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Leito Fluidizado - Relatório

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE QUÍMICA
DEPARTAMENTO DE OPERAÇÕES E PROJETOS INDUSTRIAIS
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I
Leito Fluidizado Líquido-Sólido
Grupo 2 (Noite):
Carina Soares
Gustavo Anciens
Hanny Juliani
Juliana Saldanha
Professor:
Marco Antonio Gaya de Figueiredo
Rio de Janeiro
07/10/2015
SUMÁRIO
1. Resumo........................................................................................................................3
2. Introdução.....................................................................................................................3
3. Motivação e Objetivos.................................................................................................5
4. Revisão Bibliográfica....................................................................................................5
5. Procedimento Experimental........................................................................................10
6. Resultados e Discussão.............................................................................................11
7. Conclusões.................................................................................................................15
8. Bibliografia..................................................................................................................16
RESUMO
A fluidização é a operação onde partículas sólidas encontram-se dispersas em um fluido, gasoso ou líquido, que escoa de um ponto a outro do equipamento. Tais partículas ficam em suspensão e apresentam características semelhantes à de um fluido. Para tal, damos o nome de Leito Fluidizado.
Há diversos equipamentos na indústria que utilizam este principio em seu funcionamento, dentre eles, equipamentos de secagem, aquecimento, resfriamento, mistura e reatores catalíticos. Uma das grandes vantagens do leito fluidizado é que o sólido tem sua superfície exposta. Além disso, ocorre uma excelente mistura do mesmo, pois apesar da velocidade do leito ser nula, a velocidade pontual não é, ou seja, as partículas estão em constante movimento, o que favorece os fenômenos de transferência de energia e massa.
No entanto, é importante ressaltar que o mesmo apresenta algumas desvantagens operacionais, como por exemplo, a abrasão do equipamento por choques com o sólido (o qual piora com o decorrer tempo de operação) e também a perda de sólido por arraste. Para se evitar ou diminuir tais eventos indesejáveis é preciso projetar o equipamento e mantê-lo em operação de maneira adequada.
INTRODUÇÃO
O termo fluidização é comumente associado a sistemas multifásicos nos quais partículas sólidas são fluidizadas por uma corrente de fluido com direção oposta à força de gravidade, tendo em vista que estas mesmas partículas apresentam densidade maior que a do fluido.
Baseado na circulação de sólidos, presentes no leito, juntamente com o fluido (gás ou líquido), a fluidização gera condições propícias de forma a impedir que haja gradientes de temperatura de pontos muito ativos ou de regiões no leito em que haja estagnação. Por haver suspensão das partículas presentes no leito, a fluidização proporciona uma maior área de contato entre o sólido e o fluido, o que acarreta o favorecimento das transferências de calor e massa.
A técnica de fluidização apresenta diversas vantagens e desvantagens descritas na tabela abaixo: 
	Vantagens
	Desvantagens
	Alta transferência de calor e massa entre o fluido e as partículas sólidas do recheio
	A rápida mistura dos sólidos no leito conduz a tempos de residência não uniformes dos sólidos no reator, comprometendo a uniformidade do produto, reduzindo o rendimento e a performance.
	A circulação de sólidos possibilita a remoção de calor gerado ou necessário em grandes reatores
	
	A fácil mistura dos sólidos proporciona condições isotérmicas no reator
	Sólidos friáveis são pulverizados e arrastados pelo fluido, sendo necessário reciclá-los.
	Viável de se utilizar em operações de grande escala
	Para leitos borbulhantes de partículas finas, o escoamento do gás é de difícil descrição, apresentando grandes desvios do “plug flow” (PFR). Sendo problemático quando a conversão do reagente gasoso é alta ou a reação intermediária é altamente seletiva
	Por consequência da alta taxa de troca térmica entre o leito fluidizado e um objeto imerso, os trocadores de calor que utilizam a fluidização necessitam de pequenas áreas de troca térmica
	
	Resistência a rápidas mudanças nas condições de operação, respondendo lentamente e proporcionando uma margem de segurança para reações altamente exotérmicas 
	Operações não catalíticas a altas temperaturas, aglomeração e sinterização de partículas finas podem requerer a diminuição da temperatura, muitas vezes reduzindo consideravelmente a taxa de reação
	Operações controladas continuamente e automaticamente, com fácil manuseio.
	Erosão de tubos e colunas pela abrasão das partículas
MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS
A fluidização é objeto de estudo em diversos ramos da engenharia, tendo em vista que esse processo é amplamente empregado em escala industrial. Destacam-se aplicações nas operações de transferência de calor e massa, mistura de sólidos ou gases, secagem, classificação de sólidos, adsorção, tratamentos térmicos, revestimento de partículas, entre outras atividades de rotina realizadas nas indústrias químicas em geral.
Pelo que foi citado fica clara a importância do estudo dos leitos fluidizados nos processos industriais, e o experimento descrito nesse relatório tem como objetivo descrever os conceitos gerais do regime de leito fluidizado apresentando as correlações existentes que preveem o comportamento experimental e as principais características do sistema, além do funcionamento do reator de leito fluidizado, obtendo-se a curva característica de fluidização do sistema.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
"A fluidização ocorre em meios compostos por partículas sólidas submetidas a um fluxo ascendente de fluido, quando o arrasto iguala ou ultrapassa o valor do peso das partículas. Antes dessa ocorrência, o meio passa pelos estágios de leito fixo, leito expandido e de fluidização incipiente, ou mínima. A queda de pressão entre duas seções do leito provoca uma força ascendente que é igual ao peso do volume do fluido e das partículas contidas entre as duas seções." (Gebara, Dib; Desempenho de um reator de leito fluidizado no tratamento de esgoto sanitário; 2006)
Figura 1: Formas de fluidização.
A Figura 1 representa as formas de fluidização. Como nesta prática o fluido utilizado foi a água, apenas os casos a, b, c e h serão descritos, uma vez que representam o fenômeno ocorrido ao longo da prática.
O esquema a representa uma situação em que existe uma vazão baixa e a força de arraste é menor do que o peso das partículas. Estas não se movem e o fluido escoa por entre os orifícios existentes entre as partículas, se comportando como um leito fixo.
O esquema b representa uma situação em que a velocidade do fluido é a de mínima fluidização, ou seja, a força de arraste é igual à força peso.
O esquema c representa uma situação de fluidização homogênea, o fluido escoa com vazão superior à velocidade mínima de fluidização e inferior à velocidade máxima de fluidização.Também não existem caminhos preferenciais para o leito.
O esquema h representa uma situação em que o fluido escoa com vazão superior à velocidade máxima de fluidização, que é a velocidade terminal da menor partícula do leito. Ocorre o arraste das partículas.
Figura 2: Gráfico de Perda de Pressão x Velocidade
O gráfico da Figura 2 representa o comportamento do leito fluidizado. Ao aumentar a velocidade de escoamento do fluido, varia-se a perda de pressão. O fenômeno da histerese pode ser observado no gráfico de um leito fluidizado, uma vez que o caminho percorrido na ascensãodo leito é diferente do caminho percorrido no retorno.
No início, na região do leito fixo, as partículas que constituem o leito encontram-se bem acomodadas. Ao se iniciar a operação, o aumento gradual da vazão fornece energia suficiente para vencer a inércia do leito e para que o mesmo se torne um leito fluidizado. A transição entre leito fixo e leito fluidizado ocorre no ponto máximo da curva.
A curva tracejada, ou a curva de ascensão do leito, possui maiores valores de perda de pressão. Este corresponde a um leito compactado e aumenta-se a vazão para se obter a fluidização. Em contrapartida, a curva de retorno possui menores valores que perda de pressão, pois já se tinha um leito fluidizado e foi se diminuindo a vazão até que retornasse à uma situação de leito fixo.
Antes de se iniciar os cálculos, são realizadas algumas considerações:
Fluido escoando em regime permanente
Fluido incompressível
Velocidade do sólido é nula
	As equações do movimento e da continuidade para o líquido e para o sólido são:
Para o fluido:		 			(1)
Para o sólido:	 		(2)
Igualando as equações (1) e (2) e integrando, temos:
Dividindo ambos os lados pela área do leito:
Aplicando a equação de Forchheimer à equação do sólido (2):
Na mínima fluidização é possível considerar que o regime de escoamento seja Darcyniano, então:
Se o leito estiver operando em regime Darcyniano e não se tiver informações sobre a constante de permeabilidade do leito pode-se utilizar a equação a seguir que é obtida através da Teoria do Capilar, que não apresenta grande precisão:
Deve-se determinar a velocidade terminal da menor partícula do leito, porque esta se relaciona com a vazão máxima para que não haja arraste (Máxima Fluidização).
Para calcular a altura do leito utiliza-se a seguinte equação:
Na etapa de elaboração dos cálculos é importante definir os conceitos de porosidade (ε), que é a relação entre o volume de espaço vazio e o volume total do leito e de velocidade superficial, que é a velocidade média do escoamento vezes a porosidade.
Sendo:
ε: porosidade
A: Área da seção transversal do leito (m2)
L: Altura do leito (m)
Ms: Massa de sólido (kg)
ρs: Massa específica do sólido (kg/m3)
A equação da velocidade superficial é: 
O cálculo da velocidade mínima de fluidização apresenta algumas correlações na literatura, como por exemplo:
Correlação de Pavlov:
Correlação de Wen-Yu:
Correlação de Ergun:
Sendo:
Remf – Reynolds de Mínima Fluidização
ρ – Massa Específica do Fluido (kg/m³)
vmf – Velocidade de mínima fluidização (m/s)
dp – Diâmetro da partícula (m)
µ - Viscosidade (Pa.s)
g – Gravidade (m/s²)
ΔPmf – Variação da pressão de mínima fluidização (Pa)
Lmf – Altura do leito de mínima fluidização (m)
εmf – Porosidade de mínima fluidização
vs – velocidade superficial (m/s) 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
5.1 Descrição do equipamento
O sistema para realização do experimento é composto de um reator de leito fluidizado líquido-sólido e uma bomba de ¼ HP, que transfere o fluido presente no reservatório de 100 L para o reator. Para medir a pressão utiliza-se um manômetro diferencial de vidro tipo tubo em “U” contendo CCl4 como fluido manométrico.
O sistema do reator de leito fluidizado é formado por três partes: a seção do distribuidor, o reator de leito fluidizado e a seção de alívio. A seção do distribuidor é formada por um tubo de ½ in de PVC perfurado, que se encontra internamente a outro tubo de acrílico de 5,3 cm de diâmetro e 11 cm de altura, sendo que o distribuidor de placa é perfurado para garantir uma distribuição homogênea da água. O reator de leito fluidizado é formado por um tubo cilíndrico de 5,3 cm de diâmetro interno e 55 cm de altura. É composto por água como a parte líquida e esferas de vidro como a parte sólida. As tomadas de pressão do sistema são instaladas na base e na parede do reator e são necessárias para determinar os perfis de pressão. A terceira seção do sistema é a de “alívio”, composta por dois tubos de acrílico concêntrico, o externo (14,6 cm de diâmetro e 10 cm de altura) e o interno (5,3 cm de diâmetro e 4,0 cm de altura). Vale ressaltar que este último tubo funciona como prolongamento da coluna de acrílico, assegurando uma altura constante para o líquido.
5.2 Procedimento Experimental
Inicia-se o procedimento com a válvula V2 (válvula de reciclo) totalmente aberta, abrindo-se lentamente a válvula V1 (válvula de alimentação) para permitir a passagem do líquido pelo sistema. Para se obter a curva de “ida” deve-se aumentar a vazão de água lentamente, e para cada ponto de expansão do leito anota-se: a vazão de água, o tempo de escoamento, a altura do leito e a altura da coluna de água no manômetro tipo tubo em “U”, necessária para o cálculo da perda de carga no leito.
Para a coleta de dados, utilizou-se uma proveta graduada de 2,0 L, um cronômetro e um termômetro. Onde para cada vazão, coletou-se um volume de água por tempo.
 Para obtenção da curva de “volta”, deve-se proceder de forma contrária, ou seja, diminuindo a vazão de água e medindo os mesmos parâmetros da curda de “ida” para essa etapa.
O procedimento deve ser feito de maneira a se obter 5 pontos de leito fixo e 5 de fluidizado tanto para a ida quanto para a volta. É importante frisar que a análise feita para se definir o leito fixo ou fluidizado é visual, devido à expansão do leito, movimentação das partículas e diferença de pressão.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os dados experimentais para o leito fixo e fluidizado (ida e volta), estão apresentados nas próximas tabelas.
Tabela 1: Dados experimentais para a curva de ida.
Tabela 2: Dados experimentais para a curva de volta.
A abreviação TA significa válvula totalmente aberta. Nos campos onde não há indicação qualitativa de abertura de válvula, não foi possível qualifica-la com precisão.
Houve um problema no registro dos dados da curva de volta do leito fluidizado, pois uma menor altura do leito estava correspondendo a uma maior vazão. Neste relatório, alteramos para a correlação correta e deixamos aqui registrado para futuro efeito de comparação com a ficha de resultados entregue ao final do experimento.
Para o prosseguimento do tratamento de dados, foram necessárias algumas propriedades do sistema e do fluido, sendo estas apresentadas na Tabela 3.
Tabela 3: Parâmetros utilizados
A partir dos dados experimentais, foram calculados os valores das vazões, velocidade superficial, perda de carga e porosidade do leito para as curvas de ida e volta, valores estes apresentados nas próximas tabelas.
Tabela 4: Valores calculados para a curva de ida.
Tabela 5: Valores calculados para a curva de volta.
A partir dos resultados obtidos, a curva característica de fluidização foi plotada.
Gráfico 1: Curvas características de fluidização
	Equação das curvas (Gráfico 1)
	Leito fixo ida
	Y = 27227x - 15,614
	
	R² = 0,9978
	Leito fluidizado ida
	y = -492,36x + 1012,8
	
	R² = 0,5565
	Leito fixo volta
	y = 29203x - 5,621
	
	R² = 0,9938
	Leito fluidizado volta
	y = -1047,8x + 1098
	
	R² = 0,5689
Tabela 6: Equações das curvas do Gráfico 1
Com a finalidade de facilitar a visualização da velocidade mínima de fluidização obtida no experimento, foi elaborado o Gráfico 2, relacionando porosidade x velocidade superficial.
Gráfico 2: Relação porosidade x Velocidade superficial
No primeiro gráfico, que apresenta as curvas características de fluidização, notamos que em baixos valores de velocidade superficial do fluido, este se difunde por entre as partículas, as quais não se movimentam umas em relação às ouras. Com o amento da velocidade do fluido, aumenta-se a queda de pressão, até a pressão máxima (situação de mínima fluidização). Após o fluido atingir essa pressão máxima (1064,2 Pa no caso), aumentando-se a vazão do fluido ocorre o aumento da velocidade superficial e o leito de partículas se expande, conforme mostradono segundo gráfico, tendo em vista o distanciamento entre as partículas. Na verdade, como observado no gráfico de ida, o último ponto do leito fixo (que na verdade já era fluidizado) deveria ser invertido com o primeiro ponto do leito fluidizado (que ainda era fixo). 
Pelo segundo gráfico, nota-se que a porosidade (fração de vazios) aumenta de um valor fixo (aproximadamente 0,27) para o valor na mínima fluidização e continua aumentando à medida em que a vazão do fluido é incrementada.
CONCLUSÕES
Ao se aumentar o valor da velocidade superficial do fluido, o leito ainda que apresente expansão mantém a queda de pressão praticamente constante e se estabiliza. Nestes pontos, a queda de pressão no leito é contrabalançada pelo seu peso aparente. Após o leito comportar-se de forma estável e realizando-se a diminuição gradativa da velocidade superficial do fluido não se detecta de maneira proeminente o valor máximo da queda de pressão, uma vez que o fluido não necessitará vencer a resistência do leito para o deslocamento de partículas na sua superfície.
Assim, à medida em que se diminui a velocidade superficial do fluido, inferior à de mínima fluidização, as partículas se acomodam e a queda de pressão é governada pela fluidodinâmica em leito fixo.
BiBLIOGRAFIA
Escoamento em leitos porosos. Disponível em:<https://www.unicamp.br/fea /ortega/aulas/aula20_Fluidizacao_Alunos.ppt>. Acesso em: 17/10/2015
GOMIDE, Reynaldo. Operações Unitárias: operações com sistemas sólidos granulares. v.1. São Paulo: Edição do autor, 1983.
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA – USP. Fluidização. Disponível em:<http://www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi2303/arquivos /Apostila%20Fluidizacao%202013.pdf. Acesso em: 08 jun 2013.

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