura do material e da geometria do produto, o fenômeno de encolhimento pode causar rachaduras, deformações e até mesmo fraturas dentro dos sólidos, sendo o parâmetro principal para se obter um ótimo processo de secagem é a taxa de secagem. A importância deste tema justifica a grande quantidade de estudos encontrados na literatura3-8. Os materiais cerâmicos têm ampla utilização na construção civil e são fabricados a partir de matérias-primas classificadas em naturais e sintéticas. Utilizando-se de um processamento adequado, suas propriedades químicas e fases cristalinas podem ser alteradas. Durante a fabricação de peças cerâmicas, é fundamental observar as etapas de exploração das jazidas, tratamento prévio das matérias-primas, homogeneização, secagem e queima. Deve-se ressaltar que para alcançar as características de plasticidade e facilitar 4 a modelagem das peças, a água é adicionada à argila na fase de homogeneização1. A composição química da argila também é uma informação crucial, pois altera as propriedades químicas, físicas e mecânicas do material. A tabela a seguir apresenta uma composição típica da argila comumente utilizada na indústria2. Tabela 1: Composição química de uma argila típica². Componentes SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O Composição Química (%) 52,70 7,58 23,97 0,56 4,04 0,62 1,25 2. Objetivos 2.1 Objetivos Gerais Obter o comportamento da curva cinética de secagem de argila em um secador de bandejas a 50ºC. 2.2 Objetivos específicos a) Avaliar a cinética de secagem do corpo de prova através das curvas de secagem de umidade versus tempo (adimensional de umidade (X/X0) versus tempo e curva da taxa de secagem); b) Monitorar os parâmetros do ar de entrada (temperatura de bulbo úmido e bulbo seco); c) Realizar o ajuste dos dados experimentais utilizando modelos clássicos da literatura para calcular a constante de secagem; d) Explorar os resultados obtidos, comparando com a literatura. 3. Materiais e Métodos 3.1 Materiais Os principais materiais e equipamentos utilizados no experimento de secagem de argila estão dispostos na tabela 2 a seguir. Tabela 2: Lista dos principais materiais a serem utilizados no experimento. Acessórios e equipamentos Materiais Secador de bandejas Bandeja Balança analítica Cadinho Psicrômetro Béquer Termo-anemômetro Bastão de vidro 5 3.2 Métodos Primeiramente, fez-se uma mistura de argila e água, até que esta adquirisse consistência. Posteriormente, a mistura foi modelada, ficando com a forma de um pequeno cilindro, sendo este o objeto de estudo. O procedimento de secagem foi realizado em uma estufa com temperatura de bulbo seco igual a 50ºC e temperatura de bulbo úmido de 20,50ºC. A massa do corpo de prova foi, então, pesada numa balança analítica previamente calibrada em intervalos de 10 minutos durante uma hora e após 24 horas para obter a massa da argila seca. 4. Resultados e Discussão No experimento de secagem, foram pesadas as massas do corpo de prova em intervalos de tempo pré-estabelecidos. Os dados obtidos experimentalmente estão indicados na tabela 3. A massa do vidro de relógio utilizado foi de 41,4025g, a temperatura de secagem foi de 50°C (temperatura de bulbo seco) e a temperatura de bulbo úmido foi de 20,5 °C. Tabela 3: Dados experimentais da massa de corpo de prova ao longo do tempo. Tempo (min) Massa Total (CP e VR) (gramas) Massa do Corpo de Prova (gramas) 0 50,0045 8,6020 10 49,9588 8,5563 20 49,9078 8,5053 30 49,8589 8,4564 40 48,8210 8,4185 50 49,7725 8,3700 60 49,7272 8,3247 1440 48,0493 6,6468CP- Corpo de Prova; VR- Vidro de relógio. Com os dados obtidos na tabela 3, calculou-se as umidades em base seca do corpo de prova ao longo do tempo (X(t)) utilizando a equação 1. 𝑋(𝑡) = 𝑚 𝑡−𝑚𝑏𝑠 𝑚𝑏𝑠 (1) Sendo mt a massa do corpo de prova ao longo do tempo e mbs é a massa do corpo de prova após o tempo de 24 horas, sendo neste tempo 48,0493 g. A partir dos valores de umidade, calculou-se a razão de umidade do sólido (Xf) por meio da equação 2. 6 𝑋𝑓 = 𝑋(𝑡) 𝑋𝑜 (2) Sendo Xo a umidade do corpo de prova no tempo inicial (1,9552 g). Os dados calculados encontram-se na tabela 4. Tabela 4: Umidade e razão de umidades do sólido do corpo de prova ao longo do tempo. Tempo (min) X(t) (% em base seca) Xf (adimensional) 0 29,41566 1 10 28,72811 0,976626 20 27,96082 0,950542 30 27,22513 0,925532 40 26,65493 0,906148 50 25,92526 0,881342 60 25,24373 0,858173 1440 0 0 A partir dos dados obtidos na tabela 4 para o tempo de uma hora, foi obtida a reta apresentada na figura 1, cuja regressão linear apresenta excelente linearidade, visto pelo coeficiente de correlação (R²) de 0,99891. A equação da reta é apresentada pela equação 3, com a qual se determina a umidade do corpo de prova. 𝑋 = −0,06938. 𝑡 + 29,38917 (3) Figura 1: Gráfico da umidade versus tempo. A curva obtida incluindo o tempo de 24 horas é apresentada na figura 2. O modelo experimental alcançado pelo ajuste exponencial dos dados é ilustrado pela equação 4, cujo coeficiente de correlação foi de 0,99998. 𝑋𝑓 = 1,03025 ∗ exp −t 406,05406 − 0,0297 (4) 7 Figura 2: Ajuste exponencial dos dados experimentais. Os valores da razão de umidade do sólido (Xf) foram aplicados a três modelos clássicos da literatura para comparação dos resultados, sendo estes o modelo de Brooker et al. (1974)9, Page (1949)10 e Henderson et al. (1968)11. As equações dos modelos estão apresentadas na tabela 5. Tabela 5: Modelos clássicos da literatura. Modelos Referência Xr = exp(-Kt n) Page (1949) Xr = cexp(-Kt) Brooker et al. (1974) Xf = c[exp(-Kt)+(1/9)exp(-9Kt)] Henderson et al. (1968) c e n são parâmetros dos modelos, e K é a constante de secagem. Utilizando os dados da tabela 4 e as equações da tabela 5, foram alcançadas as curvas ilustradas nas figuras 3, 4 e 5. Figura 3: Ajuste dos dados experimentais utilizando o Modelo de Page (1949) 11 . 8 Figura 4: Ajuste dos dados experimentais utilizando o Modelo de Brooker et al. (1974) 9 . Figura 5: Ajuste dos dados experimentais utilizando o Modelo de Henderson et al. (1968) 10 . Os modelos da literatura aplicados apresentaram boa concordância entre si e excelente ajuste aos dados experimentais, como pode ser visto pelos coeficientes de correlação obtidos dispostos na tabela 6 juntamente com valores dos parâmetros daqueles modelos. Tabela 6: Ajustes dos dados experimentais aos modelos da literatura. Modelo Parâmetros C K N R2 Page (1949)11 - 0,00169 1,10537 0,99988 Brooker et al. (1974)9 1,0065 0,00275 - 0,99927 Henderson et al. (1968)10 0,92267 0,00216 - 0,99534 Como pode ser visto na tabela 6, os valores dos coeficientes de correlação (R²) foram próximos de 1, indicando confiabilidade, sendo que o modelo de Page (1949) apresentou o melhor ajuste. Comparando os valores obtidos para a constante de secagem (K) dos três métodos, pode-se perceber uma boa proximidade entre eles e com o modelo exponencial obtido experimentalmente, o que indica precisão no experimento realizado. 9 5. Conclusão Os resultados alcançados apresentaram excelente linearidade na primeira hora de secagem. O gráfico obtido da umidade pelo tempo permitiu modelar a cinética de secagem do material de estudo e forneceu um confiável coeficiente de correlação de 0,99891. Os dados experimentais foram, ainda, aplicados a três modelos da literatura (Brooker et al. (1974)9, Page (1949)10 e Henderson et al. (1968)11), que apresentaram boa concordância entre si, apresentando R2 de 0,99927, 0,99988 e 0,99534, respectivamente. Todos os modelos tiveram excelente ajuste aos dados experimentais, sendo o modelo de Page aquele de melhor resultado comparado ao modelo experimental. Assim, pode-se afirmar que o experimento realizado foi bem executado e permitiu aplicar na prática a teoria vista em sala de aula, fornecendo um maior entendimento a cerca do processo de secagem. 10 6. Referências Bibliográficas 1. SILVA, L. D.; SILVA, W. P.; SILVA, C. M. D. P. S.; FARIAS, V. S. O. Descrição da secagem de placas cerâmicas por meio de um modelo de difusão. Cerâmica, 59, 409 – 416, 2013. 2. BATISTA, V. R.; NASCIMENTO, J. J. S.; LIMA, A. G. B. Secagem de queima de tijolos cerâmicos maciços e vazados incluindo variações dimensionais de danos estruturais. Revista Eletrônica de Materiais e Processos, 3, 46 – 61, 2008. 3. LOSS, R. D.; SANTOS, I. P.; MUNIZ, E. P.; PROVETI, J, R, C.; PORTO, P. S. S. Finite difference solutions for heat transfer during drying of cubic papaya particles. Procedia Food Science,1, 753 – 761, 2011. 4. Medeiros, B.L. Secagem de Argila com Ar Quente Produzido por Radiação Solar, Tese de Mestrado, Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa - PB, Brasil, 1977. 5. Fricke J. A Cerâmica, Ed. Presença Ltda., Lisboa, 1981, 152p. 6. Reed, J. S., Principles of Ceramics Processing, 2 ed, chapter 27: Drying,, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, Wiley Interscience, 1995. 7. Ketelaars, A. A. J., Jomaa, W., Puiggali, J. R., Coumans, W. J. Drying Shrinkage and Stress. In: International Drying Symposium, Part A, pp. 293-303, 1992. 8. Hasatani, M., Itaya, Y., Deformation Characteristic of Ceramics During Drying, In: International Drying Symposium, (Part A), pp. 190-199, Montreal, 1992. 9. Brooker, D.B.; Bakker-Arkema, F.W.; HALL, C.W. Drying cereal grains. The Avi Publishing Company, Inc, Westport, 1974. 10. Henderson, J.M.; Henderson, S.M. A computacional procedure for deep- bed drying analysis. Journal Agric. Eng. Res. v.13, p.87-95, 1968. 11. Page, G.E. Factors influencing the maximum rates of air drying shelled corn in thin-layer. Indiana, 1949. Dissertation (M.Sc.), Purdue University, USA, 1949.
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