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Leito Fluidizado - 2BIM

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II
Leito Fluidizado
Débora Miyuki Tamura	RA: 60904
Fábio Oberg			RA: 64660
Fernanda Arzani		RA: 60844
Geovana C. Fachini		RA: 64967
Isabela S. Ganassin		RA: 61570
Nayara Gomes		RA: 64258
Professor Walter
Maringá,
2013
OBJETIVO 
O objetivo desta prática é o estudo do comportamento hidrodinâmico de leitos de partículas sólidas fluidizadas com gases e líquidos. Além disso, espera-se realizar as medidas de queda de pressão, velocidades mínimas de fluidização e porosidade do leito. 
MATERIAIS UTILIZADOS 
Leito fluidizado líquido- sólido
Bomba centrífuga; 
Rotâmetro; 
Manômetro em U com CCl4 como fluido manométrico; 
Partículas de vidro,com 1,77mm< Dp <2,77 mm, ;
Massa de sólido no leito igual a 260 g.
Leito fluidizado gás- sólido 
Compressor; 
Rotâmetros; 
Manômetro de mercúrio em forma de U; 
Manômetro inclinado preenchido com água; 
Micro-esferas de vidro com Dp variando entre 80< mesh <42, com densidade igual a 2,81 g/cm³; 
Tubo de acrílico com diâmetro de 88,7 mm; 
Micro-esferas de vidro. 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Leito fluidizado líquido-sólido
O procedimento para a fluidização líquido-sólido inicia-se anotando a altura do leito compactado. Em seguida, abriu-se as válvulas V1 e V3 para regular a vazão através do rotâmetro R1. Feito isso, anotou-se o valor da vazão Q1, assim como a leitura do manômetro inclinado ΔP, do manômetro de tudo em U e a altura do leito Δh.
Regulou-se também as outras vazões através do rotâmetro R1 e anotou-se o valor da vazão Q, a leitura do manômetro inclinado ΔP, a leitura do manômetro de tubo em U e a altura do leito Δh. 
Terminada as leituras com o rotâmetro R1, fechou-se o mesmo e simultaneamente abriu-se R2 e regulou-se a vazão. Anotou-se os valores encontrados de Q, altura do leito, leitura do manômetro inclinado e leitura do manômetro de tubo em U. Regulou-se as outras vazões através de R2 e fez-se as leituras de Q, altura do leito, e as leituras dos manômetros. 
Concluída a última leitura através do rotâmetro R2, fez-se então as leituras decrescentes através de R2. Diminuiu-se a vazão em intervalor pré-estabelecidos, e anotou-se a vazão Q, a leitura do manômetro inclinado, a leitura do manômetro de tubo em U e a altura do leito. 
Terminada a leitura decrescente, fechou-se R2 e simultaneamente abriu-se R1 para adequar a vazão máxima. Procedeu-se as leituras decrescentes através de R1 e anotou-se os valores obtidos da vazão Q, da leitura no manômetro inclinado, da leitura do manômetro de tudo em U e da altura do leito. 
O experimento encontra-se esquematizado na figura 1: 
Figura 1: Leito Fluidizado – Líquido-Sólido.
Leito fluidizado gás- sólido 
O procedimento experimental para a fluidização gás-sólido é semelhante ao de liquido-sólido, com a pequena diferença de que, além da queda de pressão medida (feita com o uso de um manômetro inclinado), é também efetuada a medida da pressão total com o uso de um manômetro de mercúrio em U, com a função de corrigir o valor da vazão de gás. 
O módulo do leito fluidizado gás-sólido encontra-se esquematizado na Figura 2: 
Figura 2: Leito fluidizado gás-sólido.
RESULTADOS E ANÁLISES
Na tabela 1 constam os dados do sistema.
Tabela 1: Propriedades do sistema.
	Densidade do fluido
	ρf = 0,9982 g/cm³
	Densidade do ar
	ρar = 0,001204 g/cm³
	Densidade do sólido
	ρs = 2,81 g/cm³
	Densidade do CCl4
	ρCCl4 = 1,6 g/cm³
	Densidade do Hg
	ρHg = 13,6 g/cm³
	Aceleração da gravidade
	g = 981 cm/s²
	Viscosidade do fluido
	μf = 0,01002 g/(cm.s)
	Viscosidade do fluido (ar)
	μf(ar) = 0,000183 g/(cm.s)
	Esfericidade do sólido
	Фs = 1
	Diâmetro médio do sólido
	Dp = 0,227 cm
	Diâmetro da coluna
	D = 4,45 cm
	Área da coluna líq-sól
	A1 = 15,55 cm²
	Área da coluna gás-sól
	A2 = 61,79 cm²
	Massa de sólido
	M = 700g
	H inicial do leito líq-sól
	H0 = 33,0 cm
	H inicial do leito gás-sól
	H0 = 2,2 cm
Líquido – Sólido
Através dos dados coletados de vazão dos rotâmetros 1 e 2, altura da coluna de sólido e queda de pressão no manômetro em U de CCl4, pode-se calcular a velocidade do fluido, a queda de pressão real, a porosidade do leito através das equações (1), (2) e (3) a seguir. Esses dados seguem na Tabela 2 e 3.
Tabela 2: Leito Fluidizado Líquido-Sólido [vazões crescentes].
	
	Leitura
	∆h (cm)
	∆pCCl4 (cm)
	Q (cm³/min)
	volume (cm³)
	∆P (Pa)
	Vel. (cm/min)
	ε
	Rotâmetro 1
	1
	33,0
	2,0
	208
	513,15
	117,72
	13,42
	0,51455
	
	2
	33,0
	4,2
	500
	513,15
	247,21
	32,26
	0,51455
	
	3
	33,0
	8,9
	750
	513,15
	523,85
	48,39
	0,51455
	
	4
	33,0
	12,8
	1000
	513,15
	753,41
	64,52
	0,51455
	Rotâmetro 2
	1
	33,0
	37,3
	2000
	513,15
	2195,48
	129,03
	0,51455
	
	2
	37,5
	44,9
	3000
	583,13
	2642,81
	193,55
	0,57280
	
	3
	40,8
	46,2
	4000
	634,44
	2719,33
	258,06
	0,60735
	
	4
	45,5
	47,0
	5000
	707,53
	2766,42
	322,58
	0,64791
	
	5
	50,5
	47,3
	6000
	785,28
	2784,08
	387,10
	0,68277
	
	6
	57,0
	47,5
	7000
	886,35
	2795,85
	451,61
	0,71895
Tabela 3: Leito Fluidizado Líquido-Sólido [vazões decrescentes].
	
	Leitura
	∆h (cm)
	∆pCCl4 (cm)
	Q (ml/min)
	volume (cm³)
	∆P (Pa)
	Vel. (cm/min)
	ε
	Rotâmetro 1
	1
	57,0
	47,5
	7000
	883,50
	2795,85
	451,61
	0,71804
	
	2
	50,5
	47,2
	6000
	782,75
	2778,19
	387,10
	0,68175
	
	3
	45,5
	48,3
	5000
	705,25
	2842,94
	322,58
	0,64678
	
	4
	40,5
	48,2
	4000
	627,75
	2837,05
	258,06
	0,60317
	
	5
	39,0
	48,0
	3500
	604,50
	2825,28
	225,81
	0,58791
	
	6
	36,0
	48,2
	3000
	558,00
	2837,05
	193,55
	0,55357
	
	7
	33,8
	46,3
	2500
	523,90
	2725,22
	161,29
	0,52451
	
	8
	33,0
	45,3
	2000
	511,50
	2666,36
	129,03
	0,51298
	
	9
	32,8
	19,0
	1000
	508,40
	1118,34
	64,52
	0,51001
	Rotâmetro 2
	1
	32,8
	13,9
	750
	508,40
	818,15
	48,39
	0,51001
	
	2
	32,8
	6,6
	365
	508,40
	388,48
	23,55
	0,51001
Baseando-se nos dados coletados, pode-se plotar gráficos de ∆P x Vel. , ∆h x Vel. e ε x Vel. os quais serão utilizados para a vizualização da velocidade mínima de fluidização () experimental.
Figura 3: Líquido-Sólido – Queda de Pressão x Velocidade.
Figura 4: Líquido-Sólido – Altura do Leito x Velocidade.
Figura 5: Líquido-Sólido – Porosidade x Velocidade.
A partir da análise destes gráficos, chega-se a conclusão que a velocidade mínima de fluidização experimental vale 193,55 cm/min ou 3,2858 cm/s. O gráfico da figura 5, o qual faz com que essa vizualização se torne mais fácil. Esta curva foi obtida com os dados de laboratório, sem a utilização de nenhum modelo de ajuste dos dados a uma curva.
Figura 6: Curva que mostra que umf é 193,55 cm/min.
Pela figura 4 podemos verificar que para umf = 193,55 cm/min temos um ε = 0,57280.
Estes valores mínimos de fluidização também foram calculados através de correlações da literatura. Segue:
Temos a equação de queda de pressão de um leito poroso e também a equação de Ergun, deste modo:
* * g = (9)
Utilizando os dados da Tabela 1, e do valor do gráfico para a porosidade ε=0,57280 e isolando a velocidade, obteve-se:
Comparando os valores teóricos com os valores experimentais temos:
Tabela 4: Comparação entre a velocidade mínima de fluidização teórica e experimental e a porosidade teórica e experimental.
	
	Teórico
	Experimental
	Erro Relativo %
	εmf
	0,44
	0,57280
	30,2
	umf (cm/s)
	3,2858
	5,8283
	77,4
Gás – Sólido
Através dos dados coletados de vazão dos rotâmetros 1 e 2, altura da coluna de sólido, queda de pressão no manômetro em U de Hg e queda de pressão no manômetro inclinado pode-se calcular a velocidade do fluido, a queda de pressão real corrigida, a vazão real corrigida e a porosidade do leito, através das equações a seguir. Esses dados seguem na Tabela 5 e 6.
Tabela 5-a: Leito Fluidizado Gás-Sólido [vazões crescentes] (Parte 1).
	 
	Leitura
	Qleitura (L/min)
	∆h (cm)
	∆pHg (cm) Manômetro inclinado
	f
	Qreal (L/min)
	Rotâmetro 1
	1
	2
	5,0
	2,5
	1,85
	3,70
	
	2
	4
	5,0
	3,0
	1,98
	7,90
	
	3
	6
	5,0
	3,3
	2,0512,29
	
	4
	8
	5,0
	3,8
	2,16
	17,30
	
	5
	10
	5,0
	4,5
	2,31
	23,14
	Rotâmetro 2
	1
	20
	5,0
	7,7
	2,91
	58,15
	
	2
	40
	5,0
	14,7
	3,90
	156,10
	
	3
	50
	5,2
	17,5
	4,24
	211,78
	
	4
	60
	5,3
	18,5
	4,35
	260,91
	
	5
	70
	5,7
	19,3
	4,44
	310,56
	
	6
	80
	5,8
	19,4
	4,45
	355,80
	
	7
	90
	6,0
	19,5
	4,46
	401,25
	
	8
	100
	6,5
	19,7
	4,48
	448,00
Tabela 5-b: Leito Fluidizado Gás-Sólido [vazões crescentes] (Parte 2).
	 
	Qreal (cm³/min)
	v (cm³)
	ΔP (g/cm.s²)
	ΔP (Pa)
	Vel. (cm/min)
	ε
	Rotâmetro 1
	3698,72
	308,96
	1150,02
	115,00
	59,86
	0,19376
	
	7903,58
	308,96
	1380,02
	138,00
	127,90
	0,19376
	
	12288,40
	308,96
	1518,02
	151,80
	198,86
	0,19376
	
	17304,07
	308,96
	1748,02
	174,80
	280,03
	0,19376
	
	23143,56
	308,96
	2070,03
	207,00
	374,54
	0,19376
	Rotâmetro 2
	58151,59
	308,96
	3542,05
	354,20
	941,08
	0,19376
	
	156104,56
	308,96
	6762,09
	676,21
	2526,26
	0,19376
	
	211783,79
	321,32
	8050,11
	805,01
	3427,33
	0,22477
	
	260906,90
	327,50
	8510,12
	851,01
	4222,29
	0,23939
	
	310562,21
	352,22
	8878,12
	887,81
	5025,87
	0,29277
	
	355799,96
	358,40
	8924,12
	892,41
	5757,96
	0,30496
	
	401253,24
	370,76
	8970,12
	897,01
	6493,54
	0,32813
	
	448002,99
	401,65
	9062,12
	906,21
	7250,10
	0,37981
Tabela 6-a: Leito Fluidizado Gás-Sólido [vazões crescentes] (Parte 1).
	 
	Leitura
	Qleitura (L/min)
	∆h (cm)
	∆pHg (cm) Manômetro inclinado
	f
	Qreal (L/min)
	Rotâmetro 2
	1
	90
	6,0
	19,5
	4,46
	401,25
	
	2
	80
	5,7
	19,5
	4,46
	356,67
	
	3
	70
	5,5
	19,3
	4,44
	310,56
	
	4
	60
	5,3
	18,7
	4,37
	262,24
	
	5
	58
	5,3
	18,6
	4,36
	252,85
	
	1
	55
	5,2
	18,5
	4,35
	239,16
	
	2
	53
	5,2
	18,4
	4,34
	229,88
	
	3
	50
	5,1
	17,9
	4,28
	214,06
	
	4
	48
	5,0
	17,6
	4,25
	203,86
	
	5
	44
	5,0
	17,2
	4,20
	184,86
	
	6
	40
	4,9
	15,5
	4,00
	160,02
Tabela 6-b: Leito Fluidizado Gás-Sólido [vazões crescentes] (Parte 2).
	 
	Qreal (cm³/min)
	v (cm³)
	ΔP (g/cm.s²)
	ΔP (Pa)
	Vel. (cm/min)
	ε
	Rotâmetro 2
	401253,24
	370,76
	8970,12
	897,0123
	6493,54
	0,32813
	
	356669,55
	352,22
	8970,12
	897,0123
	5772,03
	0,29277
	
	310562,21
	339,86
	8878,12
	887,8122
	5025,87
	0,26705
	
	262239,22
	327,50
	8602,12
	860,2118
	4243,85
	0,23939
	
	252854,78
	327,50
	8556,12
	855,6117
	4091,99
	0,23939
	
	239164,66
	321,32
	8510,12
	851,0117
	3870,44
	0,22477
	
	229877,06
	321,32
	8464,12
	846,4116
	3720,13
	0,22477
	
	214057,06
	315,14
	8234,11
	823,4113
	3464,12
	0,20956
	
	203860,21
	308,96
	8096,11
	809,6111
	3299,10
	0,19376
	
	184855,16
	308,96
	7912,11
	791,2109
	2991,54
	0,19376
	
	160024,20
	302,78
	7130,10
	713,0098
	2589,69
	0,17730
O cálculo das propriedades foi análogo ao da etapa anterior. Construíram-se os gráficos representados nas figuras 6, 7 e 8.
Figura 7: Gás-Sólido – Queda de Pressão x Velocidade.
Figura 8: Gás-Sólido – Altura do Leito x Velocidade.
Figura 9: Gás-Sólido – Porosidade x Velocidade.
Através de análise gráfica obteve-se valores mínimos para que houvesse fluidização.
Estes valores mínimos de fluidização também foram calculados através de correlações da literatura. Segue:
A seguir a velocidade foi calculada através de equações da literatura. Pela equação da queda de pressão de um leito poroso e também pela equação de Ergun truncada no 1° termo, já que o escoamento do sistema gás-sólido é laminar devido ao baixos valores de Re, tem-se:
* * g = (9)
Utilizando os dados da Tabela 1, e do valor do gráfico para a porosidade ε=0,17730 e isolando a velocidade, obteve-se:
Comparando os valores teóricos com os valores experimentais temos:
Tabela 7: Comparação entre a velocidade mínima de fluidização teórica e experimental e a porosidade teórica e experimental.
	
	Teórico
	Experimental
	Erro Relativo %
	εmf
	0,44
	0,17730
	59,7
	umf (cm/s)
	43,16
	0,6201
	98,6
Os valores para a velocidade mínima de fluidização foram calculados para o sistema líquido-sólido e gás-sólido analogamente, através de um método de análise gráfica e um outro de correlações empíricas da literatura. Percebeu-se que os desvios foram maiores no sistema gás-sólido. 
Através dos gráficos é possível ter uma ideia geral do comportamento de leitos porosos durante um escoamento. A baixas vazões o fluido transpassa o particulado facilmente. Conforme a vazão é aumentada observa-se um aumento gradativo na altura do leito, na queda de pressão na coluna e também na porosidade, já que as partículas sólidas vão se desagregando e proporcionando maior circulação de fluido nos vazios. Em determinada velocidade, denominada mínima de fluidização, é então observada uma brusca mudança na configuração do leito e o sistema se torna fluidizado, com alta movimentação das partículas. A partir deste ponto as propriedades tendem a não mais variar com o aumento da velocidade.
CONCLUSÃO
Por meio do experimento realizado foi possível observar como se comporta um leito recheado de partículas quando submetido a passagem de um fluido a diferentes vazões. Foram estudados dois sistemas: para a interação sólido-líquido, obtiveram-se como parâmetros experimentais para o estado mínimo de fluidização a porosidade do leito de 0,572 e velocidade superficial do líquido igual a 5,82cm/s. Comparou-se este último valor com o calculado teoricamente pela correlação de Ergun 3,283cm/s, o que corresponde a um desvio experimental de 77,4%. Já para a interação sólido-gás, obtiveram-se porosidade 0,177 e velocidade superficial igual a 0,62cm/s. O valor teórico para a velocidade foi de 43,18cm/s, resultando em um desvio experimental de 98,6%. A justificativa para os erros se deve as considerações próprias da equação de Ergun, que pode não se ajustar adequadamente aos dados experimentais. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PERRY, R. H.; GREEN, D. W. “Perry´s Chemical Engineer´s Handbook”. – Mc Graw Hill, 1999. 
[2] Material de apoio didático - Laboratório de Engenharia Química 2 – DEQ/UEM. 
[3] Material de apoio didático – Operações Unitárias I – Miriam Carla B. Ambrosio Ugri – DEQ/UEM.

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