UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ

FACULDADE DE ENGENHARIA DE MINAS E MEIO AMBIENTE

DISCIPLINA: TRATAMENTO DE MINÉRIOS II

PROFESSOR: REGINALDO SABÓIA

EDUARDA DI PAULA SANTOSMª11124000707

KATARINE SILVA COSTAMª11124001407

PALLOMA LIMAMª11124003707

RICARDO NUNES MELOMª11124000307

RELATÓRIO SOBRE A PRÁTICA DE LABORATÓRIO:

SECAGEM

MARABÁ – PARÁ

2014

SumárioI – INTRODUÇÃO...........................................................................................................3

1.1 - Conceitos e mecanismos fundamentais da secagem de sólidos..............3

1.2 – Curvas de secagem.........................................................................................5

1.3 - Equipamentos Industriais.................................................................................6

II- OBJETIVO...................................................................................................................7

III – MATERIAIS E MÉTODOS.....................................................................................7

3.1 – Materiais.............................................................................................................7

3.2 – Procedimento experimental............................................................................7

IV - RESULTADOS E DISCUSSÕES..........................................................................8

V – DETERMINAÇÃO DE DENSIDADE.....................................................................9

VI – DETERMINAÇÃO DA POROSIDADE..............................................................10

VII – CONCLUSÃO......................................................................................................11

VIII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................12

I – INTRODUÇÃO

A secagem de sólidos é uma das mais antigas e usuais operações unitárias encontradas nos mais diversos processos usados em indústrias agrícolas, cerâmicas, químicas, alimentícias, farmacêuticas, de papel e celulose, mineral e de polímeros. É também uma das operações mais complexas e menos entendida, devido à dificuldade e deficiência da descrição matemática dos fenômenos envolvidos de transferência simultânea de calor, massa e quantidade de movimento nos sólido, baseado em extensiva observação experimental e experiência operacional (MENON; MUJUMDAR, 1987).

A operação é utilizada para facilitar o carregamento, descarregamento, transporte pneumático, ou seja, o manuseio de compostos pulverulentos. Utilizada também para reduzir os custos de transporte de matérias primas, aumentar o valor de uma commodity, para aumentar a vida de prateleira do produto ou para simplesmente cumprir especificações no que diz a respeito de uma matéria-prima ou de um produto (LINDEMANN; SCHMIDT, 2010).

A qualidade do produto seco, a quantidade de energia gasta e o tempo utilizado neste processo são parâmetros primordiais para a rentabilidade do bem submetido a esta operação. Por outro lado, a diversidade de tipos de secadores oferecidos no mercado coloca o gerente industrial frequentemente questionando se o seu secador ou aquele que pretende adquirir seria o mais adequado para o seu processo (PACHECO, 2010).

1.1 - Conceitos e mecanismos fundamentais da secagem de sólidos

A secagem é a remoção de uma substância volátil (comumente, mas não exclusivamente, água) de um produto sólido. E a quantidade de água presente no sólido é chamada de umidade. Esta definição de secagem exclui a concentração de uma solução e a remoção mecânica de água por filtragem ou centrifugação. Exclui também métodos térmicos relatados à destilação (PARK, et. al, 2007)

A secagem de um sólido úmido, é feita mediante passagem de uma corrente de ar atmosférico aquecido pelo sólido úmido a uma temperatura e umidade fixas, por uma combinação de transferências de calor (para evaporar o líquido) e massa (para remover a umidade de dentro do sólido), reduz a quantidade de água presente no corpo-sólido (FOUST, 2006).

Dessa forma, observa-se que dois fenômenos ocorrem simultaneamente quando um sólido úmido é submetido à secagem (PARK, et. al, 2007):

1. Transferência de energia (calor) do ambiente para evaporar a umidade superficial. Esta transferência depende de condições externas de temperatura, umidade do ar, fluxo e direção de ar, área de exposição do sólido (forma física) e pressão.

2. Transferência de massa (umidade) do interior para a superfície do material e sua subsequente evaporação devido ao primeiro processo. O movimento interno da umidade no material sólido é função da natureza física do sólido, sua temperatura e conteúdo de umidade.

Esse processo manifesta-se sob um comportamento típico, que pode ser observado na curva de secagem. Cada sólido possui uma curva característica (PARK, et. al, 2007).

Os sólidos, em geral, possuem uma curva de secagem bem definida, decrescente ao longo do período da secagem, como o ilustrado na figura 1.

Figura 1- Curva típica de secagem em condições constantes; teor de umidade em função do tempo

Na interpretação do gráfico, tem-se:

Trecho AB: A T do sólido é menor que a T ambiente. O calor transferido do ar para o sólido é maior do que o calor retirado do sólido para evaporar água;

Trecho BC: Período de taxa constante. A T do sólido é igual a T ambiente. É caracterizado pela velocidade de secagem ser inalterada com a diminuição do teor de umidade. O calor é transferido para a superfície de secagem do sólido basicamente por convecção.

Em linhas gerais, a temperatura do sólido e a velocidade de secagem podem aumentar ou diminuir para chegarem às condições de regime permanente. Nesse regime, as temperaturas no interior do sólido tendem a ser iguais à temperatura de bulbo úmido do gás, permanecendo estáveis e a taxa de secagem também permanece constante (FOUST, et. al, 2006).

Trecho CDE: período de taxa decrescente. Inicia quando a umidade do sólido atinge um valor determinado chamado umidade crítica. Este trecho pode ser dividido em duas zonas: zona de superfície de secagem não-saturada e zona em que o fluxo interno de água controla o processo. Além desse ponto, a temperatura da superfície eleva-se e a taxa de secagem cai rapidamente (FOUST, et. al, 2006).

XE (Ponto E): A taxa de secagem aproxima-se de zero, num certo teor de umidade de equilíbrio, que é o menor teor de umidade atingível no processo de secagem.

Para os trechos CD e DE tem-se seguem observações:

Zona de superfície de secagem não-saturada (trecho CD): Segue-se imediatamente a umidade crítica. Neste estágio, a superfície do sólido apresenta áreas secas que se ampliam na proporção em que a secagem prossegue. Consequentemente a taxa de secagem diminui uma vez que a mesma é relativa a toda a área do sólido em contato com o ar. A evaporação

ocorre na superfície do sólido e a resistência a difusão interna do líquido é pequena comparada com a resistência para remover o vapor da superfície. A temperatura do sólido aumenta, pois recebe do ar a mesma quantidade de calor que corresponderia ao período de taxa constante, sem, no entanto, ocorrer igual evaporação. Em outras palavras, parte da energia que era utilizada para a evaporação na fase anterior, acaba sendo utilizada para elevar a temperatura do sólido (FOUST, et. al, 2006).

Zona em que o fluxo interno de água controla a operação (Trecho DE): Caracteriza-se pelo fato de que o fluxo interno de água controla a taxa de secagem. Os fatores que influenciam a taxa de secagem são os mesmo que afetam a difusão da água através de sólidos. Observa-se que a umidade do ar não tem efeito na taxa de secagem, mostrando que esta depende da resistência a difusão da água. A medida que a quantidade de umidade diminui por causa da secagem, a velocidade da difusão interna da umidade decresce. A evaporação ocorre dentro da estrutura do sólido(FOUST, et. al, 2006).

1.2 – Curvas de secagem

A evolução das transferências simultâneas de calor e de massa no decorrer da secagem faz com esta operação seja delineada em sub-curvas, denominadas de curva de evolução do teor de água do produto (X), curva de sua temperatura (T) e curva da velocidade de secagem (dX/dt), também chamada de taxa de secagem, ao longo do tempo, para um experimento utilizando ar de propriedades constantes (PARK, et. al, 2007).

A curva (a) representa a diminuição do teor de água do produto durante a secagem (conteúdo de umidade do produto, X = X BS,em relação à evolução do tempo de secagem t), isto é, é a curva obtida pesando o produto durante a operação numa determinada condição de secagem (PARK, et. al, 2007).

A curva (b) representa a velocidade (taxa) de secagem do produto (variação do conteúdo de umidade do produto por tempo, dX/dt em relação à evolução do tempo t), isto é, é a curva obtida diferenciando a curva (a) (PARK, et. al, 2007).

Figura 2- Comportamento das curvas de secagem/tempo durante um experimento a propriedades constantes.

A curva de velocidade de secagem resulta da derivação da curva de secagem em relação à quantidade de umidade, e pode ser dividida em período de taxa constante de secagem e período de taxa decrescente de secagem,

Verificam-se os dois períodos de secagem:

1. Período de taxa constante de secagem: é o representado pelo segmento “1”. No período de taxa constante, a superfície do material é mantida num nível de umidade tal que a secagem ocorre como se fosse água pura evaporando. Se o sólido for poroso, a maioria da água evaporada no período de taxa constante é proveniente do interior do sólido. Este período só continua desde que a água seja provida à superfície tão rápido quanto é evaporada (PARK et. al, 2007).

2. Período de Taxa Decrescente de Secagem: Este período compreende o segmento “2”. Quando a quantidade de água na superfície do produto começa a diminuir há o abaixamento progressivo da pressão parcial de vapor da água na superfície e, consequentemente, a velocidade de secagem também diminui, até que, ao final desse período, o produto esta em equilíbrio com o ar (igualdade de pressões parciais de vapor) e a velocidade de secagem torna-se nula (PARK et. al, 2007) .

A curva (c) representa a variação da temperatura do produto durante a secagem (variação da temperatura do produto, T em relação à evolução do tempo t), isto é, é a curva obtida medindo a temperatura do produto durante a secagem (PARK, et. al, 2007).

1.3 - Equipamentos Industriais

A investigação da secagem e o cálculo das dimensões do equipamento de secagem devem levar em conta uma multidão de problemas nas áreas de mecânica dos fluidos, da química das superfícies e da estrutura dos sólidos, além dos problemas de velocidade de transferência de energia (FOUST, et. al, 2006).

Em muitos casos, o projeto perfeitamente cotado do secador é impossível, pois estes fenômenos físico-químicos são muito complicados e imperfeitamente incompreendidos (FOUST, et. al, 2006).

Os primeiros secadores industriais utilizados foram os de bandejas, os de túnel e os de rolos de secagem. O ar quente fluía sobre uma extensa área do produto e era usado para remover a água superficial, tornando esses tipos de secadores muito úteis para a desidratação de grãos. Ainda são empregados tanto em processos contínuos quanto em bateladas (DIAZ, 2009)

A segunda geração de secadores foi composta pelos atomizadores (spray-dryers), desenvolvidos para a secagem de líquidos. É um método de secagem conhecido como secagem instantânea, pois utiliza tempos curtos de processo quando comparado aos outros tipos de secadores. Atualmente é aplicado em larga escala em produtos alimentícios, farmacêuticos e biológicos (DIAZ, 2009).

A terceira geração é composta pela liofilização, desenvolvida para superar danos estruturais e perdas de compostos voláteis, (aroma e sabor). E finalmente, secadores empregando alto-vácuo, ultra-temperatura, extrusão, leito fluidizado, microondas ou radiofrequência pertencem à última geração em tecnologia de equipamentos de secagem (DIAZ, 2009).

Portanto, a escolha de um método de secagem deve ser baseada inteiramente no processo, na matéria-prima, produtos intermediários, especificações e características do produto final claramente definidas (DIAZ, 2009).

II- OBJETIVO

O presente estudo tem como objetivo verificar o comportamento do Sulfeto de Cobre frente à operação de secagem e através dela, a construção da curva de velocidade de secagem do processo.

III – MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 – Materiais

Reagentes: Água destilada; Amostra de Sulfeto de Cobre.

Vidraria: Placa de Petri; Proveta de 500 mL.

Aparelhagem: Balança analítica de quatro casas decimais e estufa.

Equipamento de Proteção Individual: Luva térmica.

Espátula metálica; Cadinho de porcelana.

3.2 – Procedimento experimental

a) Inicialmente, foi pesada a Placa de Petri e mediu-se o seu diâmetro, a fim de calcular a área de secagem.

b) Pesou-se uma alíquota definida para o sólido.

c) O material foi colocado em estufa com temperatura de 60°C.Figura 3- Pesagem do material

d) Pesou-se a amostra de 10 em 10 minutos, nove vezes, totalizando 90 minutos.

IV - RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para melhor interpretação dos dados obtidos experimentalmente, algumas relações matemáticas foram seguidas, tais como:

Massa do sólido úmido determinada para cada tempo

M sólido úmido=(M placa+M sólidoúmido )−M placa

Umidade do material

M sólidoúmido−M sólido seco

M sólido seco

Taxa de secagem

R=−WsA ( dxdt )

Onde:

Ws = massa seca do sólido

A = área de secagem

dx/dt = variação da umidade no intervalo de tempo dt

Amostra de Sulfeto de Cobre:

Massa da Placa de Petri: 30,0337 gramas

Diâmetro do vidro de relógio: 9,8 cm, r = 4,9 cm

Área da Placa de Petri (A circunferência = πr2): 75,43 cm

Massa de sólido seco: 9,9798 gramas

Massa sólido úmido (antes de ser colocado na estufa): 10,00 gramas

Temperatura: 60°C

Do mesmo modo, foi construída a tabela 1, com os resultados obtidos no ensaio.

Tempo (min)

Massa (g) da amostra e Placa

de Petri

Massa (g) da amostra

X ΔXΔT

(min)(-ΔX/ ΔT) R=-ws/A (dx/dt)

0 40,0337 10 g 0,002044 0 0 0 0,0000000558810 40,0188 9,9851 0,000531 0,001527 10 0,0001527 0,0000000073820 40,0179 9,9842 0,000440 0,000091 10 0,0000091 0,000000002256630 40,0177 9,984 0,000420 0,000020 10 0,000002 0,000000002338540 40,0166 9,9829 0,000316 0,000104 10 0,00001038 0,00000000132550 40,0154 9,9817 0,000190 0,000120 10 0,00001197 0,0000000004860 40,0143 9,9806 0,000080 0,000080 10 0,0000080162 0,0000000000851970 40,0140 9,9803 0,000050 0,000030 10 0,000003006 0.0000000000332780 40,0135 9,9798 0 0,000050 10 0,00000501012 090 40,0135 9,9798 0 0 10 0 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

Experimental de Secagem

Figura 4- Gráfico Experimental de Secagem

0.002044

0.000531

0.00044

0.00042

0.000316

0.00019

0.00008

0.00005 0 00

0.000020.000040.000060.00008

0.00010.000120.000140.000160.00018

Velocidade

Figura 5- Gráfico de Velocidade da Secagem

V – DETERMINAÇÃO DE DENSIDADE

Densidade Real ou Massa Específica Real corresponde ao real volume que determinado sólido ocupa não levando em conta sua porosidade. Considera-se o volume do solo ocupado efetivamente pelas partículas, sem levar em conta o espaço poroso. Densidade aparente ou Massa Específica Aparente (densidade bruta) corresponde ao volume ocupado por uma determinada massa de sólido, incluindo a porosidade (poros intragranulares). Ambas são definidas pela fórmula d=m/v onde a densidade geralmente é encontrada em g/cm3 ou kg/m3 onde 1 g/cm3  equivale a 103 kg/m3.

A metodologia utilizada para determinação da densidade seguiu os passos abaixo:

1-Passo: Medir a massa da proveta utilizando a balança.

2-Passo: Colocar certa quantidade de amostra na proveta e medir a massa total utilizando a balança.

3-Passo: Calcular a massa da amostra e verificar na proveta o volume a parente da amostra.

4-Passo: Utilizar a equação d=m/v para calcular a densidade da amostra.

5-Passo: Colocar certa quantidade de água em outra proveta e verificar o volume inicial de água.

6-Passo: Despejar a amostra na proveta com a água e verificar o volume real.

7-Passo: Utilizar a equação d=m/v para encontrar a densidade real da amostra.

Foram seguidos todos os passos, usando 200 ml de água e 400g de Sulfeto de Cobre, encontrou-se então o volume real e o aparente da amostra. Com eles foi possível calcular a densidade real e aparente da mesma. Os resultados são apresentados na tabela a seguir:

Volume real (ml)

Volume deslocado (ml)

Volume aparente (ml)

Densidade real (g/ml)

Densidade aparente (g/ml)

340 140 253 2,85 1,58

VI – DETERMINAÇÃO DA POROSIDADE

A porosidade é a medida do armazenamento nos espaços vazios numa rocha, a qual pode estar interconectada ou não.

A porosidade (P) é o parâmetro físico que mede a relação entre o volume aparente (Volap) e o volume deslocado (Voldes) de um corpo sólido:

P=Volap−VoldesVolap

∗100=44.66 %

VII – CONCLUSÃO

Conclui-se que a operação unitária de secagem é um processo relativamente simples, porém complexo em suas particularidades, que englobam um resultado de excelência quando se deseja preparar um material, segundo sua finalidade.

Ou seja, todo o processo envolve um estudo das propriedades do material secante e do tipo de secador a ser infundido no processo, seja ele industrial ou para fins acadêmicos. E é por este motivo que a Indústria Química em seus mais diversos ramos, vem buscando otimizar todas as deficiências

encontradas devido aos fenômenos de transferência simultânea de calor e massa que caracterizam tal operação.

Todas as resoluções gráficas obtidas a partir de ensaios experimentais são de grande importância ao estudo das propriedades de cada material e do seu comportamento frente a operações físicas, demonstrado por este presente estudo as características da amostra de Sulfeto de Cobre, para curva típica de secagem e sua variação de umidade em função do tempo e umidade livre.

VIII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

LINDEMANN, C; SCHMIDT, V.W. Relatório de Laboratório de Operações Unitárias: Secagem em leite de jorro, Rio Grande, Curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Rio Grande, 2010.

MENON, A. S., MUJUMDAR, A. S. Drying of solids: principles, classification, and selection of dryers: Handbook of Industrial Drying. New York: Marcel DekkerInc., 1987.

PACHECO, C.R.F. Apostila de conceitos básicos de secagem, São Paulo, Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2010.