4-Leitos Fixo e Fluidizado

4.1 Introdução:

Na indústria química, frequentemente, são utilizados equipamentos onde um

fluido escoa através de partículas sólidas. Essas partículas sólidas agem como um

obstáculo à passagem deste fluído, ocasionando uma queda de pressão, devido ao atrito,

que aumenta com o aumento da velocidade. Ao aumentar ainda mais a velocidade do

fluido, os canais de passagem formados pelo mesmo aumentam e as partículas sólidas

ficam mais separadas, iniciando a fluidização do leito de sólidos (FOUST et al., 1982,

p.).

Se um fluido passa ascendentemente através de um leito de partículas finas, a

uma baixa vazão, o fluido apenas percola os espaços entre as partículas estacionadas.

Este é um leito fixo (TANNOUS et al., 2012). Em contrapartida, se o fluido passar a

altas velocidades haverá um aumento dos canais de passagem, separando ainda mais as

partículas sólidas. Nesse ponto, iniciasse a fluidização do leito de sólidos, pois estes

perdem suas características e passam a se comportar como fluidos. Neste caso, temos

um leito fluidizado (ROITMAN, 2002, p. 27).

4.1.2 Tipos de fluidização

Existem dois tipos de fluidização, a particulada e a agregativa. A fluidização

particulada ocorre, principalmente, quando o fluido é um líquido, enquanto a fluidização

agregativa ocorre quando o fluido é um gás (ROITMAN, 2002, p. 27).

Na fluidização particulada, o início do processo é caracterizado por um rearranjo

das partículas de forma a oferecer maior área livre para o escoamento, porém sem que

as partículas percam o contato entre elas (ROITMAN, 2002, p. 27).

Na fluidização agregativa, o início é caracterizado por um fenômeno semelhante

à ebulição, ou seja, bolhas de gás atravessam o leito sólido e rompem-se na superfície,

empurrando as partículas de sólido para cima (ROITMAN, 2002, p. 27).

4.2 Objetivos:

Operar o equipamento de leito fluidizado por líquido;

Determinar partir dos dados experimentais a perda de carga no leito e a

velocidade mínima de fluidização e comparar os resultados com equações

empiricas

4.3 Materiais e Métodos:

4.3.1 Materiais:

Figura 4.1:Fotografia do leito fluidizado por líquido com seus acessórios;1) Coluna do leito fluidizado

com esferas de vidro, tubo central de acrílico. 2) Sonda de pressão. 3) Válvula agulha “D” para a retirada

de ar das linhas de pressão. 4) Conjunto motor-bomba. 5) Duto de sucção da bomba. 6) Válvula gaveta

“E” da linha de recalque da bomba. 7) Flange com a tela suporte do leito de esferas e tomadas de pressão

da base do leito, acima da tela de suporte. 8) Válvula agulha “F” da tomada de pressão acima da tela de

suporte do leito. 9) Tanque com solução azul de metileno. 10) Tubo em “U” com tetracloreto de carbono

(CCl4) para estudo da perda de carga do leito. 11) Válvula agulha “G” do manômetro com tetracloreto de

carbono (CCl4). 12) Retorno da solução de azul de metileno para o tanque, ponto de tomada da vazão.

4.3.2. Metodologia:

Anote a massa de esferas de vidro adicionada no leito (fornecida pelo professor)

Ligue a bomba e abra lentamente a válvula (E) conectada na saída da mesma

(uma vazão exagerada pode deslocar o fluido do manômetro para fora do

mesmo) até o enchimento do leito;

Retire as bolhas de ar de todas as tubulações (se houver necessidade). Para

retirar o ar dos dutos siga o método a seguir:

o Fixe a sonda de pressão, por exemplo, com a base da sonda a 30cm da tela

de suporte do leito de esfera;

o Feche todas as válvulas (D, E, F e G) (ATENÇÂO – as válvulas são de

agulha e necessitam de POUCO aperto para fechar. A válvula E é de

gaveta);

o Ligue a bomba;

o Abra lentamente a válvula E;

o Abra totalmente a válvula G do tubo em U e abra lentamente a F para retirar

o ar dos dutos tomando cuidado para que o tetracloreto de carbono (CCl4)

não saia do tubo em U (se necessário, abra a válvula D lentamente).

Acompanhe a saída do ar pela base da sonda;

o Feche a válvula D e, em seguida, a G (ATENÇÂO: a válvula “D” deve ser

fechada antes que a G para não pressurizar a linha e retirar o tetracloreto do

tubo em U). Abra a válvula F e desligue a bomba. A unidade está pronta

para as medidas da perda de carga do leito e, para isto, ligue a bomba e abra

lentamente a válvula gaveta E;

Feche a válvula E na saída da bomba e a abra lentamente até o início da

fluidização do leito, marcandu no tubo em U do ∆P do distribuidor a diferença

de nível do tetracloreto de carbono (CCl4) no ponto que inicia a fluidização.

Divida esta diferença de nível em 3 partes até a vazão zero (3 vazões com leito

fixo). Marque outras 3 vazões acima do ponto de início da fluidização (perda de

carga praticamente constante) e um ponto com as esferas acima da sonda (queda

na perda de carga);

Feche a válvula da saída da bomba;

Provoque uma vibração no leito para recompactar os sólidos. Tenha cuidado ao

efetuar esta operação;

Meça para cada um dos sete pontos na operação de expansão do leito

(aumentando-se a vazão):

o A altura da coluna de tetracloreto de carbono (CCl4) no tubo em “U” do ∆P

do distribuidor (htetra);

o As vazões de cada ponto (massa por unidade de tempo);

o A altura do leito (L);

Meça a temperatura da água.

Anote o tipo de fluidização: a partícula ou agregativa.

Repita as medidas do passo anterior para a contração do leito diminuindo-se a

vazão para obter h’tetra, ∆P’ e L’ (se houver exigência pelo professor);

Retire as esferas do leito e determine a altura da coluna de tetracloreto de

carbono (CCl4) do tubo em “U” do ∆P do distribuidor para os seis pontos se for

de interesse os estudos do comportamento do distribuidor (se houver exigência

pelo professor);

Abra totalmente a válvula “G” do manômetro com tetracloreto de carbono

(CCl4), desligue a bomba e esgote a água da unidade;

Meça o diâmetro das esferas e o diâmetro interno do leito “D”. (a densidade das

esferas deve ser determinada utilizando o método do deslocamento de fluido por

uma massa de esferas em uma proveta).

4.3.3Tratamento de Dados:

A) A partir dos dados experimentais obtidos, construa:

A curva da perda de carga do leito (∆P) em função da velocidade superficial

(u);

sondaOHCClOHCCl HgHgP 2424 )( Eq. 4.1

A curva do log∆P em função de logu;

A curva da altura do leito (L) em função da velocidade superficial (u);

B) Determine a partir das curvas obtidas no item A) e dos resultados

experimentais:

A porosidade mínima (Ԑ)

L

LL 0 Eq. 4.2

A altura mínima de fluidização (Lmf);

A porosidade mínima de fluidização (Ԑmf);

mf

mf

mfL

LL 0 Eq. 4.3

Onde 0L é a altura do leito sem vazios (baseado no volume ocupado pelo sólido

relacionando a massa das esferas de vidro, a densidade das mesmas e o diâmetro interno

do leito).

A velocidade mínima de fluidização (umf);

A perda de carga mínima de fluidização(∆Pmf) pelo balanço de forças;

gLP lsmfmfmf ))(1( Eq. 4.4

A perda de carga mínima de fluidização (∆Pmf) pela equação de Ergun.

Pmf

mf

P

mf

mf

mf

mfmfD

u

D

uLP

mf

2

3223

2 )1(75.1

)1(150 Eq. 4.5

Onde é a esfericidade das partículas com valores de 0 a 1 (0 para partículas disformes

e 1 para esferas)

C) Determine pela correlação de Pavlov, Romankov e Noscov:

A velocidade mínima de fluidização (umf);

lP

mf

mfD

u

Re Eq. 4.6

2

3

2

3

)(22.51400

)(

Re

lslP

lslP

mf

gD

gD

Eq. 4.7

A porosidade de mínima fluidização (Ԑmf);

21.0

2

3

2

)(

Re36.0Re18

lslP

mfmf

mfgD

Eq. 4.8

Altura mínima de fluidização (Lmf).

mf

mf LL

1

1 Eq. 4.9

Onde

D) Determine pela correlação de Wen e Yu:

A velocidade mínima de fluidização(umf);

l

lslP

P

mf

gD

D

u

7.33)(

0408.07.33

2/1

2

3

2

Eq.

4.10

E) Determine o tipo de fluidização pela correlação de Wilhelm e Kwauk:

gD

u

P

mf

mf

2

Fr Eq.

4.11

Se Frmf<0.13 =>Fluidização particulada

Frmf>1.30 =>Fluidização agregativa

4.4 Referências Bibliográficas:

FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B.

Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. LTC, Rio de Janeiro, 1982.

TANNOUS, K.; ROCHA, A. B.; SILVA, F. S.; SILVA, R. P.; ROSSINI, G. H.;

CARVALHO, T. A.; SOUZA, L. N.; MIRANDA, V. H. S. Leito fluidizado. Disponível

em: http://www.fluidizacao.com.br/pt/home.php?pgi=credito.php. Acesso em: 11 de

out. 2013.

ROITMAN, V. Curso de formação de operadores de refinaria: operações unitárias.

Curitiba: PETROBRAS :UnicenP, 2002. 50 p.

Tabelas: Leitos Fixo e Fluidizado

Massa de esferas:

Altura da sonda:

Massa do recipient:

Expansão do Leito

Os pontos 1, 2 e 3 devem ser de leito fixo, o ponto 4 deve ser de início de fluidização e os

pontos 5, 6 e 7 de leito fluidizado.

Ponto L (m) m (kg) t (s) ∆𝐻𝐶𝐶𝑙4 (m)

1

2

3

4

5

6

7

Contração do Leito

Os pontos 7, 6* e 5* devem ser de leito fluidizado, o ponto 4* deve ser de mínimo de

fluidização e os pontos 3*, 2* e 1* de leito fixo.

Ponto L (m) m (kg) t (s) ∆𝐻𝐶𝐶𝑙4 (m)

7

6*

5*

4*

3*

2*

1*