Roteiro Leito Fluidizado Rev A

Universidade de Sorocaba

Engenharia Química

Disciplina: Operações Unitárias

Revisão Descrição

A Versão inicial – Protimu Ltda

Escoamento em Leito Fluidizado

1 Escoamento em Leito Fluidizado....................................................................2

1.1 Objetivo...................................................................................................2

1.2 Fundamentação teórica............................................................................2

1.2.1 Fluidização em Sistema Gás-Sólido..................................................4

1.2.2 Fluidização em Sistema Líquido-Sólido............................................5

1.3 Metodologia.............................................................................................5

1.3.1 Materiais e reagentes..........................................................................5

1.3.2 Procedimento.....................................................................................6

1.4 Tratamento dos dados..............................................................................6

1.5 Discussão dos resultados.........................................................................7

Referências Bibliográficas:....................................................................................8

Engenharia QuímicaEscoamento em Leito Fluidizado

1 Escoamento em Leito Fluidizado

1.1 Objetivo

O objetivo principal deste experimento é estudar o comportamento dinâmico de

sistemas líquido-sólido e gás-sólido através do escoamento de um líquido ou de um gás,

respectivamente, através de um leito com partícula sólida em condição fluidizada. Os

objetivos secundários deste experimento são:

Levantar os gradientes de pressão e velocidade em função do fluxo volumétrico;

Determinar os parâmetros característicos do comportamento do leito fluidizado;

Analisar o comportamento do sistema ensaiado com os modelos apresentados na

literatura.

1.2 Fundamentação teórica

Existem muitas aplicações para as colunas de recheio e os meios porosos em

geral como, por exemplo, absorção de gases, reatores em leito fixo e filtração.

O processo de fluidização do leito é similar ao de liquefação, onde um material

granular é convertido de um estado aglomerado sólido para um estado simular a um

fluido. Este processo é realizado através da passagem de um líquido ou gás, em sentido

ascendente, em um leito de partículas sólidas.

O escoamento do fluido ocorre preferencialmente através dos espaços vazios do

leito granular. Com o aumento da vazão, e consequente aumento da velocidade de

escoamento, as forças de arraste atuam significativamente sobre as partículas sólidas,

causando a expansão do leito devido ao movimento de separação das partículas. Para

velocidades de escoamento acima de um valor crítico as forças de arraste se igualam a

força gravitacional, causando a suspensão das partículas presentes no leito. Se a

velocidade de escoamento continuar aumentando o estado fluidizado se torna mais

violento até que a força de arraste supere a densidade aparente da partícula e a mesma é

arrastada pelo fluido.

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No estado fluidizado o material sólido se comporta como um líquido, permitindo

a separação gravitacional das partículas de diferentes densidades. O estado fluidizado

permite o transporte de material, sólido através de tubos, sem a necessidade de esteiras

de transporte.

O leito fluidizado apresenta uma excelente capacidade de transferência de

massa e de energia entre o meio fluido e o material sólido, colaborando para uma

condição homogênea ao longo do sistema. Esta característica permite a utilização

comercial de sistemas catalíticos onde existe a tendência de inativação do catalizador

por deposição de material inerte. O constante movimento das partículas favorece a

remoção deste material inerte. Além dos sistemas catalíticos, os leitos fluidizados são

utilizados em secadores, calcinadores, adsorvedores reativos e sistemas de troca iônica,

entre outros. O uso de reatores com leito fluidizado permitiu uma redução significativa

nas sínteses poliméricas, o que contribuiu para a popularização de matérias como o

cloreto de vinila (PVC), o polietileno e o polipropileno, entre outros.

Através do balanço das forças envolvidas em uma seção de um leito de

comprimento L, onde a queda de pressão é igual a força gravitacional, obtém-se para

um leito fluidizado a Equação 1.

ΔPL

= (1−ε )⋅( ρs−ρ f )⋅gEquação 1

onde: ΔP é a perda de carga; L é o comprimento do leito; ε é a porosidade do meio;

ρ s e ρ f são as massas específicas do material sólido e do fluido, respectivamente, e g

é a aceleração da gravidade.

No estudo desta operação é necessário acompanhar as diversas etapas de

velocidade de escoamento, que envolve a percolação do fluido através de um leito fixo,

passando pela expansão deste leito até finalmente a total fluidização, fazendo-se um

destaque especial para a condição de mínima fluidização.

Para previsão da velocidade de mínima fluidização existem várias correlações na

literatura. Contudo considera-se a sua determinação experimental a partir do gráfico

ΔP / L versus a velocidade de escoamento (U ) a forma mais segura.

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1.2.1 Fluidização em Sistema Gás-Sólido

A teoria das duas fases postula que às velocidades superiores à da fluidização

incipiente, uma porção do fluxo de gás percola entre as partículas, enquanto o restante

do fluído atravessa o leito na forma de bolhas. Baseado nesta teoria foi desenvolvido

uma equação para prever a altura máxima (Lm ) do leito (Equação 2).

Lm=LD⋅(1+U−U 0

0 ,35⋅√g⋅D )Equação 2

onde: Lm é altura máxima do leito; LD é a altura do leito na fluidização incipiente; U e

U0 sãs as velocidades superficiais do gás na condição real e na fluidização incipiente,

respectivamente; g é a aceleração da gravidade e D é o diâmetro da coluna.

Para o estudo dos parâmetros como a porosidade, velocidade, queda de pressão e

outros nas condições de mínima fluidização existem diversas correlações empíricas na

literatura.

Alicerçados na teoria das duas fases, Babu et al. (1978) obtiveram duas

correlações representativas, baseadas em dados experimentais de vários trabalhos,

envolvendo inúmeros tipos de sólidos, dentro de uma faixa de massa específica de 256,3

a 2870 kg/m3 e com diâmetro médio de partícula de 50 a 2870 μm, e fluidos gasosos

com massa específica entre 0,08 a 80,09 kg/m3, além de situações de leitos a altas

pressões. O diâmetro dos diferentes leitos possibilitou a obtenção das duas correlações,

sendo uma aplicada para leitos com diâmetro de até 0,0625 m, e a outra (apresentada na

Equação 3) para leitos com diâmetro maior que este. Foi constatado que estas duas

correlações apresentaram desvios médios de 12% em relação aos dados experimentais.

LLmf

=1+1 ,975⋅(U−Umf )0 ,738⋅d

p1, 006⋅ρp0, 376

ρg0 , 126⋅U

mf 0 ,937

Equação 3

onde: Lm e Lmf são as alturas do leito inicial e na condição de mínima fluidização; U e

Umf sãs as velocidades superficiais do gás na condição real e na condição de mínima

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fluidização; d p é o diâmetro médio da partícula sólida e ρp e ρg são as massas

específicas do material sólido e do gás, respectivamente.

1.2.2 Fluidização em Sistema Líquido-Sólido

A queda de pressão neste caso é também dada pela Equação 1, enquanto que a

estimativa para a expansão do leito é estudada através de correlações empíricas. Uma

das mais conhecidas é a de Richardson e Zaki (Equação 4).

UU t

=εn Equação 4

onde: U e U t sãs as velocidades superficial do líquido e terminal (queda livre) da

partícula isolada; ε é a porosidade do meio e n é um expoente que varia com a faixa

do número de Reynolds para a velocidade terminal.

1.3 Metodologia

1.3.1 Materiais e reagentes

Coluna vertical formada por tubo de acrílico de ___ cm de diâmetro interno e

___ cm de altura para o sistema gás-sólido e de ___ cm de diâmetro interno e

___ cm de altura para o sistema líquido-sólido;

Leito do sistema gás-sólido formado por partículas esféricas de vidro de 0,08

mm de diâmetro, com esfericidade igual a 1;

Leito do sistema líquido-sólido formado por partículas esféricas de vidro de 3

mm de diâmetro, com porosidade do leito igual a 0,352 e esfericidade igual a 1;

Linha de gás alimentada por compressor;

Linha de recirculação de água dotada de bomba centrífuga;

Medidores de fluxo do tipo rotâmetro, com possibilidade de leitura de ampla

faixa de fluxo;

Manômetro do tipo U utilizando água como fluido manométrico e

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Tomadas de pressão diferencial com espaçamento vertical de ___ cm na coluna

do sistema gás-sólido e de ___ cm na coluna do sistema líquido-sólido.

1.3.2 Procedimento

Com o auxílio das válvulas controle a vazão do fluido e observe o desnível no

manômetro.

Inicie o procedimento efetuando a leitura da altura do leito inicialmente

compactado. Controle a vazão através dos rotâmetros, aumentando lentamente a vazão.

Para o sistema gás-sólido a vazão, a perda de carga e a altura do leito devem ser

anotados para diferentes condições operacionais. Registre a vazão na qual começa a

aparecer a formação de bolhas. Nas vazões muito altas podem ocorrer consideráveis

oscilações na altura do leito fluidizado, devendo ser registradas as alturas mínimas e

máximas do leito e as quedas de pressão para cada uma delas.

Para o sistema líquido-gás o procedimento é semelhante. Neste caso atentar para

a expansão volumétrica do leito antes do início do fenômeno de fluidização

Ensaie pelo menos 10 (dez) condições operacionais diferentes.

1.4 Tratamento dos dados

Preencha a Tabela 1 com os resultados dos experimentais do escoamento no

sistema gás-sólido e a Tabela 2 para o sistema líquido-sólido.

Faça o gráfico da queda de pressão versus a velocidade de escoamento e obtenha

a queda de pressão suficiente para suportar o leito no sistema gás-sólido. Identifique o

ponto de mínima fluidização. Compare com o gráfico que era esperado teoricamente.

Construa o gráfico da altura do leito versus a velocidade superficial do gás e

adicione a este gráfico os resultados obtidos através da Equação 2. Compare e comente

os resultados.

Compare a velocidade de mínima fluidização obtida experimentalmente com

a(s) prevista(s) por pelo menos uma correlação da literatura. Calcule e comente o erro

relativo e desvio padrão entre ela(s).

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Faça o gráfico da queda de pressão versus a velocidade de escoamento e obtenha

a queda de pressão suficiente para suportar o leito no sistema líquido-sólido. Identifique

o ponto de mínima fluidização. Compare com o gráfico que era esperado teoricamente.

Calcule a porosidade do leito para cada vazão e obtenha o expoente n da

correlação apresentada na Equação 4. Comente os resultados.

Compare a velocidade de mínima fluidização obtida experimentalmente com

a(s) prevista(s) por pelo menos uma correlação da literatura. Calcule e comente o erro

relativo e desvio padrão entre ela(s).

Tabela 1 – Resultados experimentais do escoamento no sistema gás-sólido.

Ensaio Vazão

(L/h)

P

(cmCA)

Altura

(cm)

Ensaio Vazão

(L/h)

P

(cmCA)

Altura

(cm)

1 6

2 7

3 8

4 9

5 10

Tabela 2 – Resultados experimentais do escoamento no sistema líquido-sólido.

Ensaio Vazão

(L/h)

P

(cmCA)

Altura

(cm)

Ensaio Vazão

(L/h)

P

(cmCA)

Altura

(cm)

1 6

2 7

3 8

4 9

5 10

1.5 Discussão dos resultados

Defina fluidização agregativa (ou heterogênea) e fluidização particulada (ou

homogênea). Elas ocorrem tanto em leitos fluidizados gás-sólido como em líquido-

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sólido? Explique em termos das características físicas dos sólidos (Classificação de

Geldart).

Apresente uma sugestão para a montagem de um equipamento único, que possa

operar como leito fixo e leito fluidizado para o sistema líquido-sólido.

Que conclusão se pode tirar da validade das equações apresentadas e do

procedimento experimental realizado?

Referências Bibliográficas:

COULSON, J. M. e RICHARDSON, C. H. Chemical Engineering. Oxford, Pergamon,

1977.

DAVIDSON, H. Fluidized Particles. Cambridge, University, 1963.

DAVIDSON, H. Fluidization. London, Academic, 1971

FOUST A. S. et al. Principles of Unit Operations. New York, J. Wiley, 1980.

KUNII, D. e LEVENSPIEL, O. Fluidization Engineering, New York, J. Wiley, 1969.

McCABE, W. L. e SMITH, J. C. Unit Operations of Chemical Engineering,

Auckland, McGraw-Hill International Book, 1976.

PERRY, R. H.; GREEN, D. W., (editores). Perry's chemical engineers handbook. 7ª

edição. New York: McGraw-Hill, 1997.

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