Ensaio de Fluidização em Leito

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
ENSAIOS DE FLUIDIZAÇÃO
Relatório do experimento realizado na disciplina
EQA 5531- 08216 – Laboratório de Fenômenos
de Transferência e Operações Unitárias I do
Curso de Graduação em Engenharia Química da
Universidade Federal de Santa Catarina.
GRUPO 1:
Responsável pela disciplina:
FLORIANÓPOLIS, 2022.
RESUMO 2
SIMBOLOGIA E NOMENCLATURA 3
1 INTRODUÇÃO 4
2 MATERIAIS E MÉTODOS 5
2.1 Equipamento e Materiais 5
2.2 Procedimento Experimental 5
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 7
4 CONCLUSÕES 12
5 SUGESTÕES 13
6 BIBLIOGRAFIA 14
7 ANEXOS 15
7.1 Memorial de Cálculo 15
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RESUMO
Através do leito fluidizado é possível descrever a condição das partículas em
suspensão, sendo que a fluidização é uma operação unitária que consiste na
passagem de um fluido de baixo para cima de um leito e se caracteriza por
proporcionar um bom contato entre sólido e fluido, favorecendo trocas de calor e
massa. Em razão do aumento da vazão do fluido, as partículas deixam de estar
apoiadas umas sobre as outras e passam a ser sustentadas pelo fluido, nesse ponto
temos o leito à velocidade mínima de fluidização.
No presente experimento foi possível perceber que o leito de partículas
sólidas se comporta à medida que a vazão do líquido percorre a coluna aumenta. A
velocidade mínima de fluidização pela literatura é de 0,0128 m/s para o regime
laminar, 0,0209 m/s para regime turbulento e 0,0233 m/s foi encontrado
experimentalmente.
O desvio para regime laminar foi de 82,03%, já para escoamento turbulento, o
desvio calculado foi de 11,48%. O meio poroso (areia fina) utilizado também foi
caracterizado, tendo este uma porosidade de 0,45 e partículas sólidas com uma
massa específica de 1625 kg/m³ e esfericidade igual a 0,70.
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SIMBOLOGIA E NOMENCLATURA
Q Vazão do fluido (L/min)
q Velocidade superficial do fluido (m/s)
Δh Altura do manômetro (mmCHCl3)
ΔP/H Perda de carga (Pa/m)
ρH2O Densidade da água (kg/m³)
ρCHCl3 Densidade do clorofórmio (kg/m³)
μH2O Viscosidade da água (Pa.s)
g Aceleração da gravidade (m/s²)
D Diâmetro do leito (m)
L Comprimento do leito (m)
dpmin Diâmetro mínimo de partícula (m)
dpmax Diâmetro máximo de partícula (m)
vp Volume de partículas na proveta (L)
mp Massa de partículas na proveta (kg)
vH2O Volume de água na proveta (L)
dp Diâmetro médio de partícula (m)
ε Porosidade do leito (adimensional)
ρ Massa específica do leito (kg/m³)
ϕ Esfericidade das partículas (adimensional)
A Área do leito (m²)
ρp Densidade da partícula (kg/m³)
H Altura do Leito (m)
Vmf Velocidade mínima de fluidização (m/s)
Ho Altura mínima de fluidização do leito (m)
Qo Vazão mínima de fluidização (L/min)
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1 INTRODUÇÃO
O processo de fluidização ou leito de fluidização é denominado pela condição
na qual as partículas são arrastadas pela passagem do fluido, sendo que elas são
suspensas na forma de um fluido mais denso proporcionando um bom contato entre
sólido e fluido, assim favorecendo as trocas de calor e massa. E podendo ser
aplicada em processos de mistura, secagem e recobrimento (GEANKOPLIS,1993).
Nesse sentido, a fluidização só é atingida quando o equilíbrio de forças é
atingido nas partículas, em baixas velocidades do fluido as partículas permanecem
estáticas e quando as velocidades são muito elevadas as mesmas são arrastadas
pelo fluido. Esse equilíbrio é atingido quando um movimento randômico das
partículas é observado, sendo denominado de velocidade mínima de fluidização, ou
seja, a velocidade mínima necessária para fazer com que as partículas saiam do
estado estático para o estado dinâmico (GEANKOPLIS,1993).
Quando se aumenta a velocidade do fluido, é observado o aumento de perda
de carga, associado a força de arraste das partículas. Ademais, as bolhas geradas
no leito corroboram para a formação de turbulência, e por consequência gerando
boas condições de transferência de massa e calor, além de proporcionar
uniformidade de temperatura. Entre algumas aplicações de fluidização na indústria,
temos a aplicação para sínteses, reações, regenerações catalíticas, gaseificação e
combustão, entre outras (CREMASCO, 2014).
Os regimes fluidodinâmicos na fluidização são dependentes das
características físicas da fase fluida: viscosidade dinâmica, massa específica,
temperatura e parâmetros da coluna como: vazão do fluido, altura, diâmetro,
compactação do particulado. E da fase particulada, pelo: diâmetro, distribuição
granulométrica, tamanho médio das partículas, massa específica. Dessa maneira,
pode-se identificar os seguintes regimes fluidodinâmicos: fluidização rápida,
turbulenta, homogênea, borbulhante e do tipo slug (CREMASCO, 2014).
O objetivo deste experimento é analisar o comportamento das partículas
sólidas até atingirem o estado de fluidização, anotando a altura da coluna
preenchida de pedrinhas, velocidades, e a queda de pressão através do manômetro.
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2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Equipamento e materiais
O leito é constituído de partículas de quartzo com diâmetro médio (dp)= 1,97
mm, contidas em um tubo de vidro de 7,5 cm de diâmetro interno e a quantidade de
material sólido utilizado é de 1520 gramas. O fluido utilizado é ar comprimido.Para a
realização das medidas temos: rotâmetro e manômetro de tubo em U, utilizando
água como fluido manométrico. Picnômetro, balança e amostra das partículas
contidas no leito.
2.3 Procedimento Experimental
Para a determinação da perda de carga em função da velocidade de
escoamento do fluido, foi inicialmente aferido o ponto zero no manômetro. Em
seguida, foi ligada a bomba e anotadas as medidas conforme eram fixadas as
medidas de vazão no rotômetro. Nesse experimento , foram anotadas as quedas de
pressão com a vazão ascendente e também com a vazão descendente; bem como
as variações na altura do leito, pois estamos trabalhando com leito fluidizado e são
dados relevantes para obter conclusões posteriores. As medidas estão compiladas
na Tabela 1 abaixo:
Tabela 1 - Dados experimentais coletados
𝝙P ida (mm) vazão (L/min)
𝝙P volta
(mm) altura do leito ida (mm)
altura do leito volta
(mm)
118 1,2 131
495
491
178 1,7 184
243 2,2 x
301 2,7 304
370 3,2 370
454 3,7 451
551 4,2 541 492
652 4,7 618 495
770 5,2 700 498
836 5,7 766 503
824 6,2 798 509 511
823 6,7 819 522 523
816 7,2 817 538 -
813 8,7 813 572 572
Fonte: Autores, 2022.
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Para determinação da densidade relativa das partículas contidas no leito
fluidizado foi adotada a técnica de picnometria. Nessa etapa várias medidas são
feitas a fim de obtermos a massa de uma determinada quantidade de partículas (100
unidades) sobre o volume deslocado por ela. Os resultados estão mostrados na
Tabela 2 abaixo:
Tabela 2 - Dados da Picnometria do experimento
Picnometria
P1 (g) 25,3
P2 (g) 26,6
P3 (g) 51,1
P4 (g) 50,6
Densidade aparente 1,625
Diâmetro médio das
partículas (mm) 1,97
Fonte: Autores, 2022.
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3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Questão 1 - Faça um gráfico da queda de pressão contra a vazão, em papel normal
e papel log-log e obtenha a queda de pressão suficiente para suportar o leito.
Identifique o ponto de mínima fluidização. Compare com o gráfico esperado
teoricamente.
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Observando os dados percebemos que a vazão mínima de fluidização ocorre em
torno de 6,2 L/min.
Gráfico em escala log - log
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Comparando o gráfico em escala log - log com o gráfico que descreve a fluidização,
percebemos que o comportamento do leito fluidizado experimental está de acordo
com a teoria pré-estabelecida.
Questão 2 - Faça o gráfico, em papel normal, da altura do leito versus vazão de ar
(Q) e coloque no mesmo gráfico a relação: H = Ho {1 + [(Q-Qo)/A. 0,35.(g.D)1/2]}
onde: A - área transversal da coluna. Comente os dados obtidos e analise este
gráfico.
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Pode-se inferir nesse gráfico, que esta equação não é adequada para descrever
esse fenômeno dado a discrepância entre valores calculados e observados.
Questão 3 - Compare as velocidades mínimasde fluidização obtidas
experimentalmente com as previstas por, pelo menos, uma correlação da literatura.
Podemos utilizar a correlação de Ergun - equações 6 e 7 no memorial de cálculo -
para obter um valor teórico para fluidização mínima.
Os dados necessários estão agrupados a seguir e a esfericidade foi coletada de
FOUST, A.S. 1982.
esfericidade 0,7
porosidade 0,45
ρp (kg/m³) 1625
ρ(H2O) (kg/m³) 1000
m (H2O) (Pa.s) 0,001
g (m/s²) 9,8
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Os resultados obtidos encontram-se na tabela abaixo:
Velocidades mínimas m/s
Vmf (laminar) 0,012865
Vmf (turbulento) 0,020972
Vmf (experimental) 0,02339
Percebe-se que essas correlações fornecem valores bem aproximados dos
experimentais, tanto para o regime laminar quanto para o turbulento.
Questão 4 - Qual a diferença entre fluidização agregativa (ou heterogênea) e
fluidização particulada (ou homogênea)?
A fluidização agregativa ou heterogênea geralmente ocorre em sistemas envolvendo
gás - sólido nos quais é observada a formação de bolhas e de caminhos
preferenciais. A fluidização particulada ou homogênea frequentemente ocorre entre
líquido - sólido e apresenta comportamento estável e a expansão do leito ocorre
suave e gradativamente.
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4 CONCLUSÕES
Nesse experimento observamos que a fluidização do leito depende se o
sistema é homogêneo ou heterogêneo. Também observamos que a queda de
pressão está diretamente correlacionada com a vazão até determinado ponto -
velocidade mínima de fluidização - e que a partir daí o comportamento desse
sistema começa a mudar. Isso se deve ao fato de as partículas em expansão
demandarem menor pressão para serem suportadas. Os resultados de velocidades
de mínima fluidização foram condizentes com os da literatura.
Outro aspecto relevante observado foi o fenômeno da histerese. Observamos
através dos gráficos de queda de pressão que quando estamos no regime
descendente foi menor, e isso se deve ao fato de que as partículas se reagruparam
e se reacomodaram no leito de maneira diferente do que a inicial. Concluímos
também que a utilização de uma equação matemática para descrever o
comportamento da altura do leito não foi satisfatória.
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5 SUGESTÕES
Sugere-se que as partículas poderiam ser no formato esférico, devido às
atuais terem tamanhos variáveis, e assim podendo gerar erros nos dados e cálculos.
Dessa forma, tendo uma padronização das partículas poderá se obter dados e
resultados mais precisos.
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6 BIBLIOGRAFIA
CREMASCO, Marco Aurélio. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e
Fluidomecânicos. 2. ed. São Paulo: Edgar Blucher Ltda., 2014. 423 p.
FOUST, A. S. et al. Princípios das operações unitárias,1982. pag 631.
GEANKOPLIS, C. Transport processes and unit operations. 3 ed. New Jersey:
Prentice-Hall,1993. pag 123-125.
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7 ANEXOS
7.1 Memorial de Cálculo
Velocidade superficial do fluido:
(1)𝑞 = 𝑄𝐴
Área da secção transversal do leito:
(2)𝐴 = π.𝐷²4
Perda de carga com vazão acima da vazão mínima de fluidização:
(3)∆𝑃𝐻 = (1 − ε) . (ρ𝑝 − ρ𝐻2𝑂) . 𝑔
Porosidade do leito:
(4)ε =
𝑣
𝐻2𝑂
𝑣
𝑝
Altura do leito para sistemas gás-sólido:
} (5)𝐻 = 𝐻𝑜 . {1 +[ 𝑄 − 𝑄𝑜
𝐴 . 0,35 . (𝑔 . 𝐷)1/2
]
Velocidade mínima de fluidização pela correlação de Ergun para regime
laminar:
(6)𝑉
𝑚𝑓
=
𝑔 . (ρ
𝑝
 − ρ
𝐻2𝑂
) . ε³ . φ² . 𝑑
𝑝
²
150 . µ . (1 − ε)
Velocidade mínima de fluidização pela correlação de Ergun para regime
turbulento:
(7)𝑉
𝑚𝑓
=[
φ . 𝑑
𝑝 . 
𝑔 . (ρ
𝑝
 − ρ
𝐻2𝑂
) . ε³
1,75 . ρ
𝐻2𝑂
]1/2
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