artigo de reator 2

Laboratório de Engenharia Química IProf. Johnson Pontes de Moura

27 de março de 2014Viçosa, MG, Brasil

ENGENHARIA DE FLUIDIZAÇÃO: RECOBRIMENTO E GRANULAÇÃO

Carolina1;Fernada2;Gabryela3; Kamila4; Mariana Tito Teixeira5

1 Univiçosa – Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Curso de Engenharia Química2 Univiçosa – Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Curso de Engenharia Química3 Univiçosa – Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Curso de Engenharia Química4 Univiçosa – Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Curso de Engenharia Química5 Univiçosa – Faculdade de Ciências Biológicas e da Saúde, Curso de Engenharia Química

RESUMO – A qualidade de produtos sólidos é determinada por sua composição química e suas propriedades físicas. Portanto, processos de recobrimento e granulação estão sendo explorados cada vez mais a fim de aprimorar estas técnicas, buscando melhorias em características que vão desde estéticas até funcionais. Um fator importante no recobrimento de partículas são as variáveis de processos, pois influenciam significativamente na qualidade do produto final. A granulação possui quatro tipos de mecanismos, sendo eles: nucleação, coalescência, crescimento e formação de camadas. São várias as tecnologias existentes em fluidização, destacando-se leito de jorro, fluidização não convencional, leito de Wuster e leito fluidizado rotativo. Em vista disso, serão apresentados uns fabricantes e seus respectivos equipamentos e características.

1. INTRODUÇÃO

A necessidade de recobrir ou granular as partículas está relacionada às mais distintas finalidades, de acordo com os objetivos de cada produto. Possui inúmeras aplicações na indústria química, farmacêutica, agrícola e de alimentos, como por exemplo, mascarar o sabor, odor ou cor indesejável no produto, protegê-lo de agentes ambientais, facilitar manipulação evitando contaminação ou fraturas e melhorar estética.

O recobrimento de partículas por meio fluidizado é o mais popular, sendo que esse processo recobre partículas sólidas com uma ótima transferência de calor. O liquido de recobrimento é espalhado sobre as partículas e a evaporação rápida ajuda à formação de uma capa externa nas partículas.

O processo de recobrimento apresenta varias aplicações, por exemplo, na indústria farmacêutica esta relacionada com melhorar a aparência do medicamento, protege-lo de agentes físicos, químicos ou microbiológicos onde o recobrimento reduz a um mínimo a possibilidade de contaminação do produto. No caso de sementes o recobrimento tem sido usado para inocular e fornecer nutrientes necessários ao crescimento da planta.

Fatores como temperatura, velocidade e umidade do ar de fluidização influenciam significativamente na velocidade de evaporação do agente de recobrimento que interfere na formação da película que reveste a partícula. A vazão de suspensão aspergida é escolhida com base nos seguintes fatores: a velocidade de evaporação, capacidade de adesão da suspensão da partícula e o tempo de residência das partículas na zona de atomização do leito.

O tamanho das gotículas aspergidas é determinado pela atomização, pressão e o volume de ar. O mecanismo de recobrimento é apresentado na Figura 1.



A granulação é o processo onde ocorre o aumento de tamanho de uma partícula, devido às mudanças na superfície do material particulado causado pelas forças de ligação que existem por um material ligante ou pela mesma força entre partículas.

Figura 1 – Recobrimento de comprimidos. (Fonte: EDUARDO, 1993)

A granulação possui quatro mecanismos de crescimento: Nucleação: ocorre quando um o dois núcleos sólidos se formam e mantêm-se junto

através de pontes liquidas no estado pendular. Coalescência: ocorre quando dois sólidos colidem entre si e coalesncem,

permanecendo unidas causando um aumento por granulação. Crescimento: partículas são aderidas formando um primeiro grânulo, na seqüência

outras partículas se juntam ao aglomerado já formado e assim aumentando de tamanho.

Formação de camadas: o crescimento de partículas por formação de camadas ocorre em torno a um núcleo, onde partículas de menor tamanho colidem e aderem formando camadas concêntricas.

Os mecanismos de granulação são apresentados na Figura 2.

(a) Processo de nucleação. (b) Processo de coalescência.

(c) Processo de crescimento. (d) Processo de formação de camadas. Figura 2 – Mecanismos de granulação

(Fonte: GOMES, 2004)



2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DE OPERAÇÃO

Recobrimento de Partículas:Neste processo existem três tipos de atomizar o liquido de recobrimento: top spray, quando o atomizador está na parte superior do leito; bottom spray, quando o atomizador está na parte de baixo do leito; tangential spray, quando esta tangencialmente ao leito de partículas.No sistema de recobrimento top spray as partículas sólidas são movimentadas pelo fato do

leito, possuindo eficiente recobrimento e prevendo a formação de aglomerados. No sistema bottom spray usa-se um compartimento na placa distribuidora onde tem um cilindro injetor que faz o espalhamento do líquido de recobrimento e na parte de cima, vem uma placa separadora “draft” onde o liquido de recobrimento começa a se espalhar pelas superfícies das partículas.

No sistema tangencial spray, um disco que vai virando, movimentando as partículas fazendo que elas se dirijam ate o atomizador que é colocado tangencialmente ao leito de partículas, fazendo um bom recobrimento de partículas.

Granulação de partículas:

Os granuladores de leito fluidizado são semelhantes em operação aos secadores de leito fluidizado. As partículas de pó são injetadas com um fluxo de ar co-corrente com o liquido. A homogeneização do material em pó é feita por meio de ar aquecido e filtrado que é soprado e exaustado para dentro do sistema. Depois o liquido é aspergido por um atomizador por acima da massa de pós. Esse líquido faz uma aderência primária nas partículas quando as gotículas do atomizador fazem colisão com o pó seco. Em todo o processo tem fuga de material que vai ser realimentado ao equipamento mediante filtros exaustores ou ciclones, tendo aspergida uma determinada quantidade de liquido dependendo da faixa granulométrica desejada, quando essa faixa é alcançada o atomizador é desligado deixando a fluidização continuar com o ar quente para proporcionar a secagem dos grânulos.

3. TECNOLOGIAS EXISTENTES

Leito de Jorro: Consiste basicamente de uma coluna cilíndrica de base cônica, contendo partículas

sólidas entre a faixa de dp >1mm, e de um orifício de entrada do fluido na parte inferior central da base cônica.

O fluido (gás ou líquido) é injetado no orifício de entrada localizado na base, provocando um fluxo de partículas para a região central da coluna e em seguida são jorradas para a cima tendo forma de cogumelo caindo na região periférica anular.

No leito de jorro, a intensa mistura favorece um alto grau de contato fluido-partícula e a obtenção de uma elevada taxa de circulação de sólidos. A transição de fase para obter o leito de jorro pode-se obter aumentando a velocidade do fluido passando de um leito fixo a jorro, e se aumenta ainda mais a velocidade do fluido passaria a um leito borbulhante e posteriormente a um regime “slugging”, como mostrado na Figura 6.



Para que o leito de jorro ocorra existe uma altura máxima de jorro Hmj, acima da qual não ocorre jorro e sim uma má fluidização. A velocidade mínima de jorro num leito pode estar 50% acima da velocidade de mínima fluidização Umf.

Figura 3 - Transição de regimes.(Fonte: MATHUR e GISHLER, 1974)

Fluidização Não Convencional:O sistema pulso-fluidizado é um modo especial de operação do leito fluidizado

convencional, em que a vazão de gás é variada periodicamente com o tempo. Os benefícios da fluidização pulsada incluem redução no desvio de gás e na formação de canais preferenciais, permite trabalhar com maior variedade de partículas, contribuindo para um melhor contato gás-sólido.

De acordo com a Figura 3, pode-se observar três tipos de comportamento neste processo: para freqüências baixas existe uma fluidização intermitente, para uma freqüência intermediária existe uma fluidização de tipo pistão e uma fluidização plena quando as freqüências de pulsação são muito elevadas.

Figura 4 - Comportamento da vazão do ar.(Fonte: WANG e RHODES, 2005)

Já no pulso-rotativo, possui uma estrutura semelhante ao leito fluidizado, porém o distribuidor de gás está dividido em duas partes: um prato perfurado e um disco rotativo. O prato perfurado serve de suporte para o leito fixo e permite a distribuição de gás. O disco rotativo distribui o gás em toda a seção do prato perfurado permitindo que se formem altas velocidades do gás em todos os orifícios do disco.

Os equipamentos utilizados nesses tipos de leitos são apresentados na Figura 5.



Figura 5 - (a) Equipamento usado por Gawrzynski,1996; (b) Equipamento usado por Elenkov e Djurkov,1997.

Leito Wuster:

Possui uma coluna cilíndrica onde o bico atomizador está na parte inferior da placa distribuidora e acima dela está o draft, onde as partículas recebem uma pequena parte de recobrimento uniforme devido aos movimentos repetitivos. Porém, isto leva a um elevado atrito sofrido pelas partículas devido à alta velocidade atingida no draft, o qual pode causar danos na superfície da partícula.

Se o bico atomizador ficar no topo do leito de partículas, o recobrimento se faz no sentido contrário ao movimento das partículas, porém a uniformidade é menos que no leito Wuster.

Figura 6 – Leito Wuster, SEM REFERENCIA

Leito Fluidizado Rotativo:

Possui um rotor acima da placa distribuidora. O ar é alimentado através das aberturas entre o rotor e as partes internas, permitindo um movimento helicoidal ao redor do fundo do equipamento. Os bicos atomizadores são localizados nas partes laterais da estrutura.

(a) (b)



Watano e outros estudaram um leito fluidizado que melhorou a qualidade de fluidização através da ação da força centrífuga, fazendo com que o ar fluísse radialmente para dentro do distribuidor. O equipamento utilizado é apresentado na Figura 7.

Figura 7 - Equipamento usado por Watano e outros.(Fonte: Watano et. al., 2004)

4. FABRICANTES DOS EQUIPAMENTOS

Glatt’s Companie:A empresa Glatt’s Companie, fundada em 1954, foi a primeira planta de leito

fluidizado. Apresenta alta gama de tecnologia que envolve recobrimento, granulação e secagem de produtos.

Uma forma de fazer o recobrimento de partículas é o film coating, onde o spray é espalhado na partícula, depois ocorre o processo de adesão e por fim uma cristalização por secagem tendo como resultado uma partícula recoberta. A empresa oferece três equipamentos diferentes para tal fim:

Fluid Bed Coating (Top Spray Coating, Bottom Spray Coating, Rotor Coating); Drum Coating; Spouted Bed Technology.

Outro modo de recobrimento é o Hot Melt Coating, que faz o recobrimento com uma substancia derretida e quente, sendo espalhada com um atomizador sobre as superfícies das partículas tendo que congelar a substância depois da adesão. Esse método permite um rápido e uniforme recobrimento, não evaporação do material requerido e proteção contra umidade. A empresa oferece dois equipamentos:

Fluid Bed Coating (Top Spray Coating, Bottom Spray Coating, Rotor Coating) Spouted Bed Technology

Outro método de recobrimento é o recobrimento açucarado, onde serve para mascarar o sabor do produto e também é usado para partículas frágeis e sensíveis ao fenômeno de temperatura. O equipamento sugerido pela empresa é o Drum coating.

Na tecnologia de granulação a empresa apresenta três métodos, tipo blackberry, granulação snowball e granulação tipo onion.



Para a estrutura blackberry, a granulação é feita com material particulado, permitindo estrutura porosa com excelente solubilidade e a distribuição de tamanho é controlável.Os equipamentos sugeridos por eles são:

Batch Fluid Bed Systems; Continuous Fluid Bed Systems.

Para a estrutura de snowball, a granulação é feita com material particulado. O processo de formação é muito rápido e permite a formação de grânulos muito estáveis e compactos. O equipamento utilizado é o Vertical Granulators.

E a estrutura onion é construída com liquido, fazendo secagem e recobrimento simultaneamente, tendo como resultado um grânulo. O produto final é compacto, tendo boa solubilidade e pouca abrasão. Os equipamentos utilizados são:

Continuous Fluid Bed Systems; Spouted Bed Systems; Batch Fluid Bed Systems (Wurster).

Na Figura 8 é apresentado um equipamento utilizado em recobrimento, as Drageadeiras (Drum Coating) (a) e um equipamento utilizado na granulação, os Granuladores Verticais (b).

Figura 8 – Equipamentos da empresa Glatt, (a) Drageadeiras; (b) Granuladores Verticais (Fonte: Glatt)

Erivero Representações LTDA:

Fundada em 2001, formece equipamentos destinados à fabricação de produto sólido, líquido ou viscoso, principalmente nas indústrias alimentícia, cosmética, farmacêutica e química. Os equipamentos fornecidos são:

Granuladores por via úmida; Granuladores/secadores de leito fluidizado para bateladas de 15 a 500 kg; Granuladores/secadores de leito fluidizado para bateladas de 1, 5 ou 15 kg, por via

úmida.

Na Figura 9 é apresentado um Granulador/secador de leito fluidizado para bateladas de 15 a 500 kg. Produz grânulos secos a partir de mistura úmida de pós ou a partir de mistura seca de pós com adição de agente aglomerante líquido.

(a) (b)



Figura 9 – Glanulador/Secador de leito fluidizado.(Fonte: Erivero)

5. CONCLUSÕES

Os processos de recobrimento e granulação são de grande importância nas indústrias químicas, farmacêuticas, alimentícias e agrícolas. Eles conferem características desejáveis aos produtos finais, como por exemplo, mascarar o sabor, odor ou cor indesejável no produto, protegê-lo de agentes ambientais, facilitar a manipulação evitando contaminação ou fraturas, melhorar estética, proteger sólidos contra produtos sólidos, retardar o princípio ativo de um medicamento, dentre outros.

Em vista disso, esses processos vendo sendo estudados cada vez mais em busca de eficiência e eficácia em seus produtos. E as empresas disponibilizam uma gama de equipamentos para realizar tais procedimentos de acordo com o método utilizado e a produção desejada.

6. REFERÊNCIAS

GOMES, R., Caracterização Fluidodinâmica no Recobrimento de Celulose Microcristalina Em Leito Fluidizado, Campinas – SP. FEQ/DTF/UNICAMP, 2004. Dissertação de mestrado.

MATHUR, K E GISHLER, N., Spouted Beds, Academic Press, 1974.

WANG, X E RHODES., M, Pulsed Fluidization – a DEM study a fascinating phenomenon.Powder Technology V 159. p 142-149, 2005

GAWRZYNSKI, Z., GLASER, AR., ZAGORZALEWICZ, J., PELECH, Z., Operational Test of A Pulsed Fluid Bed Dryer/Cooler. Proceedings of the 10th international drying symposium, Drying96, v.B, p 888-886, 1996

ELENKOV, V., DJURKOV, T., A Fluidized Bed with a Jet Pulsed Agitation Of Fluidization.Chemical and process engineering, p 120-136, 1997

http://www.erivero.com.br/produtos.asp

www.glatt.com.br

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