Avaliação dos parâmetros operacionais para aquecimento e bombeamento de uma solução polimérica utilizada na indústria química

Abstract

Na indústria, é comum a utilização de soluções poliméricas e polímeros fundidos em diversos processos: do preparo de misturas à produção de materiais por extrusão e injeção. Neste contexto, um dos grandes desafios inerentes a esta operação é o bombeamento de fluidos que possuem viscosidades elevadas. Desta forma, é comum que o fluido seja aquecido antes ou durante a etapa de bombeamento, visando reduzir a sua viscosidade, viabilizando seu processamento. Neste trabalho, o processo estudado foi o aquecimento de uma solução polimérica à base de silicone acondicionada em tambor metálico, utilizando uma estufa industrial. Esta etapa é realizada antes do bombeamento da solução para um misturador, onde o insumo é utilizado como matéria-prima. Os objetivos deste estudo consistem em avaliar a influência da temperatura sobre a viscosidade dinâmica e a massa específica do fluido, bem como sobre o fator de atrito do escoamento. Além disso, o processo de aquecimento do tambor no estado transiente foi modelado, viabilizando o cálculo do tempo de residência necessário para atingir a temperatura adequada para o bombeamento. A primeira parte do estudo consistiu na análise da viscosidade dinâmica da solução polimérica em diferentes temperaturas (faixa de 10 a 80 °C) utilizando um viscosímetro rotacional digital, modelo DV2T LV, marca Brookfield. Em seguida, a massa específica da solução foi medida, para o mesmo intervalo de temperatura, utilizando um densímetro digital, modelo DMA 4100M, marca Anton Paar. Desta forma, foi possível calcular o fator de atrito de Darcy para o escoamento, considerando a correlação para regime laminar, definindo-se uma temperatura adequada para o bombeamento. Para a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção, calculou-se o número de Nusselt por meio da correlação de Churchill e Bernstein. Para a modelagem do aquecimento do tambor no estado transiente, considerou-se a solução analítica da equação de calor para geometria tipo cilindro curto. Os resultados obtidos demonstraram que a temperatura exerce uma influência considerável na viscosidade, visto que foi observada uma redução de viscosidade superior a 70 % no intervalo de temperatura avaliado. Para a massa específica, a redução observada foi cerca de 6 %. Em relação ao fator de atrito para o escoamento da solução polimérica, evidenciou-se uma redução de, aproximadamente, 75 %, na faixa de temperatura estudada. Em relação à transferência de calor na estufa, verificou-se que o coeficiente convectivo é de 1,2 W.m-2.K-1. Com a modelagem do aquecimento do tambor no estado transiente, foi observada uma alta resistência do fluido à convecção e, como consequência, uma distribuição de temperatura não uniforme no interior do tambor. Considerando-se uma temperatura de 55 °C como adequada para o processo, os tempos de residência do tambor na estufa foram de 20,5, 14,8 e 4,2 horas para temperaturas iniciais iguais a 10, 25 e 35 °C, respectivamente.

In the industry, polymer solutions and molten polymers are widely used in different processes: from the preparation of mixtures to the production of materials by extrusion and injection. In this context, one of the greatest challenges inherent to these operations is fluid pumping since they generally have high viscosities. Therefore, the fluid is usually heated before or during the pumping stage, to reduce its viscosity and enable its processing. In this work, the process studied was the heating of a silicon polymer solution drum in an industrial heating chamber, carried out before its pumping into a stirred tank mixer, where the fluid is used as a raw material. The objectives of this study were to evaluate the influence of temperature on the dynamic viscosity and specific weight of the fluid, as well as on the friction factor of the flow. In addition, the process of heating the drum in the transient state was modeled, to calculate the residence time required to reach the appropriate temperature for pumping. The first part of the study consisted of the analysis of the polymer solution’s dynamic viscosity at different temperatures (a range from 10 to 80 °C) using a digital rotational viscometer, model DV2T LV, Brookfield. Then, the specific mass of the solution was measured, in the same temperature range, using a digital densimeter, model DMA 4100M, Anton Paar. With this, it was possible to calculate the Darcy friction factor for the flow, considering the correlation for laminar regime, and an adequate temperature for pumping was defined. To determine the convective heat transfer coefficient, the Nusselt number was calculated using the Churchill and Bernstein correlation. For the drum heating modelling in the transient state, the analytical solution of the heat equation for short cylinder geometry was considered. The results obtained showed that the temperature exerts a considerable influence on the dynamic viscosity since it decreased more than 70 % in the evaluated temperature range. For the specific weight, the observed reduction was about 6 %. Regarding the friction factor of the polymeric solution flow, there was a reduction of approximately 75 % in the temperature range studied. For the heat transfer inside the heating chamber, it was found that the convective coefficient is 1.2 W.m-2.K-1. The drum heating modelling on the transient state has shown high resistance of the fluid to convection and, as a consequence, a non-uniform temperature distribution inside the drum. Considering a temperature of 55 °C as adequate for the process, the residence times of the drum in the heating chamber varied between 20.5, 14.8, and 4.2 hours when the initial temperatures were equal to 10, 25, and 35 °C, respectively.