Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Genaro, Luana Boger
Orientador(a): Béttega, Rodrigo lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/21600
Resumo: Iron ore is the primary raw material for steel production. In Brazil, once extracted from the mines, the ore is transported by rail to ports, where it is loaded onto ships for export. Throughout these stages, the high moisture content of the material can cause operational challenges, such as pipeline blockages, conveyor belt misalignment, and difficulties in the pelletizing process. Moreover, if the ore’s moisture content exceeds the Transportable Moisture Limit (TML), the cargo may be rejected, preventing its shipment. Currently, iron ore drying technologies are being researched, focusing on the implementation of convective dryers for this purpose. However, due to the injection of hot air at high flow rates and the particle size distribution of the ore, the top stream of these devices may carry away particulate material with residual moisture. In this context, the objective of this study is to evaluate the potential of using a cyclone separator as a dryer for mining products through bench-scale testing and computational simulation. To theoretically estimate the feeding conditions of an industrial cyclone, mathematical modeling and simulation of the iron ore drying process in the pneumatic conveyor connecting the convective dryer to a cyclone battery, were performed. In the bench-scale cyclone drying experiments, the influences of air velocity and temperature, feed moisture content, and solid feed rate on the moisture content of the ore collected at the cyclone underflow were evaluated. Additionally, using the Eulerian Granular model, a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the continuous drying process in the cyclone was conducted. To determine mass transfer coefficients, fixed-bed drying experiments and thin-layer mathematical modeling were performed. In the fixed-bed and thin-layer drying experiments, the diffusive models showed good agreement for temperatures of 60, 70, and 80 °C. The effective mass diffusivity values obtained ranged between 1.75·10-9 m²·s-1 and 8.25·10-9 m²·s-1 for the convective diffusive model. In the thick-layer fixed-bed drying experiments, moisture and temperature gradients were observed at different axial positions of the bed. The theoretical estimates from the pneumatic conveyor drying simulation indicated that particles with diameters greater than 50 µm, which are carried by the air, tend to retain residual moisture when reaching the cyclone battery. In the cyclone drying experiments, the smallest reduction in the moisture content of the ore collected at the underflow was 70 %, achieved at a drying temperature of 80 °C, a solid feed moisture content of 0.10 kgwater·kgwet solid−1, and a solid feed rate of 18.3 gwet solid ·s−1. For the other drying conditions, the moisture content of the ore collected at the underflow was close to zero. These results highlight the high potential of using a cyclone separator as an iron ore dryer. The CFD simulation results aligned with the physical and experimental expectations for the iron ore drying process in the cyclone.
id SCAR_10f1abd84911ee647648ca77d0b36ecb
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21600
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Genaro, Luana BogerBéttega, Rodrigohttp://lattes.cnpq.br/1379682125857376http://lattes.cnpq.br/3049425547851128https://orcid.org/0000-0001-7288-3787https://orcid.org/0000-0002-5647-53852025-03-19T20:02:07Z2025-02-21GENARO, Luana Boger. Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21600.https://hdl.handle.net/20.500.14289/21600Iron ore is the primary raw material for steel production. In Brazil, once extracted from the mines, the ore is transported by rail to ports, where it is loaded onto ships for export. Throughout these stages, the high moisture content of the material can cause operational challenges, such as pipeline blockages, conveyor belt misalignment, and difficulties in the pelletizing process. Moreover, if the ore’s moisture content exceeds the Transportable Moisture Limit (TML), the cargo may be rejected, preventing its shipment. Currently, iron ore drying technologies are being researched, focusing on the implementation of convective dryers for this purpose. However, due to the injection of hot air at high flow rates and the particle size distribution of the ore, the top stream of these devices may carry away particulate material with residual moisture. In this context, the objective of this study is to evaluate the potential of using a cyclone separator as a dryer for mining products through bench-scale testing and computational simulation. To theoretically estimate the feeding conditions of an industrial cyclone, mathematical modeling and simulation of the iron ore drying process in the pneumatic conveyor connecting the convective dryer to a cyclone battery, were performed. In the bench-scale cyclone drying experiments, the influences of air velocity and temperature, feed moisture content, and solid feed rate on the moisture content of the ore collected at the cyclone underflow were evaluated. Additionally, using the Eulerian Granular model, a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the continuous drying process in the cyclone was conducted. To determine mass transfer coefficients, fixed-bed drying experiments and thin-layer mathematical modeling were performed. In the fixed-bed and thin-layer drying experiments, the diffusive models showed good agreement for temperatures of 60, 70, and 80 °C. The effective mass diffusivity values obtained ranged between 1.75·10-9 m²·s-1 and 8.25·10-9 m²·s-1 for the convective diffusive model. In the thick-layer fixed-bed drying experiments, moisture and temperature gradients were observed at different axial positions of the bed. The theoretical estimates from the pneumatic conveyor drying simulation indicated that particles with diameters greater than 50 µm, which are carried by the air, tend to retain residual moisture when reaching the cyclone battery. In the cyclone drying experiments, the smallest reduction in the moisture content of the ore collected at the underflow was 70 %, achieved at a drying temperature of 80 °C, a solid feed moisture content of 0.10 kgwater·kgwet solid−1, and a solid feed rate of 18.3 gwet solid ·s−1. For the other drying conditions, the moisture content of the ore collected at the underflow was close to zero. These results highlight the high potential of using a cyclone separator as an iron ore dryer. The CFD simulation results aligned with the physical and experimental expectations for the iron ore drying process in the cyclone.O minério de ferro é matéria prima base para a produção do aço. No Brasil, após extraído junto às minas, o minério é transportado por ferrovias até os portos onde é embarcado em navios para a exportação. Nestas etapas, os elevados valores de umidade do material podem criar dificuldades como o entupimento de linhas, desalinhamento de correias e dificuldades na pelotização. Além disso, se o minério apresentar umidade acima da TML (Transportable Moisture Limit), a carga pode ser recusada e impedir o embarque do produto nos navios. Atualmente, tecnologias de secagem do minério de ferro vêm sendo pesquisadas, baseando-se na instalação de secadores convectivos para a secagem desse material. Entretanto, devido à injeção de ar quente em altas vazões e da granulometria do minério, a corrente de topo destes equipamentos pode arrastar o material particulado com umidade residual. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é avaliar o potencial da utilização do ciclone separador como secador de produtos de mineração, a partir de testes de bancada e da simulação computacional. Para obter uma estimativa teórica das condições de alimentação do ciclone industrial foi realizada a modelagem matemática e a simulação da secagem do minério de ferro no transportador pneumático, que conecta o secador convectivo a uma bateria de ciclones. Nos experimentos de secagem em ciclone de bancada, foram avaliadas as influências da velocidade e da temperatura do ar, da umidade de alimentação do minério e da vazão de alimentação dos sólidos sobre a umidade do minério coletado no underflow do ciclone. Além disso, utilizando o modelo Euleriano Granular foi realizada a simulação por CFD (Computational Fluid Dynamics) do processo de secagem do minério de ferro no ciclone operando de forma contínua. Para a determinação dos coeficientes de transferência de massa, experimentos de secagem em leito fixo, bem como a modelagem matemática em camada fina foram conduzidos. Na secagem em leito fixo e camada fina, os modelos difusivos apresentaram bons ajustes para as temperaturas de 60, 70 e 80 °C. Os valores de difusividade mássica efetiva obtidos variaram entre 1,75·10-9 m²·s-1 e 8,25·10-9 m²·s-1 para o modelo difusivo convectivo. Na secagem em leito fixo em camada espessa, foram observadas a formação de gradientes de umidade e de temperatura para diferentes posições axiais do leito. Os resultados obtidos a partir das estimativas teóricas da simulação da secagem no transportador pneumático, mostraram que partículas com diâmetros superiores a 50 µm e que venham a ser arrastadas pelo ar tendem a apresentar umidade residual ao alimentar a bateria de ciclones. Para a secagem em ciclone, a menor redução da umidade do minério coletado no underflow foi de 70 %, obtida para temperatura de secagem de 80 °C, umidade de alimentação dos sólidos no valor de 0,10 kgágua·kgsólido úmido-1 e a vazão de alimentação dos sólidos de 18,3 gsólido úmido·s-1. Para as demais condições de secagem, a umidade do minério coletado no underflow apresentou valores próximos de zero. Estes resultados enfatizaram o elevado potencial de utilização do ciclone separador como secador de minério de ferro. Os resultados de simulação da secagem por CFD foram condizentes com o esperado fisicamente e experimentalmente para a secagem do minério de ferro no ciclone.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)001140614/2021-4porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAMinério de ferroSecagemCicloneModelagem matemáticaSimulação computacionalSecagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagemConvective drying of iron ore fines: application of a cyclone separator as drying equipmentinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTese-Luana_Boger_Genaro.pdfTese-Luana_Boger_Genaro.pdfapplication/pdf10856933https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e1b59124-6ac3-45aa-9e54-03fa6237109b/download636f60354073ee48ed29cbd3ed7a2705MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8905https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/441918f4-22e0-42cd-9946-5059b1122ecf/download57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0MD52falseAnonymousREADTEXTTese-Luana_Boger_Genaro.pdf.txtTese-Luana_Boger_Genaro.pdf.txtExtracted texttext/plain103408https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2f698d10-6f60-445f-8c63-089ca446b9a6/download75ecb386bc6f4400eb9cd6b42dff9eb4MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILTese-Luana_Boger_Genaro.pdf.jpgTese-Luana_Boger_Genaro.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3952https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c1229fee-2767-42e7-98a0-a6e5de2173ef/downloade0f6f2b305b889406b05229ecffcf572MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/216002025-03-20 00:15:31.471http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/21600https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-03-20T03:15:31Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.none.fl_str_mv Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Convective drying of iron ore fines: application of a cyclone separator as drying equipment
title Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
spellingShingle Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
Genaro, Luana Boger
ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Minério de ferro
Secagem
Ciclone
Modelagem matemática
Simulação computacional
title_short Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
title_full Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
title_fullStr Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
title_full_unstemmed Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
title_sort Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem
author Genaro, Luana Boger
author_facet Genaro, Luana Boger
author_role author
dc.contributor.authorlattes.none.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/3049425547851128
dc.contributor.authororcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0001-7288-3787
dc.contributor.advisor1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0002-5647-5385
dc.contributor.author.fl_str_mv Genaro, Luana Boger
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Béttega, Rodrigo
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1379682125857376
contributor_str_mv Béttega, Rodrigo
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
topic ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Minério de ferro
Secagem
Ciclone
Modelagem matemática
Simulação computacional
dc.subject.por.fl_str_mv Minério de ferro
Secagem
Ciclone
Modelagem matemática
Simulação computacional
description Iron ore is the primary raw material for steel production. In Brazil, once extracted from the mines, the ore is transported by rail to ports, where it is loaded onto ships for export. Throughout these stages, the high moisture content of the material can cause operational challenges, such as pipeline blockages, conveyor belt misalignment, and difficulties in the pelletizing process. Moreover, if the ore’s moisture content exceeds the Transportable Moisture Limit (TML), the cargo may be rejected, preventing its shipment. Currently, iron ore drying technologies are being researched, focusing on the implementation of convective dryers for this purpose. However, due to the injection of hot air at high flow rates and the particle size distribution of the ore, the top stream of these devices may carry away particulate material with residual moisture. In this context, the objective of this study is to evaluate the potential of using a cyclone separator as a dryer for mining products through bench-scale testing and computational simulation. To theoretically estimate the feeding conditions of an industrial cyclone, mathematical modeling and simulation of the iron ore drying process in the pneumatic conveyor connecting the convective dryer to a cyclone battery, were performed. In the bench-scale cyclone drying experiments, the influences of air velocity and temperature, feed moisture content, and solid feed rate on the moisture content of the ore collected at the cyclone underflow were evaluated. Additionally, using the Eulerian Granular model, a Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation of the continuous drying process in the cyclone was conducted. To determine mass transfer coefficients, fixed-bed drying experiments and thin-layer mathematical modeling were performed. In the fixed-bed and thin-layer drying experiments, the diffusive models showed good agreement for temperatures of 60, 70, and 80 °C. The effective mass diffusivity values obtained ranged between 1.75·10-9 m²·s-1 and 8.25·10-9 m²·s-1 for the convective diffusive model. In the thick-layer fixed-bed drying experiments, moisture and temperature gradients were observed at different axial positions of the bed. The theoretical estimates from the pneumatic conveyor drying simulation indicated that particles with diameters greater than 50 µm, which are carried by the air, tend to retain residual moisture when reaching the cyclone battery. In the cyclone drying experiments, the smallest reduction in the moisture content of the ore collected at the underflow was 70 %, achieved at a drying temperature of 80 °C, a solid feed moisture content of 0.10 kgwater·kgwet solid−1, and a solid feed rate of 18.3 gwet solid ·s−1. For the other drying conditions, the moisture content of the ore collected at the underflow was close to zero. These results highlight the high potential of using a cyclone separator as an iron ore dryer. The CFD simulation results aligned with the physical and experimental expectations for the iron ore drying process in the cyclone.
publishDate 2025
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2025-03-19T20:02:07Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2025-02-21
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv GENARO, Luana Boger. Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21600.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/20.500.14289/21600
identifier_str_mv GENARO, Luana Boger. Secagem convectiva de finos de minério de ferro: aplicação de um ciclone separador como equipamento de secagem. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21600.
url https://hdl.handle.net/20.500.14289/21600
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e1b59124-6ac3-45aa-9e54-03fa6237109b/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/441918f4-22e0-42cd-9946-5059b1122ecf/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/2f698d10-6f60-445f-8c63-089ca446b9a6/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c1229fee-2767-42e7-98a0-a6e5de2173ef/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 636f60354073ee48ed29cbd3ed7a2705
57e258e544f104f04afb1d5e5b4e53c0
75ecb386bc6f4400eb9cd6b42dff9eb4
e0f6f2b305b889406b05229ecffcf572
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1851688884306444288