Fragmentação de sólidos

Operações Unitárias I – UFPB

Elaine SantosRenata Rodrigues

Marcos MoraisMariana Behar

A fragmentação de sólidos é uma operação unitária que tem por objetivo reduzir o tamanho dos fragmentos de determinado material.

Fragmentação de sólidos, redução de tamanho, moagem ou cominuição é definida como a quebra mecânica de sólidos em partículas menores sem mudar o seu estado de agregação.

Inclui processos como esmagar, moer, picar, porcionar, entre outros.

Os tipos de forças comumente usados são:•Compressão;•Impacto;•Atrito;•Corte.

Algumas aplicações dessa operação:

• Fabricação de medicamentos;• 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;• Fabricação do café.

OBJETIVOS DA REDUÇÃO DE TAMANHO

Aumentar as superfícies: (Reações químicas; Extração; Secagem)

Diminuir o tamanho para separar dois ou mais constituintes:

Modificar propriedades de um material: Ex: Reatividade química; cor (intensidade); especificação de produtos comerciais.

Mistura mais íntima entre dois sólidos: Ex: produtos farmacêuticos em pó.

Auxiliar em outras etapas de utilização do produto

Mecanismo de Redução de tamanho

Compressão: A tensão é aplicada entre duas superfícies sólidas que podem ser as superfícies do moinho ou as superfícies de duas partículas adjacentes. Exemplos: britadores de mandíbulas.

2. Impacto: Tensão em uma superfície, sólida que pode ser exercida pelo choque com partes do moinho ou pela colisão entre partículas, provocada pela alteração da energia cinética relativa. Exemplos: moinhos de impacto

e de energia fluida.

3. Atrito (abrasão): Tensão entre duas superfícies sólidas provocada por uma pressão vertical em um lado e pelo movimento circular ou não circular sobre a superfície. Exemplo: almofariz, pilão, moinhos de disco.

4. Corte e/ou dilaceramento: Tensão entre duas ou mais superfícies cortantes. Os cortadores são colocados verticalmente em lados opostos. Em muitos casos existe um cortador fixo e o outro

que move. Exemplos: moinhos de facas.

Classificação Tamanho da partícula

Pós 1 μm até 0,5 mm

Sólidos granulares 0,5 a 10 mm

Blocos pequenos 1 a 5 cm

Blocos médios 5 a 15 cm

Blocos grandes > 15 cm

Tabela 01 - Classificação de acordo com o tamanho dos sólidos

Propriedades dos sólidos a serem moidos

Dureza: afeta o consumo de energia e o desgaste da máquina. Com materiais duros e abrasivos é preciso usar máquina de baixa velocidade e proteger os apoios da poeiras abrasivas formadas. Recomenda-se lubrificação sob pressão.

Estrutura: os materiais granulares normais, como carvão, minérios e rochas podem triturar-se eficientemente com o uso das forças normais de compressão, impacto, etc. Para materiais fibrosos é necessário efetuar uma ação de rompimento.

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 aglutinarem formando bolas. A moagem pode ser satisfatória fora destes limites.

Resistência ao Esmagamento: a potência necessária para o esmagamento é quase que diretamente proporcional à resistência do material ao esmagamento.

Friabilidade: é a sua tendência a fraturar-se durante o manuseamento normal. Em geral, um material cristalino quebrará ao longo de planos bem definidos e a potência necessária pra o esmagamento aumentará à medida que o tamanho da partícula diminui.

Empastamento: um material pegajoso tenderá a entupir o equipamento de moagem e, por isso, deverá ser moído numa instalação que possa ser rapidamente limpa.

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.

Equipamentos

Os equipamentos podem funcionar empregando um ou mais tipos de atuação da força simultaneamente. Existe uma grande variedade de equipamentos, que podem ser classificados de acordo com o tamanho das partículas de alimentação e do produto.

Britadores: fragmentação de partículas de tamanho grande para médio;

Moinhos: redução de partículas médias a pós finos.

Principais tipos de redutores de tamanho

Moinhos quebradores (partículas grossas e finas)1. Triturador de maxila 2. Triturador giratório3. Moinho de rolos

Trituradores (tamanho intermediário e fino)1. Moinho de martelos2. Moinho de rolos de compressão3. Moinhos de discos de atrito4. Moinho com tambor e bolas

Trituradores Ultrafinos1. Moinho de bolas com classificação

interna◦ 2. Trituradores que usam fluidos

auxiliares◦ 3. Moinhos giratórios

Trituradores de corte 1. Moinho de facas 2. Escova de pinos

Classificação dos Equipamentos

Britadores x Moinhos

ALIMENTAÇÃO PRODUTO

BRITADORES

PrimáriosSecundários

10 cm – 150 cm0,5 – 5 cm

0,5 – 5 cm0,1 – 0,5 cm

MOINHOS

FinosColoidais

0,2 – 0,5 cm80 mesh

200 meshAté 0,01 µ

Tabela 02 – Classificação dos equipamentos conforme as dimensões das partículas de alimentação e dos produtos

Características da Moagem

No que consiste o processo da moagemVantagens da moagem

 A moagem é uma operação unitária de redução de tamanho, em que o tamanho médio dos alimentos sólidos é reduzido pela aplicação de forças de impacto, compressão e abrasão.

As vantagens da redução de tamanho no processamento são:

Aumento da relação superfície /volume;Uniformidade do tamanho das partículas do

produto, auxiliando na homogeneização de produtos em pó ou na solubilização dos mesmos.

Leis da divisão dos sólidos

Objetivo

Estimar a energia dissipada durante o processo de fragmentação dos sólidos.

Partem da equação diferencial que relaciona o trabalho elementar necessário para fragmentar a unidade de massa do sólido (dw) com a variação de tamanho (dD).

Lei de Rittinger (n=2)

Lei de Kick (n=1)

Lei de Bond (n=1,5)

Lei de Rittinger

“ O trabalho necessário para fragmentar o sólido é proporcional ao aumento da superfície produzida”

Considera-se D1 o diâmetro inicial da partícula que é moída até o diâmetro D2;

C Capacidade do britador;K Constante experimental ( depende do tipo de britador e do tipo de material utilizado)

Aplica-se a segunda fase da fragmentação (moagem fina)

Lei de Kick

“ O trabalho necessário para fragmentar um sólido é função logarítmica da razão entre os tamanhos inicial e final dos fragmentos.”

Aplicável na primeira fase do britamento (moagem grossa).

Lei de Bond

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

Tome W é a energia consumida e Wi é o índice de trabalho do material (Varia com a natureza do sólido)

Resolução de Exercícios

Objetivo

Resolução de exercícios em sala de aula

Consome-se 30 Hp para moer 140 t/h de um material qualquer, sendo reduzido de 2 mm para 1 mm. Qual a energia necessária para moer 120 t/h do mesmo material, mas sendo reduzido de 1 mm para 0,5 mm ? Utilize o modelo de Bond.

ftftE

ton

HP

DDE

T

Pi

Fp

i 33 10.56,6

1

10.28,3

146,1

min/33,2

301146,1

Processo #1:

tonkWhEi /72,1

Considerando agora o mesmo índice de trabalho Ei para o Processo #2 tem-se:

ftftton

P

DDE

T

P

Fp

i 33 10.28,3

1

10.64,1

1)72,1.(46,1

min/2

1146,1

HPP 3,36

Aplicação na Industria de Alimentos na

Fabricação do Café

Existe uma inúmera variedade de café no mercado. Além de diferirem no tipo de grão, diversos tipos de moagem existem fazendo com que estes se adequem ao gosto do consumidor.

Após torrar os grãos inicia-se o processo de moagem. Esta deve ser o mais precisa possível pois o tamanho do grão afeta o tempo de extração do café, a fragrância, a acidez e a sua suavidade. Ao moer os grãos é aumentada a sua superfície de contato, logo eles devem ser armazenados logo após a moagem, para impedir a perda do seu aroma e a sua deterioração em contato com o oxigênio.

Tipos de Moinhos

•Moinho de Discos•Moinho de Rolos

•Moinho de Faca de Martelo•Moinho de Rebarba•Moinho de Lâmina

Uma moagem apropriada dos grãos de café assume uma enorme importância na extração de uma chávena de café exclusiva. Para moer corretamente os grãos de café é necessário conhecer os tipos de moinhos existentes no mercado.

Moinhos de DiscoGeralmente usado para moagem de granulação

fina, são pequenos e de difícil regulagem. São os mais comuns no Brasil.

Moinhos de RolosMais utilizado na moagem de café para uso caseiro,

fornece um produto de textura mais uniforme. A distância entre os rolos, que giram em sentidos opostos, é regulável e deve ser ajustada às condições da matéria prima, da torrefação e do próprio sistema de extração. É mais utilizado nos Estados Unidos.

Moinho de faca e de marteloProduzem um material mais fino que o moinho de

rolos. Para moagem do café torrado destinado à extração de pó solúvel, o moinho de rolos é o mais indicado, sendo também utilizados os moinhos de facas e martelos e os de disco. Normalmente os moinhos de facas e martelos apresentam melhores resultados do que os de disco para este fim.

Moinho de RebarbaOs moinhos de rebarba têm a capacidade de

triturar os grãos de café de uma maneira muito mais fina do que os demais e isso é, uma enorme vantagem na preparação de um café espresso ou café turco. Este tipo de moinho tem dois tipos de lâminas: planas e cónicas. Ambas apresentam uma moagem consistente, apesar da lâmina cónica ser mais eficaz por causar menos atrito e eletricidade estática. Os moinhos de rebarba oferecem a possibilidade de escolher o tamanho do café moído.

Moinhos de LâminaOs moinhos de lâmina são os mais econômicos e

duradouros do mercado, no entanto, a sua moagem não é tão eficaz como a que é feita pelo moinho de rebarba. Este tipo de moinho apresenta uma moagem consistente na preparação de um café de prensa, de filtro, de cafeteira, entre outros.

Contudo, não deve ser utilizado para extrair um café expresso, pois os grãos de café não ficam com a espessura apropriada e isso vai fazer com que a sua chávena de café fique com um sabor desagradável.

É de realçar que os moinhos de lâmina têm a vantagem de serem portáteis e de ocuparem pouco espaço

Tipos de moagem

•Moagem Extra fina•Moagem Fina

•Moagem Média•Moagem Grossa

MOAGEM EXTRA FINA

A moagem extra fina dos grãos de café deve ser utilizada na preparação do café turco, uma vez que o pó do café não é coado. Este tipo de café é preparado numa caçarola turca (ibrik), onde os grãos de café moídos são misturados com água quente e açúcar.

Trata-se de um tipo de moagem exclusiva que possibilita a extração de uma chávena de café única e original.

MOAGEM FINAA moagem fina dos grãos de café deve ser utilizada nas

máquinas de café expresso uma vez que possibilita a preparação de um café forte, amargo, encorpado e cremoso, à boa maneira italiana.

Trata-se de um tipo de moagem que é muito usada na extração de um café expresso, pois os grãos finos oferecem uma maior resistência à passagem da água quente e isso realça os gostos e os aromas de uma determinada safra de café.

O tempo de preparação ideal de um café expresso é de 25 a 30 segundos e se o café demorar mais ou menos tempo a ser extraído é necessário regular a moagem dos grãos.

MOAGEM MÉDIAA moagem média, como o próprio nome indica, situa-se

entre a moagem fina e a moagem grossa dos grãos de café. Trata-se de um tipo de moagem que deve ser utilizada na preparação de um café com uma prensa francesa.

Ao utilizar grãos de café moídos com uma espessura média, conseguirá preparar um café mais suave e aromatizado.

O método da prensa francesa, obriga a água quente a entrar em contato com os grãos de café moídos durante um período máximo de 3 minutos e esse tempo é suficiente para que todas as características principais dos grãos de café sejam absorvidas.

MOAGEM GROSSA

A moagem grossa dos grãos de café deve ser utilizada na preparação de um café de cafeteira mocha. Este método de moagem permite a extração de um café saboroso, forte e encorpado.

Os grãos de café moídos são colocados no filtro do café, onde a água sobe e absorve todos os aromas e sabores principais de um determinado tipo de café.