- Desgaseificação por ultrassons de metais fundidos até 2 300 °C e de vidro fundido
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Duplicamos o tamanho da bolha e reduzimos a temperatura (Lei de Stoke)
Efeito ultrassónico do tamanho das bolhas na taxa de refinação
O refinamento de vidro fundido assistido por ultrassons pode, potencialmente, ser utilizado para remover bolhas de gás do vidro fundido a temperaturas substancialmente mais baixas do que o processo padrão e, o que é muito importante, sem a necessidade de aumentar os tempos de processamento. Uma vez que o processo de refinamento do vidro fundido consome muita energia, a redução da temperatura de refinamento do vidro proporciona poupanças energéticas significativas. Aqui, demonstramos que o refinamento de vidro por ultrassons tem o potencial de reduzir os custos energéticos totais em até 20%.
Fusão e refinação do vidro
A fabricação de vidro é um processo que consome muita energia e envolve tanto a fusão como o refinamento. A fusão refere-se ao controlo das reações químicas que ocorrem na formação do vidro a partir das matérias-primas, e o refinamento refere-se ao processo de remoção das bolhas do vidro fundido que é formado.
A fusão do vidro de cal e soda é realizada a temperaturas de cerca de 1 300 °C, enquanto o refinamento requer temperaturas significativamente mais elevadas, de cerca de 1 450 °C. A esta temperatura mais elevada, a viscosidade do vidro fundido é suficientemente baixa para permitir que as bolhas presentes no vidro subam até à superfície.
O aumento da temperatura de 1 300 °C até à temperatura de refinação de 1 450 °C consome cerca de 40 % da energia total utilizada em todo o processo de fusão e refinação do vidro. Normalmente, os processos combinados de fusão e refinação demoram aproximadamente 24 horas, consumindo, assim, uma quantidade considerável de energia.
Existe uma forte correlação entre o tamanho das bolhas, a temperatura de refinação do vidro e o tempo. Em termos simples, as bolhas maiores sobem mais depressa do que as mais pequenas; temperaturas de refinação mais elevadas reduzem a viscosidade do vidro fundido; as bolhas sobem mais rapidamente quando a viscosidade é mais baixa. Assim, para melhorar a eficiência do processo de refinação, pretendemos aumentar o diâmetro das bolhas e/ou reduzir a viscosidade do vidro fundido. Como veremos, o refinamento ultrassónico permite-nos aumentar o tamanho das bolhas e removê-las de forma eficiente, sem necessidade de aumentar a temperatura do vidro fundido.
O efeito do tamanho das bolhas na taxa de refinação do vidro assistida por ultrassons
De forma mais formal, se as bolhas de gás se fundissem, então, de acordo com a Lei de Stokes, seria possível manter a mesma taxa de refinação a viscosidades mais elevadas. A Lei de Stokes expressa a força F exercida por uma esfera estacionária de raio R, suspensa num fluido com viscosidade η, que se move a uma velocidade relativa v.
F = 6 π η R v
Podemos utilizar esta relação para demonstrar que duplicar o diâmetro da bolha, por exemplo, de 0,4 mm para 0,8 mm, permitir-nos-ia, teoricamente, atingir a mesma taxa de refinação num vidro fundido com uma viscosidade de 400 Pa, tal como ocorreria com bolhas mais pequenas e uma viscosidade de 100 Pa. Note-se que 0,4 mm é, normalmente, o menor diâmetro de bolha que subiria através de uma profundidade de um metro de vidro fundido em cerca de 16 horas, a uma taxa de 20 micrómetros por segundo.
A relação é evidente no diagrama, que mostra a viscosidade em função da temperatura para um vidro comercial típico. A 1 450 °C, a viscosidade é de 100 Pa, enquanto que a 1 280 °C foi reduzida para 400 Pa. De acordo com a lei de Stokes, a velocidade de subida de uma bolha de 0,4 mm a uma viscosidade de 100 Pa é a mesma que a de uma bolha de 0,8 mm a 400 Pa.
Por outras palavras, ao duplicar o tamanho da bolha, poderíamos atingir a mesma taxa de refinação a uma temperatura reduzida de cerca de 1250 °C. Normalmente, isto permitiria poupar 20 % do custo energético total do processo.
Embora esta análise sugira que podemos obter poupanças energéticas substanciais no processo de refinação ao aumentar o diâmetro das bolhas no vidro fundido, será que isso é viável na prática?
viscosidade em função da temperatura
Indução da coalescência de bolhas através de energia ultrassónica
Os mais recentes avanços no refinamento por ultrassons significam que agora podemos utilizar energia ultrassónica para aumentar o tamanho das bolhas durante o refinamento do vidro. Embora haja vários processos envolvidos, o principal é a cavitação.
A cavitação é um processo de alta energia que altera rapidamente a pressão no vidro fundido, criando cavidades ou vazios de baixa pressão. Esses vazios funcionam como centros de nucleação, para os quais os gases dissolvidos e as bolhas se difundem e acumulam. Na prática, as pequenas bolhas fundem-se, formando bolhas maiores que, como demonstrámos, sobem mais rapidamente até à superfície, onde se dissipam.
Conclusão
O aumento do tamanho das bolhas durante o refinamento do vidro através da utilização de energia ultrassónica permite-nos atingir tempos de refinamento padrão sem necessidade de reduzir a viscosidade do vidro fundido, aumentando a sua temperatura após o processo de fusão do vidro. Isto significa que temos a opção de reduzir os tempos de processamento ou de reduzir a energia utilizada no processo.
Embora a poupança energética potencial varie consoante a indústria e dependa de muitos fatores, incluindo o setor da indústria do vidro e os requisitos de qualidade, é possível obter poupanças energéticas potenciais de até 20 % com o refinamento de vidro assistido por ultrassons. Esta poupança energética oferece um benefício potencial substancial para esta indústria altamente intensiva em energia.