Estudo dirigido - Leito Fluidizado

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PRATICAS DE LABORATÓRIO I
ESTUDO DIRIGIDO
I – Estudo dirigido: FLUIDIZAÇÃO
Considerando-se que o processo de secagem por leito fluidizado seja o mais aplicado na indústria, pergunta-se: Quais as principais diferenças a serem consideradas na especificação de um sistema de secagem por fluidização considerando-se, 
Remoção de água adsorvida em um determinado polímero
Remoção de um solvente orgânico adsorvido em um determinado polímero
Quando uma etapa de secagem faz-se necessária, o engenheiro deve escolher um secador adequado que se integre no processo como um todo. Deve ser observada a necessidade de recuperação de solvente ou de uma atmosfera inerte, sendo assim, em um sistema de secagem por fluidização, uma das diferenças entre a secagem de um polímero com água adsorvida ou com solvente orgânico adsorvido será o recheio utilizado, que deve possuir interação com cada um dos solventes, para que sua remoção seja efetiva.
Quais os principais conceitos a serem considerados no estudo de um sistema de fluidização.
A fluidização ocorre quando um fluxo de fluido (gás ou liquido) ascendente através de um leito de partículas adquire velocidade suficiente para suportar as partículas, porém sem arrastá-las junto com o fluido. A eficiência de um leito fluidizado depende em primeiro lugar do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Abaixo desta velocidade o leito não fluidiza, e muito acima dela, os sólidos são carregados para fora do leito. Geralmente, leitos fluidizados industriais se caracterizam por intensa misturação axial (ao longo do leito), o que propicia as altas taxas de transferência de calor e massas nesses sistemas.
Quais os parâmetros que influenciam na determinação da velocidade terminal e na perda de carga em um leito fluido?
Os parâmetros que influenciam na determinação da velocidade terminal são o diâmetro da partícula e as densidades da partícula e a do fluido. E para a perda de carga em um leito fluido são o diâmetro da partícula, as densidades da partícula e do fluido, a viscosidade do fluido, a velocidade da partícula, o comprimento do leito fluidizado, a esfericidade das partículas e a porosidade do leito.
Quais os principais tipos de fluidização que podem acontecer em um sistema gas / sólido?
A Figura abaixo ilustra os diferentes regimes de escoamento de fluido através de leito: leito fixo, fluidização particulada, regime de borbulhamento, escoamento “slug”, regime turbulento, fluidização rápida e transporte pneumático.
O conceito e cálculo da velocidade mínima para a fluidização aplica-se tanto para gases como para líquidos. No entanto, para velocidades maiores, os comportamentos são distintos nos dois casos.
No caso de fluidização de leito de sólidos com gás, geralmente se observa a formação de bolhas de gás ao longo do leito; pequena fração do gás escoa nos canais por entre as partículas. Nas regiões sem bolhas a porosidade é praticamente igual à da condição de fluidização incipiente. A este tipo de fluidização com bolhas são atribuídos diferentes denominações: “aggregative fluidization”, “boiling fluidization” e, o mais usual, “bubbling fluidization” – fluidização borbulhante.
O comportamento de leitos com bolhas depende do número de bolhas e do tamanho destas, que por sua vez dependem: da natureza, do tipo e tamanho das partículas, do tipo de distribuidor, da velocidade superficial e da altura do leito. As bolhas tendem a coalescer conforme ascendem no leito, podendo ocupar praticamente todo o diâmetro do leito. No caso de leitos de diâmetro menor pode ocorrer o “slugging” causada pela coalescência das bolhas e no escoamento do gás de forma pulsada.
Para velocidade de gás muito superior à mínima para fluidização, ocorre a transição da fluidização por borbulhamento para a turbulenta e rápida. Este fenômeno ocorre quando a expansão do leito é muito alta. A fase gás é contínua e são observadas pequenas regiões de alta e baixa densidade de leito. A velocidade correspondente à esta transição para a fluidização turbulenta é da ordem de 0,3 a 0,6 m/s.
Para velocidades de gás ainda maiores, as partículas são arrastadas pelo gás e podem ser recuperadas por ciclones e, assim, retornarem para o fundo do leito. Este sistema é chamado de leito recirculante. Trata-se praticamente de um transporte pneumático.
Como se comporta a perda de carga em função da variação da vazão em um LF, identifique cada etapa da curva explicando cada um dos pontos considerados.
Quais os parâmetros que influenciam na determinação da perda de carga de um leito fluidizado?
Para velocidades inferiores à de fluidização tem-se, no caso de partículas pequenas, escoamento laminar em leito fixo. Com o incremento da velocidade observa-se um aumento da perda de carga, em conformidade com a equação de Ergun, até que se atinge a condição de fluidização incipiente. A partir deste ponto, incrementos de velocidade implicam em movimentação das partículas e expansão do leito, sendo que a perda de carga no leito mantém-se constante, apesar do aumento de velocidade. A queda de pressão no leito é contrabalançada pelo seu peso aparente. Então, conforme a equação de Ergun, os parâmetros que influenciam a perda de carga em um leito fluidizado são o diâmetro da partícula, as densidades da partícula e do fluido, a viscosidade do fluido, a velocidade da partícula, o comprimento do leito fluidizado, a esfericidade das partículas e a porosidade do leito.
De que forma a distribuição granulométrica pode influenciar a operação / especificação de um sistema de fluidização.
A distribuição granulométrica influenciará na velocidade de operação do fluido, pois dependendo do tamanho da partícula, uma maior ou uma menor velocidade será necessária para obter a fluidização do leito. Por exemplo, o leito pode ser constituído de partículas pequenas que a baixas velocidades fluidiza, ou por partículas muito grandes ou muito densas que formam um leito do tipo jorro (‘spouted bed’) ao invés da fluidização típica, ou ainda pode ser constituído de um particulado muito fino (poeira), cuja coesão entre as partículas impede a fluidização.
O que vem a ser velocidade mínima de fluidização e como pode ser calculada / determinada experimentalmente.
O leito somente fluidizará a partir de um valor de velocidade do fluido ascendente, a velocidade mínima de fluidização, que pode ser calculada a partir da equação de Ergun. Quando o regime é turbulento, o termo de velocidade na equação de Ergun é insignificante em relação à velocidade ao quadrado, como demonstrado abaixo.
Experimentalmente, podemos obter a velocidade mínima de fluidização de acordo com o apresentado no presente relatório.
Quais os cuidados que devem ser adotados na especificação de um sistema de transporte pneumático.
Como no transporte pneumático há arraste de particulado, deve ser adicionado ao sistema equipamentos de separação, como ciclones, capazes de separar a fase sólida da fase gasosa, para posterior reciclo ou encaminhamento do material à outra operação.
Exercícios
Especifique um sistema de fluidização a ser instalado numa fábrica que processe cerca de 20 t/h de alumina (considere os dados verificados nas práticas). 
O grupo não conseguiu compreender o que foi solicitado, não sendo possível atingir especificações sem maiores informações fornecidas.
Elabore um fluxograma de processo indicando a interligação dos equipamentos, para um sistema que envolva a utilização de um gás inerte (nitrogênio) na remoção de n-hexano adsorvido em polietileno. Considere que o solvente removido deverá ser recuperado e que o nitrogênio devera recircular ao sistema para minimizar custos. O polímero úmido é alimentado na lateral do secador próxima á altura do leito expandido.