Universidade Federal do Pampa - Campus BagéCurso de Engenharia Química

Disciplina de Laboratório de Engenharia Química I (BA00232)

FLUIDIZAÇÃO

D.R. LIMA1, G. V. BRIÃO1, K. L. BUENO1, M. F. HERNANDES1, R. R. DE LIMA1

Universidade Federal do Pampa, Curso de Engenharia Química

1e-mail: diana_eng.lima@yahoo.com.br, giani.eq@gmail.com, kauebuenodp@yahoo.com.br, manuelafh@hotmail.com, rrochadelima@gmail.com

RESUMO- A fluidização baseia-se fundamentalmente na circulação de sólidos juntamente com um fluido (gás ou líquido) impedindo a existência de gradientes de temperatura, de pontos muito ativos ou de regiões estagnadas no leito; proporcionando também um maior contato superficial entre sólido e fluido, favorecendo a transferência de massa e calor. A eficiência na utilização de um leito fluidizado depende primeiramente do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Utilizado em uma ampla gama de indústrias, principalmente para secagem de sólidos e gases, na queima de biomassa, na produção de ácido sulfúrico e no tratamento de resíduos industriais. Neste trabalho e mostrado um conjunto de resultados obtidos em dois tipos de leitos fluidizados, onde verifica-se a velocidade mínima de fluidização e obter gráficos para o melhor estudo.

INTRODUÇÃO

Segundo Roitmam (2002), a fluidização baseia-se na circulação de sólidos juntamente com um fluído impedindo a existência de gradientes de temperatura. Comporta-se num estado intermediário entre um leito estático e um em que os sólidos estejam suspensos num fluxo. Ele promove um bom contato entre a superfície das partículas sólidas e o fluido. Em decorrência disso, consegue-se diminuir as resistências ao transporte de calor e massa, além de se promover uma boa mistura e homogeneização do material.

Conforme Cremasco (2012), tais leitos são largamente utilizados em processos industriais por proporcionarem mistura intensa entre a fase fluida e particulada. Exemplos típicos de aplicações industriais de leitos fluidizados incluem síntese e reações catalíticas, regeneração catalítica, combustão e

gaseificação de carvão etc. os fluidizados são também empregados em processos físicos (não reacionais) como, por exemplo, na secagem de partículas, recobrimento e granulação de sólidos etc.

Figura 1: Regime de fluidização.

Um dos métodos para a determinação da queda de pressão é calculando o ΔP somente para o fluxo de fluido e em seguida multiplicando este por um fator que leve em conta o efeito do fluxo.

De acordo com Cremasco (2012), Geldart identificou quatro tipos de regimes fluidodinâmicos na fluidização e propôs um diagrama que relaciona as características físicas partícula (dp e ρ), conforme a figura 2, abaixo:

Figura 2: Classificação de Geldart para fluidização de partículas.

De acordo com Cremasco (2012), existe dois tipos de fluidização a homogênea e heterogênea, na homogênea é encontrada, usualmente, quando o fluido de trabalho é liquido, assim como, por aproximação, quando este fluido vir a ser gás com velocidade próxima à condição mínima de Fluidização, utilizando-se partículas do tipo A e, em alguns casos, partícula do tipo B. já na fluidização heterogênea é caracterizada pela distribuição não uniforme de concentração de partículas, tendo em vista as propriedades de interação entre as partículas que compõem o leito.

Cremasco (2012), afirma que a queda de pressão em condição de mínima fluidização (homogênea), ocorre quando força resistiva iguala-se ao peso aparente das partículas, do modo da equação a baixo.

−dPdz

−ρ=m (1)

onde, dP é a variação da pressão, dz é a variação da altura do leito. A relação entre o peso do leito e a massa de partículas é demonstrado pela equação a seguir.

−∆ Pmf=gm p

área (2)

Aonde g é a aceleração da gravidade mp

é a massa que compõe o leito.

“A permeabilidade é uma propriedade importante na descrição do escoamento através de um meio poroso, indica a facilidade com que o fluido escoa através dos poros, ou seja, um material é caracterizado por um fluido que é forçado a atravessar um meio poroso.” FOUST(2008)

A velocidade superficial em condição de mínima de fluidização pode ser descrita pela equação de Ergum.  

150[ (1−εmf )2

εmf3 ] μ

(∅ dp2 )qmf +1,75 (1−εmf

εmf3 ) ρ

∅ dpqmf

2=( 1−ε mf ) ( ρp− ρ ) g

(5)

Segundo Cremasco (2012), a curva característica da fluidização homogênea, é construído correlacionando-se a queda de pressão em função da velocidade (superficial ou intersticial) do fluido de trabalho, conforme se trabalha com baixos valores de velocidade o comportamento é igual ao de leito fixo o fluido percola (segmento AO). Ao aumentar a velocidade do fluido, aumenta-se a queda de pressão, aonde ocorre a máxima queda de pressão, no ponto B, se aumentarmos mais um pouco a velocidade teremos no ponto F o começo do leito fluidizado que pode ser observado a baixo.

Figura 3: queda de pressão em função da velocidade superficial do fluido.

Assim, na medida em que se diminui a velocidade superficial do fluido, inferior à de mínima fluidização, as partículas se acomodarão e a queda de pressão será governada por equações que descrevem a

fluidodinâmica em leito fixo, contudo apresentando valor de fração de vazios maior do que aquele em leito fixo, e o leito, em tal situação, é reconhecido como leito expandido.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização do experimento, inicialmente foi ligada a bomba ou compressor, dependendo do tipo de fluidização, para injeção de fluido no sistema. Posteriormente a válvula de entrada de água no sistema, vinculada ao rotâmetro, foi ajustada para obter uma vazão determinada, na qual as colunas do manômetro estivessem no mesmo nível (ponto de equilíbrio), pois no instante inicial a variação de pressão deve ser igual à zero. Na coluna de leito fluidizado preenchido com 700g de poliestireno, percolou ar com vazões gradativamente aumentadas pela abertura da válvula acoplada ao rotâmetro. A cada incremento na vazão, foi observada a variação no manômetro, para determinar a diferença de pressão. Este procedimento foi repetido em dez diferentes valores de vazão, previamente estabelecidos. O procedimento experimental foi realizado para uma segunda coluna, esta recheada com 1500g de pedregulho fino, utilizando como fluido a água.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela 1, abaixo mostrada informa que para valores crescentes de vazão, no intervalo entre 1 e 5 L/min a altura do leito se mantem constante e a pressão cresce linearmente. Após este ponto é possível observar uma oscilação na pressão, que se dá devido ao rompimento da tensão superficial entre o fluido e o leito de pedregulho. Em contrapartida, para valores decrescentes de vazão, a pressão decresce proporcionalmente, não sendo evidenciada a diferença entre o ponto de maior pressão da curva e os pontos no seu entorno. Como no retorno não é necessário vencer a tensão superficial, a altura do leito decresce gradativamente até retornar à condição inicial.

Tabela 1: Vazão crescente e decrescente obtidas experimentalmente a partir do leito de

pedregulhoVazão crescente

VazãoFluido (L/min)

Queda de Pressão

(Pa)

Altura do Leito(m)

1 383,7672 0,30601,4 450,92646 0,30601,8 513,28863 0,30602,2 604,43334 0,30602,6 719,5635 0,3060

3 877,86747 0,30603,4 1021,78017 0,30603,8 1165,69287 0,30604,2 1304,80848 0,30604,6 1635,80769 0,3060

5 1846,87965 0,30605,4 2005,18362 0,30705,8 2460,90717 0,30906,2 2264,22648 0,31506,6 2259,42939 0,3210

7 2235,44394 0,32507,4 2211,45849 0,33407,8 2201,86431 0,33808,2 2206,6614 0,34508,6 2206,6614 0,3520

9 2201,86431 0,35609,4 2192,27013 0,36009,8 2173,08177 0,3670

Vazão Decrescente9,8 2173,0817 0,36709,4 2153,8934 0,3600

9 2153,8934 0,35608,6 2163,4875 0,35208,2 2168,2846 0,34507,8 2173,0817 0,34007,4 2177,8788 0,3340

7 2177,8788 0,33206,6 2158,6905 0,32706,2 2129,9079 0,32005,8 2067,5457 0,31705,4 1990,7923 0,3130

5 1746,1407 0,31104,6 1578,2426 0,31004,2 1463,1124 0,30803,8 1300,0113 0,30803,4 1117,7219 0,3070

3 973,8092 0,30702,6 877,8674 0,3070

2,2 777,1285 0,30701,8 700,3751 0,30601,4 633,2158 0,3060

1 599,6362 0,3060

A tabela 2, a seguir, similarmente a anterior, indica que para valores crescentes de vazão, a altura do leito se mantem constante até que seja vencida a barreira da tensão superficial entre o fluido e o leito de poliestireno, no ponto com vazão correspondente a 14 L/min, tendo a pressão um crescimento linear. Para valores decrescentes de vazão é possível observar que a pressão tem um comportamento análogo ao caso anterior.

Tabela 2: Vazão crescente e decrescente obtidas experimentalmente do leito de

poliestirenoVazão crescente

VazãoFluido (L/min)

Queda de Pressão 1

(Pa)

Queda de Pressão 2

(Pa)

Altura do Leito

(m)4,4 431,1177 421,3195 0,25606 597,6859 617,2821 0,25608 842,6391 832,8410 0,256010 1058,1980 1048,3998 0,256012 1322,7475 1283,5550 0,256014 1557,9026 1518,7101 0,256016 1322,7475 1322,7475 0,264018 1332,5456 1312,9494 0,268020 1322,7475 1303,1512 0,275022 1283,5550 1263,9587 0,281024 1293,3531 1283,5550 0,285026 1273,7568 1263,9587 0,289028 1283,5550 1263,9587

Vazão decrescenteVazãoFluido (L/min)

Queda de Pressão 1

(Pa)

Queda de Pressão 2

(Pa)

Altura do Leito

(m)28 372,3289 401,7233 0,28126 548,6952 558,4934 0,28424 705,4653 715,2634 0,28222 881,8316 832,8410 0,2820 950,4186 950,4186 0,27818 1038,6017 1028,8037 0,27616 1136,5830 1107,1887 0,27414 1195,3718 1185,5737 0,2712 1244,3625 1244,3625 0,26810 1293,3531 1283,5550 0,2668 1263,9588 1263,9588 0,264

6 1273,7569 1263,9588 0,264,4 1283,5550 1263,9588 0,258

Os dados obtidos na tabela 1 permitiram a elaboração do gráfico representado na figura 4.

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Curva Característica de Fluidização Sólido-líquido

Velocidade do Fluido (m/s)

Qu

ed

a d

e P

ress

ão

(P

a)

Vazão crescente Vazão decrescenteReta tangente a curva

Figura 4: Curva Característica da Fluidização Sólido – Líquido.

A partir do gráfico acima que representa uma função entre a queda de pressão e velocidade do escoamento do fluído, é possível obter informações acerca do comportamento do leito frente ao fluído que escoa sobre ele. É evidenciada uma diferença para acréscimos e decréscimos de vazão no leito, este fenômeno é conhecido como histerese. As curvas apresentam as variáveis significativas: queda de pressão máxima (Pmf,) e velocidade mínima de fluidização (qmf,), que pode ser obtido através das tangentes às curvas. Para a fluidização sólido – líquido os valores teóricos, calculados pelas equações 2 e 5 e experimentais obtidos graficamente são os apresentados na tabela 3, a seguir.

Tabela 3 : Variáveis significativas para a fluidização Solido-liquido.

Variáveis Experimental TeóricoPmf (Pa) 2460,91 3330,79qmf (m/s) 0,0219 0,022εm 0,308 - Conforme, tabela 3, os valores experimentais e teóricos para a queda de pressão apresentam discrepância significativa, essa fato é atribuído principalmente a incerteza no valor da grandeza massa , do qual era composto o leito, e a sensibilidade do operador ao fazer a leitura do manômetro, assim adensando erros, fato que não esta tão evidenciado na velocidade

mínima de fluidização que apresenta coerência entre teoria e pratica.A partir dos dados da tabela 2 elaborou-se os gráficos representados nas figuras 5 e 6.

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125

0200400600800

1000120014001600

Curva Característica de Fluidização Sólido-Gás com a Perda de Carga

da Tela

Velocidade do Fluido (m/s)

Qu

ed

a d

e P

ress

ão

(P

a)

Vazão crescenteVazão descrescenteRetas tangentes a curva

Figura 5: Curva Característica da Fluidização Sólido – Gás, considerando perda de carga da tela inferior.

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125

0

500

1000

1500

2000

Curva Característica de Fluidização Sólido-Gás

Velocidade do Fluido(m/s)

Qu

ed

a d

e P

ress

ão

(P

a)

Vazão crescenteVazão decrescenteReta tangente a curva

Figura 7: Curva Característica da Fluidização Sólido – Gás.

As figuras 5 e 6 representam as curvas que caracterizam uma fluidização sólido-gás sendo que a primeira leva em consideração a perda de carga que a tela, responsável por segurar as partículas impõe ao fluido e a segunda, com o manômetro posicionado após a tela, informa as variaveis significativas impostam apenas pelo leito. Os valores teóricos, obtidos através das equações 2 e 3, e os valores experimentais estão explícitos na tabela 4,abaixo.

Tabela XX: Variaveis significativa obtidos da figura 5

Variáveis Experimental TeóricoPmf (Pa) 1518,82 1665,4qmf (m/s) 0,060392 0,055εm 0,444 -

Tabela XX: Variaveis significativas obtidos da figura 6

Variáveis Experimental TeóricoPmf (Pa) 1557,9026 1665,4qmf (m/s) 0,06794 0,055εm 0,4476 -

CONCLUSÃO

A apropriação da tecnica de fluidização permite observar o comportamento fluidinamico de leito recheado com pedras finas e um segundo recheado com poliestireno podendo se constatar que, conforme literatura, ambos os recheios tem comportamento homogêneo e apresentam características que os classificam como leito expandido. As curvas características tem comportamento esperado, conforme representação literária, ou seja apresentam um pico de pressão nas vazões crescentes, esse por representar o momento que a vazão vence as forças resistivas apresentadas pelo leito.

NOMENCLATURA

G Aceleração da gravidade

[m]/[T]²

Dp Diâmetro da partícula [L]∅ Esfericidade [L]2/[L]2

ρ Massa específica [M]/[L]3

ε Porosidade do leitoQ Velocidade [L]/[T]μ Viscosidade dinâmica [M]/[L][T]

qmf Velocidade mínima fluidização

[L]/[T]

−∆ Pmf Pressão mínima fluidização

[M]/[T]2[L]

REFERÊNCIAS

CREMASCO, M. A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. São Paulo: Blucher, 2012.

FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. Princípios das Operações Unitárias. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008