Em um primeiro momento foram realizados experimentos com o intuito de avaliar, de forma qualitativa, os efeitos do equipamento, no caso um tambor rotatório, e das diferenças de diâmetro, massa específica e condições iniciais do material particulado no interior do tambor, sobre o fenômeno de segregação.
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77 Na Figura 4.14 serão apresentadas, após um tempo necessário para se atingir um estado estacionário, imagens transversais, com suas respectivas imagens longitudinais, do tambor rotatório sob diferentes condições de velocidade de rotação e grau de preenchimento. Neste caso (configuração M1 mostrado na Tabela 3.1), utilizou-se partículas de mesmo diâmetro e mesma massa específica (metade pintada de cor branca e a outra metade de cor preta) com o intuito de avaliar, apenas, o efeito do equipamento no processo de mistura.
Figura 4.14: Efeito do equipamento (Configuração M1 da Tabela 3.1) sobre a segregação em função da velocidade de rotação (ω) e do grau de preenchimento (f) – (a, b, c, d, e, f) análise
transversal; (a’, b’, c’, d’, e’, f’) análise longitudinal.
Nota-se que, independentemente das condições operacionais, ao fim de um tempo suficientemente longo (em torno de 20 min), o leito de partículas em questão atingiu um estado de mistura aleatória. Como era de se esperar, visto que não há diferença nas propriedades físicas dos materiais, não se observou nenhuma tendência de segregação radial, nem axial, entre as partículas.
Logo, fica evidente que, qualquer possível efeito de segregação devido a uma modificação na propriedade física das partículas, analisado a seguir, será atribuído, tão somente, à influencia desta diferença e não ao equipamento em si.
Para a análise do efeito da diferença de diâmetros, experimentos foram realizados utilizando-se a configuração M2, cujos resultados são mostrados na Figura 4.15. Vale lembrar aqui que, para estes experimentos, empregou-se como condição inicial das partículas no
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interior do tambor, o esquema lado-a-lado (Figura 3.8). A razão de diâmetros utilizada, definida aqui como sendo o diâmetro da partícula maior sobre o diâmetro da partícula menor, foi de, aproximadamente, 5,6.
Nota-se que, devido à diferença de diâmetros, as partículas menores tendem a se concentrarem no centro do leito de material, formando um verdadeiro núcleo, enquanto que as partículas maiores se acumulam na periferia ao redor deste núcleo central (Figura 4.15a, b, c, d, e, f).
Figura 4.15: Efeito da diferença de diâmetros (Configuração M2 da Tabela 3.1) sobre a segregação em função da velocidade de rotação (ω) e do grau de preenchimento (f) – (a, b, c,
d, e, f) análise transversal; (a’, b’, c’, d’, e’, f’) análise longitudinal.
A segregação radial ocorre, principalmente, devido ao mecanismo de percolação, no qual as partículas menores tendem, sob a ação da combinação da força peso e forças internas geradas pelo movimento do leito, a percorrerem o espaço deixado pelas partículas maiores (Chou et al., 2010; Huang e Kuo, 2012).
Como pode-se observar, o fenômeno de segregação radial foi mais intenso quando da utilização do maior valor de grau de preenchimento (f = 50%).
Um aumento na velocidade de rotação causou, para ambos os graus de preenchimento, o surgimento do fenômeno da segregação axial. Visto que as partículas menores possuem um ângulo de repouso menor do que as partículas maiores e, consequentemente, possuem uma maior escoabilidade, o surgimento de uma pequena inclinação do material próximo às paredes
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79 laterais, promovida pelo efeito de parede, permitiu uma migração destas partículas menores, do núcleo transversal (próximo às paredes frontal e traseira do tambor), em direção ao centro longitudinal do tambor.
Para todas as condições, a segregação radial, ao contrário da segregação axial, ocorreu após poucas rotações do tambor.
No caso do grau de preenchimento de 50%, nota-se que, para os menores valores de velocidade de rotação (0,59 e 1,10 rad/s), não se observa a presença, definida, de bandas axiais, exceto quando do uso da maior velocidade de rotação (1,77 rad/s).
Por outro lado, quando se utiliza um grau de preenchimento de 25%, mesmo empregando o menor valor de velocidade de rotação (0,59 rad/s), já se observa a formação de duas bandas axiais próximas às paredes do tambor, sendo que, a distância entre elas diminui com o aumento da velocidade de rotação até que, sob o maior valor de velocidade de rotação, ocorre uma fusão entre as bandas compondo, agora, uma única banda larga central. Neste caso, percebe-se que todas as partículas menores migraram para o centro longitudinal do tambor (não se observa mais um núcleo radial).
Logo, a segregação radial, quando da diferença de diâmetros de partículas, é intensificada pelo aumento do grau de preenchimento e/ou diminuição da velocidade de rotação. A segregação axial, por outro lado, é intensificada pela diminuição do grau de preenchimento e/ou aumento da velocidade de rotação do tambor.
Uma investigação acerca do fenômeno de segregação devido à diferença de massas específicas entre as partículas (configuração M3) foi realizada, experimentalmente, utilizando-se uma razão de massa específica de 2,1, definida como a razão entre o valor da maior massa específica pelo valor da menor massa específica. Os resultados obtidos, como uma função da velocidade de rotação e do grau de preenchimento, são mostrados na Figura 4.16.
Neste caso, nota-se, independente dos valores de velocidade de rotação e grau de preenchimento, a formação, bem definida, de um núcleo central composto pelas partículas que possuem maior valor de massa específica. As partículas com o menor valor de massa específica tiveram um comportamento semelhante às partículas com maior diâmetro, como mostrado anteriormente na Figura 4.15, concentrando-se ao redor do núcleo central.
Observações semelhantes quanto à segregação radial promovida pela diferença de massas específicas foram reportadas na literatura (Sanfratello e Fukushima, 2009), validando,
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desta forma, a suposição feita neste trabalho, o qual considerou a configuração M3 como sendo uma análise somente do efeito da massa específica (as diferenças de diâmetro e rugosidade superficial entre os materiais foram consideradas desprezíveis).
Figura 4.16: Efeito da diferença de massas específicas (Configuração M3 da Tabela 3.1) sobre a segregação em função da velocidade de rotação (ω) e do grau de preenchimento (f) – (a, b,
c, d, e, f) análise transversal; (a’, b’, c’, d’, e’, f’) análise longitudinal.
À primeira vista, não se observou uma variação da segregação radial com a variação do grau de preenchimento nem da velocidade de rotação do tambor para a razão de massas específicas, aqui, considerada.
Como pode ser visto por meio da Figura 4.16, a diferença tão somente da massa específica entre as partículas, independente das condições de velocidade de rotação e grau de preenchimento, não causou segregação axial. Ao invés de bandas axiais, observou-se uma mistura aleatória ao longo da superfície longitudinal do leito. Um comportamento semelhante deste tipo de mistura foi, também, observado por Sanfratello e Fukushima (2009).
Finalmente, experimentos adicionais foram realizados com o intuito de analisar o efeito da condição inicial do material no interior do tambor rotatório. Na Figura 4.17 serão apresentados os resultados da investigação da segregação radial (plano transversal do tambor), utilizando-se da configuração M4, para dois diferentes esquemas de condição inicial, lado-a- lado e inferior-superior, enquanto que a Figura 4.18 mostra os mesmos resultados, porém, analisados longitudinalmente (segregação axial).
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81 Figura 4.17: Efeito da diferença de condição inicial (Configuração M4 da Tabela 3.1) sobre a segregação radial em função da velocidade de rotação (ω) e do grau de preenchimento (f) – (a,
b, c, d, e, f) esquema lado-a-lado; (a’, b’, c’, d’, e’, f’) esquema inferior-superior. No caso do emprego do grau de preenchimento de 25%, não se observou uma variação significativa no comportamento da segregação radial frente a uma mudança da disposição inicial do material no interior do tambor, independentemente da velocidade de rotação do tambor (Figura 4.17).
Já para o caso da segregação axial, ainda utilizando um grau de preenchimento de 25%, observa-se que o efeito da condição inicial foi mais pronunciado para altos valores de velocidade de rotação, sendo que, para o esquema lado-a-lado, a distância entre as duas bandas axiais foi menor do que no esquema inferior-superior e, neste esquema, na maior velocidade rotação, não ocorreu a fusão entre bandas, mas tão somente a presença de duas bandas separadas (Figura 4.18).
Vale ressaltar que, a partir deste estado, o qual foi considerado aqui como um estado de equilíbrio, não houve mais nenhuma mudança no comportamento da mistura independe do tempo de rotação.
Tanto no caso do uso da velocidade de rotação intermediária (1,10 rad/s) quanto da maior velocidade de rotação (1,77), nota-se que, para o grau de preenchimento de 50%, houve uma maior concentração de partículas pequenas no núcleo radial quando se utilizou o
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esquema lado-a-lado do que quando do emprego do esquema inferior-superior, não se observando o mesmo para a menor velocidade de rotação (0,59 rad/s).
Figura 4.18: Efeito da diferença de condição inicial (Configuração M4 da Tabela 3.1) sobre a segregação axial em função da velocidade de rotação (ω) e do grau de preenchimento (f) – (a,
b, c, d, e, f) esquema lado-a-lado; (a’, b’, c’, d’, e’, f’) esquema inferior-superior. Isto pode ser justificado quando se observa a mesma condição, porém, longitudinalmente (Figura 4.18), onde a intensidade da migração das partículas pequenas para o centro longitudinal foi intensificada pela mudança da condição inicial, visto que as partículas pequenas já se encontravam sobre a superfície do leito no tempo t = 0. Neste caso nota-se a formação de duas bandas axiais bem definidas na superfície do leito, a partir da velocidade intermediária.
Ao final do processo de mistura no caso da maior velocidade de rotação (1,77 rad/s), percebe-se a formação de duas bandas axiais no esquema inferior-superior e a formação de apenas uma banda axial no esquema lado-a-lado (Figura 4.18a, a’, d, d’).
Logo, a disposição inicial do material no interior do tambor é de grande importância quando da consideração do fenômeno de segregação, principalmente para altos valores de velocidade de rotação. O esquema lado-a-lado levou à formação de apenas uma banda axial, enquanto o esquema inferior-superior, de duas bandas axiais, quando utilizou-se altas
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83 velocidades de rotação, independente do grau de preenchimento. Desta forma, o número de bandas axiais formadas na superfície do leito parece se correlacionar, dentre outras variáveis, com a disposição inicial do material no interior do tambor.