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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA DE ALIMENTOS DISCIPLINA: Operações Unitárias para a Indústria de Alimentos I PROFESSORA: Dra. Miriam Carla B. Ambrosio Ugri

VII – TRATAMENTO DE SÓLIDOS

VII.1 – MOAGEM FRAGMENTAÇÃO DE SÓLIDOS: é a operação que tem por objetivo reduzir o tamanho dos fragmentos de determinado material, matéria-prima ou produto final. Exemplos de fragmentação de sólidos: moagem de cristais para facilitar sua dissolução (lixiviação), britamento e moagem de combustíveis sólidos antes da queima, corte da madeira antes do cozimento na produção de celulose, moagem de sementes oleaginosas para acelerar a extração com solventes e produção de farinhas e farelos (trigo, soja, girassol entre outros). O processo de Fragmentação de Sólidos tem as seguintes finalidades: a) Aumentar as superfícies:

� reações químicas que envolvem partículas sólidas. A velocidade de reação é proporcional à área de contato com a outra fase;

� extração – aumenta a velocidade de extração devido a maior área de contato entre as fases quanto menor a distância que o solvente precisa penetrar no sólido;

� secagem – a diminuição de tamanho provoca o aumento da área e a diminuição da distância que a umidade percorre no interior das partículas para atingir a superfície do sólido.

b) Diminuir o tamanho do sólido para separar dois ou mais constituintes; principalmente quando um está disperso em pequenas bolsas isoladas no interior do sólido.

Exemplo: Granito= quartzo + feldspato + areia c) Modificar as propriedades de um material que dependem do tamanho da partícula:

� reatividade química, que é maior em partículas finas se comparada com partículas grossas;

� cor (intensidade), afetado pelo tamanho da partícula; � poder de revestimento de pigmentos, afetado pelo tamanho da partícula; � especificação de produtos comerciais (diversas granulometrias).

d) Promover a mistura mais íntima entre dois sólidos, pois quanto menor o tamanho das partículas a serem misturadas, mais uniforme é o produto. Este é o caso de muitos produtos farmacêuticos em pó. VII.1.1 - MECANISMO DE REDUÇÃO DE TAMANHO A redução de tamanho é uma operação extremamente complexa. Os sólidos podem sofrer redução de tamanho através de vários tipos de solicitações, dos quais quatro são utilizadas industrialmente:

2

� compressão; � impacto; � atrito (abrasão); � corte e/ou dilaceramento.

1 - Desintegração: É a aplicação do esforço ocasionando fissuras no material. A concentração de esforço até valor crítico acarreta no crescimento e ramificação das fissuras ocorrendo a ruptura. Aumentando a força de um impacto súbito em um sólido, o número de partículas finas é aumentado, mas não diminui seu tamanho. Portanto:

- o tamanho das partículas finas produzidas está relacionado com a estrutura do material.

- o tamanho das partículas maiores depende diretamente do modo como a operação de redução de tamanho é conduzida. 2 - Operações de Moagem: Pode-se operar a seco ou a úmido. Geralmente a operação a úmido economiza cerca de 25% da energia elétrica. Além disso, o controle do pó é melhor na operação a úmido e a classificação do material na saída do moinho é mais simplificada. Contudo, há operações em que a moagem a seco é essencial (cimento e cal). Quando a moagem é levada a dimensões extremas, forças de atração podem causar aglomeração das partículas e o único recurso é moer o sólido em suspensão em um líquido. Quanto ao tipo de operação, as moagens podem ser realizadas em batelada (descontínua) ou operação contínua, podendo operar em circuito aberto ou circuito fechado, como mostrado na Figura 1. A operação em batelada é descontínua, coloca-se a carga e, uma vez efetuada a moagem, é feita a descarga com o moinho parado. Na operação contínua opera-se me regime permanente; tanto a alimentação como a retirada do produto é feita com o moinho operando normalmente. Nestas operações pode-se optar por duas variantes: circuitos aberto ou fechado. Em circuito aberto, o material é alimentado ao moinho e passa apenas uma vez pela máquina, sendo retirado do circuito após a moagem. Em circuito fechado, o produto bruto passa por um separador: os finos constituem o produto e os grossos são reciclados. O custo inicial é maior na moagem em circuito fechado devido ao maior número de equipamentos, mas o consumo de energia por tonelada de produto é menor.

3

Figura 1 – Operações de Moagem

3 - Consumo de energia: O custo de energia é uma parcela importante no custo total da operação de fragmentação. Desta forma, o consumo de energia está relacionado com a estrutura interna do material e é composta de duas etapas:

� abertura de pequenas fissuras; � formação de nova superfície (∆S).

VII.1.2 - LEIS DE DIVISÃO DE SÓLIDOS São utilizadas para estimar a energia dissipada durante o processo de fragmentação. A - LEI DE RITTINGER: O sólido a ser fragmentado inicialmente sofre deformações e fica em estado de tensão até que, ultrapassando o limite de ruptura, as partículas se rompem. Os fragmentos produzidos mantêm a mesma forma das partículas originais.

4

"O trabalho necessário para fragmentar o sólido é proporcional ao aumento da superfície produzida".

Considerando uma partícula com diâmetro D1, e fator de forma λ1, que é moída até o diâmetro D2. Se N for o número de partículas formadas a partir da partícula original, a superfície externa adicional produzida pela moagem dessa partícula será:

( ) 211

22212 DaDaNSSS −=−=∆ (1)

sendo que a1 e a2 são os parâmetros de forma da expressão 2* Das = .

Como 322

311

Db

DbN = e o número de partículas de tamanho D1 na unidade de massa

do material é ρ3

11

1

Db, a superfície externa total criada por unidade de massa de

alimentação será:

1

1

2

2211

2223

22

311

311

1

DDDaDa

Db

Db

DbS

ρλ

ρλ

ρ−=

−

⋅=∆ (2)

Atenção!!! Equação (2) é por unidade de massa!!! A energia total consumida será proporcional à variação da energia da superfície durante a operação, isto é:

−=−

1

1

2

2*DD

ekw s ρλ

ρλ

(3)

sendo: es - energia de superfície do sólido por área externa λ - fator de forma

Se λ 1 = λ2 = λ, resultando a lei de Rittinger:

)cm( 11

11**

2

12

12

kgDDKw

ou

DD

ekw s

−=−

−=−

ρλ

(4)

e, por unidade de tempo:

−=− hkg

cmDD

KCW . 11 2

12

(5)

sendo:

5

K - depende do tipo de máquina e do material (obtido experimentalmente em cada situação estudada) C - capacidade do britador ou moinho (t/h) D - diâmetro da partícula Esta lei presta-se para prever o resultado de modificações de operações existentes. Exemplo 01 - Consome-se 30 hp para moer 140 t/h de um material entre 2 mm e 1 mm. Qual a energia necessária para moer 120 t/h do mesmo material entre 1 mm e 0,5 mm ?

( )

hpWW

W

W

W

DD

DD

C

C

W

W

DDKCW

DDKCW

6,5172,1

21

11

11

5,01

140

120

11

11

11

11

21

2

1

2

11

12

21

22

1

21

2

21

22

22

11

12

11

=→=

−

−

=

−

−=

−=

−=

B - LEI DE KICK: "O trabalho necessário para fragmentar um sólido é função logarítmica da razão entre

os tamanhos inicial e final dos fragmentos".

)ln(*

ãofragmentaç de relação

ln*

2

1

2

1

mKw

D

Dm

D

DKw

=−

=→

=−

(6)

sendo: K – constante determinada experimentalmente, que depende do britador e do material w – energia consumida por unidade de massa m – relação de fragmentação. Em alguns equipamentos, o valor de m não pode ser ultrapassado. Quanto maior o valor de m mais difícil é a operação de fragmentação. Se C é a capacidade do britador, a energia total consumida numa hora será dada pela expressão:

6

)ln(** mCKW =− (7)

Segundo esta lei, a energia consumida na fragmentação depende de m e não isoladamente de D1 e D2. Assim esta lei só serve para prever as alterações de consumo decorrentes de modificações introduzidas numa operação que já vem sendo realizada. Aplica-se bem nas primeiras fases do britamento, quando a superfície adicional produzida é relativamente pouco importante. Ou seja, nestes britamentos grosseiros, a redução de volume é mais importante que o aumento de área externa. As leis de Rittinger e de Kick não se aplicam no mesmo intervalo de granulometria. A lei de Rittinger se aplica melhor à segunda fase do britamento, ou seja, à moagem fina, quando a superfície externa que está sendo criada é a variável mais importante. C - LEI DE BOND:

"O trabalho é inversamente proporcional à raiz quadrada do tamanho produzido".

−=−

12

112

DDKw (8)

Introduzindo a relação da moagem nesta expressão e substituindo a constante 2K por 10wi tem-se:

−=−mD

ww i

11

100

2

(9)

sendo: wi – a energia necessária para reduzir a unidade de peso do material desde um tamanho bastante grande até um tamanho final D2 igual a 100µm. (Fazendo

100 e 2 =∞→ Dm na expressão anterior, iww =− ). Também pode ser chamado de

work index (kW.h/t) do material, variando com a natureza do sólido. A Tabela 1 apresenta os valores do índice de trabalho de diversos sólidos em kW.h/t de material moído a úmido. Para moagem a seco deve-se multiplicar por 1,34. Esses valores já levam em conta o atrito no britador, de modo que o consumo calculado com a lei de Bond já é o consumo total. A expressão (9) permite calcular a energia consumida para moer a unidade de massa do sólido. Sendo C a capacidade do moinho (t/h), a energia (-W, em hp*h) pode ser calculada por:

−=−

12

11**

DDwCkW i (10)

sendo:

D1 e D2 – diâmetros médios da alimentação e do produto, respectivamente, (cm) C - capacidade (t/h) wi

– work index (kW*h/t) k deve ser usado igual a 0,134

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Tabela 1 - Índice de trabalho para moagem a úmido. Para moagem a seco, multiplicar por 1,34.

Material Massa específica, g/cm3 Work index, wi (kWh/t)

Bauxita 2,20 8,78

Cimento clinquer 3,15 13,45

Cimento bruto 2,67 10,51

Argila 2,51 6,30

Carvão 1,4 13,00

Coque 1,31 15,13

Granito 2,66 15,13

Gesso 2,69 6,73

Minério de ferro 3,53 12,84

Calcário 2,66 12,74

Rocha fosfática 2,74 9,92

Quartzo 2,65 13,57

Hematita 3,76 12,68

A lei de Bond pressupõe que todas as partículas têm aproximadamente a mesma forma geométrica. Comparando as três leis apresentadas, a Lei de Bond conduz a estimativas mais realistas do consumo de energia de britadores e moinhos comerciais; sendo que é a única para prever o consumo de máquinas que ainda não foram instaladas. Exemplo 02 - Fazer uma estimativa da energia necessária para britar 100 t/h de calcário, desde um diâmetro médio de 5 cm até o diâmetro final de 8 mesh Tyler (0,236 cm). a - Supor que 80% do peso da alimentação passam por uma peneira de 5 cm de malha e que o produto passa por uma peneira de 8 Mesh Tyler (0,236 cm). b - Todas as partículas da alimentação e do produto têm a mesma forma geométrica. c - Britamento a seco.

−⋅⋅=

−⋅⋅=−

1212

11134,0

11

DDwC

DDwCkW ii

Lei de Bond: C = 100 t/h

wi = 12,74 * 1,34 = 17,07 kW.h/t Di = 5 cm D2 = 0,236 cm.

hpW

W

6,368

5

1

236,0

107,17*100*134,0

=

−=

8

Exemplo 03 - O britamento da hematita está sendo realizado a úmido numa indústria com um britador intermediário de cilindros lisos. Na operação atual 1/4 hp é consumido para acionar o britador vazio e 14 hp é consumido durante a fragmentação de 6,4 t/h do minério, desde um diâmetro médio de 3 mm a 1 mm. Faça uma estimativa do consumo de energia a ser esperado depois de um ajuste no espaçamento entre os cilindros, de modo a reduzi-lo na metade. VII.1.3 – PROPRIEDADES DOS SÓLIDOS A SEREM MOÍDOS As propriedades mais importantes, além da dimensão dos sólidos, são: 1 – Dureza: afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros e abrasivos é preciso usar uma máquina de baixa velocidade e proteger os apoios das poeiras abrasivas formadas. Recomenda-se lubrificação sob pressão. A escala de Mohs, na Tabela 2, mostra a ordem de dureza crescente de alguns sólidos: Tabela 2 - Escala de Dureza de Mohs: 1 – talco 6 – orthoclase ou feldspato 2 – selenita ou gesso 7 – quartzo 3 – calcita 8 - topázio 4 – fluorita 9 – corindo 5 – apatita 10 - diamante 2 – Estrutura: os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem ser triturados eficientemente com o uso das forças normais de compressão, impacto, etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento. 3 – Conteúdo de umidade: verifica-se que os materiais não fluem bem se contiverem de 5 a 50% de umidade; nestas condições, os materiais tendem a se aglutinar. A moagem pode ser satisfatória fora destes limites. 4 – Resistência ao Esmagamento: a potência necessária para o esmagamento é quase que diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento. 5 – Friabilidade: é a sua tendência a ser fraturada durante o manuseamento normal. Em geral, um material cristalino quebrará ao longo de planos bem definidos e a potência necessária para o esmagamento aumentará à medida que o tamanho da partícula diminui. 6 – Empastamento: um material pegajoso tenderá a entupir o equipamento de moagem e, por isso, deverá ser moído numa instalação que possa ser rapidamente limpa. 7 – Tendência para escorregamento (fluidez): esta característica é, em geral, um reflexo do valor do coeficiente de atrito da superfície do material. Se o coeficiente de atrito for baixo, o esmagamento pode ser mais difícil. 8 – Materiais explosivos: devem ser moídos úmidos ou na presença de uma atmosfera inerte.

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9 – Materiais que produzem poeiras prejudiciais à saúde devem ser moídos sob condições em que não se deixe escapar poeira. VII.2 – EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS Abaixo são apresentados alguns equipamentos industriais mais utilizados no processo de moagem e diminuição de tamanho de sólidos:

Alimentador Vibratório : usado para alimentação de britadores e rebritadores. Resistentes a cargas elevadas, permitindo o abastecimento direto por caminhões.

Calha Vibratória: Dispositivo de retomada da pilha pulmão e classificação.

Grelha Vibratória: Adequada para pré-classificação de materiais finos no processo de britagem de minérios efetuando a diminuição da carga do britador ou rebritador.

Classificador / Lavador à Rosca: Possui grande utilidade na lavagem de minérios e agregados em geral, classificando o material super fino e separando as impurezas.

Moinho de Bolas / Barras:

Utilizado para moagem de minérios finos (até 325 mesh); podendo ser por via úmida ou seca. Podem ser fornecidos com ou sem revestimentos internos (metálicos ou não metálicos).

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Moinho a Martelos: Com aplicação na moagem de materiais de baixa abrasividade, permitindo obter granulometria fina em uma só operação.

Moinho Pulverizador: Caracterizado por sua alta rotação, sendo indicado para moagem de minérios de baixa ou nenhuma abrasividade, atingindo sólidos com granulometria fina (até 100 mesh) em uma só operação.

Moinho de Rolos: Ideal para moagem de materiais de alta dureza e abrasividade quando se deseja uma pequena redução, sem a geração de materiais finos em excesso.

Rebritador de Mandíbulas: Indicado para operações de cominuição de materiais sólidos e minérios em geral, atendendo britagens secundárias.

VII.2.1 – DETALHAMENTO DOS EQUIPAMENTOS DE MOAGEM Os equipamentos podem funcionar empregando um ou mais tipos de atuação da força simultaneamente. Existe uma grande variedade de equipamentos, podendo ser classificados de acordo com o tamanho das partículas de alimentação e do produto, conforme:

� Britadores: fragmentação de partículas de tamanho grande para médio; � Trituradores: para partículas de tamanhos médios; � Moinhos: redução de partículas médias a pós finos.

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A Tabela 3 apresenta a variação de tamanho que existe entre a alimentação e o produto final, de acordo com o equipamento utilizado. Tabela 3 – Variação de tamanho entre alimentação e produto final

ALIMENTAÇÃO PRODUTO FINAL* BRITADORES

Primário 10 cm – 1,5 m 0,5 – 5,0 cm Secundário 0,5 – 5,0 cm 0,1 – 0,5 cm (10 a 3 mesh) MOINHOS

Finos 0,2 – 0,5 cm 200 mesh Coloidais 80 mesh até 0,01µm

* (85% das partículas são menores que este tamanho) As características gerais dos equipamentos são: 1 – permitir o afastamento rápido do sólido fragmentado das superfícies de trabalho, que deve ser prevista em projeto (através de ar, água ou força centrífuga). Os finos produzidos sobre a superfície podem amortecer as novas partículas a serem moídas. Quando isto ocorre, tem-se o britamento ou moagem obstruída (“choke crushing”), caso contrário tem-se a moagem livre; 2 – cuidados com a segurança, que ocorrem durante uma operação adequada. Os britadores podem expelir partículas com grande energia durante a operação. Os moinhos podem provocar a queima ou explosão do material devido ao aquecimento excessivo ou acúmulo de pó fino durante a moagem. BRITADORES PRIMÁRIOS A – Britador de Mandíbulas: a parte mais importante são as duas mandíbulas de aço-manganês, uma fixa e a outra móvel, colocadas no interior de uma carcaça de aço, ferro ou aço-manganês. A principal aplicação é o britamento primário de materiais duros e abrasivos. O britador Blake (Figura 2) é fabricado com mandíbulas que variam entre 5 e 120 cm e a velocidade de operação é baixa (100 a 400 rpm). O ângulo de abertura das mandíbulas é geralmente inferior a 30° para evitar que as partículas alimentadas sejam expelidas pela máquina. Dá maior produção e não entope com facilidade, pois é a parte inferior das mandíbulas que se abre para dar saída ao produto.

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Figura 2 – Britador Blake

O Britador Dodge (Figura 3) tem menor capacidade, presta-se para operação intermitente e permite trabalhar com maior relação de fragmentação. Entope com mais facilidade do que o Blake, mas o produto é de granulometria mais regular. Devido a uma grande abertura no topo, pode receber alimentação muito grossa e efetuar uma grande redução de tamanhos.

Figura 3 – Britador Dodge

B – Britador Giratório (Figura 4) : opera por compressão, mais ou menos como um britador de mandíbula, porém a ação de britamento é contínua. É formado por um corpo cônico de carga, seguido de outro de descarga. No interior há uma cabeça cônica de britamento, sendo que a alimentação é feita pelo topo.

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Figura 4 – Britador giratório

A ação de britamento é contínua, assim como a descarga. O movimento de rotação reduz a vibração. As tensões no britador giratório são mais uniformes do que no britador de mandíbulas; o consumo de potência é menos variável e a capacidade por unidade de área de descarga é maior. O produto é relativamente mais fino e uniforme. Observação: Os trituradores de mandíbulas e o triturador giratório empregam uma força predominantemente compressiva. BRITADORES SECUNDÁRIOS A – Britador de Martelos: opera principalmente pelo impacto do material com os martelos e com as placas de britamento, fragmentando materiais frágeis não abrasivos. Pode ser utilizado para materiais fibrosos, como milho, café e soja, pois uma parte da ação de fragmentação é por corte. Os maiores servem para trabalho pesado, como o britamento de carvão, calcáreo, barita, cal, xisto e osso em pedaços de 20 a 50 cm. As menores unidades operam na faixa de granulometria dos moinhos, e chamam-se Moinhos de Martelos.

A Figura 5 apresenta um modelo típico de britador de martelos. Um rotor gira em alta velocidade (variando de 500 a 1800 rpm) no interior de uma carcaça. No rotor há um número de martelos periféricos que basculam em torno de seu ponto de fixação. Os martelos danificados ou desgastados podem ser substituídos facilmente.

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Figura 5 – Britador de martelos.

A alimentação é feita pela parte superior, mas em alguns modelos pode ser axial, e projetada para fora pela força centrífuga, sendo esmagada por pancadas entre os martelos ou contra as placas de fratura montadas ao redor da periferia da caixa cilíndrica. O produto sai pelo fundo, onde há uma grelha. Nos modelos menores, as grelhas são substituídas por um aplaca metálica perfurada. Alguns tipos têm 2 ou mais rotores e outros são simétricos, o que permite alterar o sentido de rotação, para uniformizar o desgaste dos martelos e das placas. B – Britador de Pinos (Figura 6): uma variante do britador de martelos. Os menores têm dois discos horizontais com pinos verticais. O disco inferior gira em alta velocidade com os pinos para cima. O disco superior é fixo e tem os pinos para baixo. A alimentação é feita por um furo central existente no disco fixo. Os maiores têm os discos verticais, prestando-se para o britamento de diversos produtos químicos, fertilizantes e materiais frágeis não abrasivos.

Figura 6 - Britador de pinos

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A operação pode ser contínua com descarga centrífuga do produto ou em batelada. O produto é fino e uniforme. A granulometria é controlada variando-se a distância entre os discos e pelo ajuste da velocidade. Este britador também pode ser empregado como moinho. C – Britador de Barras ou Gaiolas (Figura 7): parecido com os dois anteriores, sendo utilizado como desintegrador de materiais sem muita resistência mecânica e que podem ser úmidos e pegajosos para serem britados em outros tipos de máquinas. Usa-se para carvão, calcáreo, fertilizantes, pedras de cal e materiais fibrosos. Os rotores são verticais e os pinos são trocados por barras de aço de ligas especiais. Cada rotor forma uma espécie de gaiola circular, podendo haver várias gaiolas concêntricas (no máximo 8) girando em sentidos contrários. O sólido é alimentado pela parte superior e atravessa as gaiolas que giram em alta velocidade. A fratura do material ocorre por impactos múltiplos com as barras. O produto sai pela parte inferior da máquina.

Figura 7 – Britador de barras ou gaiolas.

D – Britador de Rolos: normalmente é instalado depois de um britador de mandíbulas ou giratório. É fabricado em diversos tamanhos. Sua construção é simples e robusta. O modelo mais conhecido é o de dois rolos lisos (Figura 8), que também podem ser estriados. Consta de dois rolos horizontais, sendo um montado em apoios ajustáveis, que giram em sentidos opostos e à mesma velocidade e a folga entre eles pode ajustar-se de acordo com a dimensão da alimentação e a dimensão desejada do produto. Como a máquina atua sob a ação de molas, ela está protegida contra danos causados por material muito duro. Geralmente um dos rolos é acionado diretamente e o outro pelo atrito com os sólidos. O diâmetro dos rolos varia de 10 cm a 2 m e a largura de 3 a 80 cm. A velocidade periférica varia de 60 a 500 m/min, para rotações de 45 a 220 rpm.

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Figura 8 – Britador de rolos.

Este equipamento é apropriado para uma pequena redução de tamanho numa única operação. É muito aplicável na produção de sólidos granulares grosseiros (10-15 mesh), produzindo pouco material fino quando bem operado. Exemplos: sementes oleaginosas, indústria da pólvora e materiais abrasivos. E – Britador de Rolo Único Dentado (Figura 9): o rolo se movimenta no interior de uma carcaça. A fratura é feita pelo impacto contra os dentes do rolo e o britamento secundário é realizado pelo aprisionamento dos fragmentos produzidos, seguido de compressão contra uma bigorna curva presa à carcaça por meio de parafusos de aço, contra a ação de um conjunto de molas resistentes. Muito usada para o britamento de sólidos laminados, como calcáreo, dolomita, fosfato, cimento e xisto.

Figura 9 – Britador de rolo único dentado.

F – Britador Cônico (Figura 10): parecido com o giratório, porém de capacidade menor e tanto a alimentação quanto o produto são mais finos. Pode ser instalado no lugar de um britador giratório ou de rolos e realiza, num só estágio, uma redução de tamanho que poderia ter sido feita em mais estágios.

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Tem um rotor cônico que gira a mais ou menos 500 rpm no interior de uma carcaça revestida internamente com placas apertadas contra o rotor por meio de molas resistentes. Se o britador entupir ou receber peças inquebráveis, as molas cedem. A alimentação é feita pela parte superior e o produto sai pela parte lateral inferior.

Figura 10 – Britador cônico.

G – Moenda: também pode ser chamado de mó ou galga (Figura 11). Consta de um ou dois rolos pesados de granito, concreto ou ferro fundido que rolam no interior de uma panela reforçada. Os dois rolos giram em tono de um eixo horizontal ligado ao eixo principal vertical localizado no centro da panela.

Figura 11 – Mó, moenda ou galga.

Alimentado pelo centro, o material é britado por compressão sob os rolos, deslocando-se para a borda da panela. Um raspador retorna continuamente o material das paredes para a zona de britamento.

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Às vezes funcionam como misturadores, sendo aplicações típicas o preparo de tintas, argilas, areia para machos de fundição, massas pegajosas e produtos farmacêuticos. O diâmetro varia de 1,5 a 3 m, com pedras de 70 cm a 1,5 m de diâmetro e largura de 10 a 50 cm e que pesam de 1 a 15 t o par. MOINHOS A – Moinhos centrífugos de atrito: todos os modelos empregam a força centrífuga para lançar o material a moer contra a superfície de moagem. O elemento de moagem rola sobre o material que está sendo moído, realizando uma dupla ação de moagem: compressão e atrito. Os tipos mais comuns são:

o Moinho Babcock (Figura 12): utiliza a força centrífuga para a redução de tamanhos. Emprega esferas de aço que giram a alta velocidade entre dois anéis circulares. O anel inferior gira e o superior é estacionário.

Figura 12 – Moinho Babcock em corte.

No moinho Babcock, o material úmido é alimentado no centro do moinho e chega por ação centrífuga à parte periférica, onde é moído entre as esferas e os anéis. Um ventilador na parte superior do moinho retira o material moído cuja granulometria atingiu a especificação. O tamanho do sólido é controlado pela velocidade de alimentação e pela velocidade do ar. Aplicações: moagem de carvão, matérias primas para a fabricação de cimento, rocha fosfática e calcáreo para agricultura além de minério de cromo.

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o Moinho Lopulco ou Sturtevant (Figura 13): usado para produzir materiais finamente divididos (carvão, rocha fosfática, produtos químicos e farmacêuticos, cimento e corantes); também podem moer materiais explosivos, pois não há qualquer risco de faísca pelo atrito entre os elementos de moagem. Dois rolos de moagem com a forma de troncos de cone são apertados por molas (determinam a força de esmagamento disponível) contra um anel plano de moagem, mas não chegam a encostar o anel. Os rolos podem ser móveis, sendo o anel fixo com a mesa giratória. Quando o produto atinge a granulometria desejada, um ventilador arrasta as partículas pela parte superior do moinho.

Figura 13 - Moinho Lopulco.

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B – Rebolo (Figura 14): a moagem é realizada entre duas pedras horizontais pesadas circulares, uma das quais é fixa. A outra gira em torno de seu eixo. O material é alimentado por cima, através de um furo central na pedra superior, sendo moído por atrito entre as duas pedras, cuja superfície é áspera. O produto sai lateralmente por ação da força centrífuga. Usa-se para moer cereais, pigmentos, produtos farmacêuticos, cosméticos, cortiça, mica e amido. Aos poucos está sendo substituído pelo moinho de rolos.

Figura 14 – Rebolo

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C – Moinho de Rolos Dentados (Figura 15): usado para moer materiais de resistência média que devem ser reduzidos a pó fino, como a farinha de trigo ou o carvão. A ação de moagem é principalmente de corte, ao contrário dos britadores de rolos que trabalham por compressão. O número de rolos é variável, podendo haver um só, dois rolos sucessivos ou opostos, girando em sentidos opostos e com velocidades diferentes (razão de 3:1), ou mais de dois. A superfície dos rolos é corrugada ou dentada. A alimentação é feita por cima e o material moído sai por baixo. Como os rolos giram a velocidades diferentes, a redução de tamanho é feita por uma combinação de forças compressivas e de corte. Muito usado para a moagem de farinha e fabricação de pigmentos de tintas.

Figura 15 – Moinho de rolo dentado.

D – Moinho de Bolas (Figura 16 a e b): o tipo mais comum consta de um tambor cilíndrico rotativo com o comprimento aproximadamente igual ao diâmetro e, em operação, está parcialmente cheio de bolas, com o eixo horizontal ou com um pequeno ângulo. O material é alimentado no tambor e, à medida que este gira, as bolas são levantadas até um certo ponto para depois caírem diretamente sobre o material a moer.

Figura 16.a – Moinho de bolas.

Figura 16.b – Interior do moinho de bolas.

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A operação pode ser batelada, sendo a alimentação e a descarga feitas através de uma abertura na superfície lateral do tambor, ou contínua, quando a alimentação é feita por uma extremidade, sendo a descarga feita automaticamente pela extremidade oposta através de uma peneira. A superfície interna do cilindro deve ser revestida com um material resistente à abrasão (aço manganês, pedra ou borracha). Nos moinhos revestidos com borracha verifica-se menos desgaste e o coeficiente de atrito entre as bolas e o cilindro é maior do que com revestimento de aço e pedra. As bolas podem ser de aço, porcelana, pedra, ferro ou outro material conveniente, geralmente com diâmetro entre 1 e 10 cm. A regra prática adotada é usar bolas de diâmetro igual a 10 – 20 vezes o diâmetro do material alimentado. A carga de bolas ocupa de 30 a 50% o volume do moinho. Se a rotação for muito baixa, as bolas apenas rolam no interior do moinho e a ação de moagem é bastante reduzida. À medida que a velocidade aumenta, as bolas são levadas até posições cada vez mais elevadas e a ação de moagem torna-se mais intensa. Porém uma rotação crítica do tambor a partir da qual as bolas começam a centrifugar e então a ação de moagem cai a valores muito baixos. E – Moinho Hardinge (Figura 17): é um moinho de bolas no qual as bolas se agregam por tamanhos. A parte principal do moinho é cilíndrica, como o moinho de bolas comum, a extremidade de saída é cônica e afunila no sentido do ponto de descarga. As bolas grandes se reúnem na parte cilíndrica, enquanto que as bolas menores se colocam espontaneamente por ordem decrescente na parte cônica. Assim, o material é moído pela ação de bolas sucessivamente menores. Não se sabe exatamente como ocorre a segregação das bolas de dimensões diferentes, mas sugere-se que, se as bolas estiverem inicialmente misturadas, as grandes atingirão uma velocidade de queda um pouco maior e, por isso, chocam com a superfície inclinada do moinho antes das menores e, em seguida, escorrem para a seção cilíndrica. A capacidade de um moinho Hardinge é maior do que a de um moinho de bolas de tamanho semelhante e produz um produto mais fino e mais uniforme, com um menor consumo de energia, mas é difícil escolher a velocidade ótima devido à variação de diâmetro. Muito utilizado para a moagem de cimento, combustíveis, sílica, talco, ardósia, entre outros.

Figura 17 – Moinho Hardinge

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F – Moinho de Energia Fluida: ou moinhos a jato, constituem uma classe interessante de dispositivos para efetuar a redução de tamanho de sólidos. Sob a ação de jatos de ar comprimido ou vapor, as partículas movimentam-se rapidamente no interior do moinho, moendo-se mutuamente por choques sucessivos. O vapor usado é de 7 a 35 kgf/cm2 e 250 a 400°C. O ar comprimido mais comum é de 7 kgf/cm2. Um equipamento muito usado é o Reductionizer, sendo formado por um tubo fechado, com diâmetro de 1 a 8 in, com a forma mostrada na Figura 18.

Figura 18 - Moinho de Energia Fluida

Os jatos tangenciais causam movimento rápido das partículas, que se moem em conseqüência dos choques múltiplos com as paredes e de umas com as outras. Ao atingir a granulometria especificada, a partícula dirige-se para a parede e sai automaticamente do equipamento, sendo captada num ciclone. Servem para moer talco, grafite, pigmentos, inseticidas, argila, cosméticos, sulfato de cálcio e corantes orgânicos. MOINHOS COLOIDAIS Os moinhos como da Figura 19 são usados para produzir suspensões e emulsões com partículas ou gotículas menores do que 1µm. Um moinho coloidal comum consta de um rotor cônico e um estator separado de 0,5 a 7,5 mm um do outro; sendo que o rotor gira a alta velocidade (3000 a 15000 rpm). A suspensão, com partículas de mais ou menos 100 mesh de diâmetro, é introduzida a partir de um funil e projetada para fora por ação centrífuga, e a redução de tamanhos efetua-se à medida que ela passa entre as superfícies de trabalho; sendo que a ação é predominantemente de atrito e corte.

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Figura 19 – Moinho coloidal

Os moinhos a jato, já vistos, também podem funcionar como moinhos coloidais, porém o produto é mais grosseiro (1 a 10µm). O consumo de energia destes equipamentos é bastante elevado em virtude da extrema finura que se quer atingir. Os moinhos de discos também podem ser utilizados como moinhos coloidais, desde que a separação entre os discos seja suficientemente reduzida e a velocidade supere a dos tipos convencionais. BIBLIOGRAFIA: COULSON & RICHARDSON ; “Chemical Engineering – Vols. 1 & 2”. Pergamon

Press. (ou em português, “Tecnologia Química – Vols. 1 & 2”. Ed. Fund. Calouste Gulbenkian)

GOMIDE ; “Operações Unitárias – Volume 1 e 3”. Edição do Autor, (1988).

GOMIDE ; “Manual de Operações Unitárias”. Edição do Autor.

Mc.CABE & SMITH ; "Unit Operation of Chemical Engineering". Editora McGraw-Hill.

PERRY & CHILTON ; “Manual de Engenharia Química”. Ed. Guanabara Dois, 5a

Edição, (1980). (ou qq edição em inglês, preferencialmente da 5a a 7a)