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NCD Indústria e Comércio de Equipamentos Didáticos Ltda. CNPJ: 07.548.695/0001-90 – IE: 255.045.239 ROTEIRO DE AULA PRÁTICA COLUNA DE FLUIDIZAÇÃO SÓLIDO-GÁS: Perda de Carga em Meios Porosos UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA Campus Federação – Salvador - BA Fevereiro de 2015 SOLUÇÕES PRÁTICAS PARA ENSINO E PESQUISA Página 2 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA COLUNA DE FLUIDIZAÇÃO SÓLIDO-GÁS: Perda de Carga em Meios Porosos 1. OBJETIVO Este Módulo Didático foi concebido e projetado para estudos relativos aos fenômenos envolvidos em Escoamentos de Fluidos em Meios Porosos (sistemas particulados), em Leito Fluidizado. Este experimento permite determinar as várias fazes da fluidização de um leito poroso, desde a fluidização incipiente até a borbulhante (slugs). Este experimento tem como objetivos didáticos: Estudar o comportamento fluidodinâmico de leitos de partículas sólidas, fluidizadas com ar, através da relação existente entre a perda de carga e a velocidade de escoamento do fluído. Com estes dados, confeccionar curvas de fluidização para um leito de partículas, identificando velocidade de mínima fluidização. Utilizar partículas que promovam fluidizações homogêneas (particuladas) ou heterogêneas (agregativas). Realizar a determinação dos seguintes propriedades do leito e das partículas: Porosidade do leito, Densidade bulk e aparente do leito, Densidade das partículas, Diâmetros médio e Esfericidade das partículas. Página 3 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA Para entender o fenômeno da fluidização, imagine uma massa de partículas acomodada sobre uma placa ou tela perfurada, formando um leito de seção transversal circular ou retangular. Agora imagine um fluido (corrente gasosa ou líquida) atravessando esse leito de partículas no sentido ascendente, como se mostra na Figura 1. Figura 1 – Leito de partículas percolado por uma corrente gasosa ascendente Com uma baixa velocidade do fluido, ele escoa nos espaços entre as partículas, sem promover movimentação do material— é uma simples percolação e o leito permanece fixo. À medida que se aumenta a velocidade do gás, as partículas afastam-se e algumas começam a apresentar uma leve vibração — tem-se nesse momento um leito expandido. Com velocidade ainda maior, atinge-se uma condição em que a soma das forças causadas pelo escoamento do gás no sentido ascendente igualam-se ao peso das partículas. Nessa situação, em que o movimento do material é mais vigoroso, atinge-se o que se chama de leito fluidizado. À velocidade do gás nessa condição dá-se o nome de mínima velocidade de fluidização, que é a velocidade correspondente ao regime de fluidização incipiente (KUNII & LEVENSPIEL, 1991; GUPTA & SATHIYAMOORTHY, 1999). Continuando-se o processo de aumento da velocidade do gás, a fluidização borbulhante é oregime que se observa após a fluidização incipiente. No caso de partículas de pequeno tamanho, com densidade geralmente menor do que 1,4 g/cm³, ocorre uma expansão considerável do leito antes de surgirem as bolhas que caracterizam a fluidização borbulhante. No caso de partículas mais densas, entre 1,4 g/cm³ e 4 g/cm³, a expansão do leito não vai muito além daquela adquirida na condição de fluidização incipiente e as bolhas já surgem com a velocidade de mínima fluidização (GELDART, 1973; KUNII & LEVENSPIEL, 1991). Página 4 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA Em alguns leitos fundos em vasos de diâmetro reduzido surgem “slugs”, grandes bolhas formadas pela coalescência de bolhas menores, cujo diâmetro é equivalente ao diâmetro do leito e movimentam-se num fluxo pistonado. Nesse regime observam-se grandes flutuações na queda de pressão do gás. A fluidização turbulenta é um regime que antecede a condição de leito de arraste (ou fluidização rápida) e está além da fluidização borbulhante. Sua identificação e caracterização corretas ainda são um desafio. Na fluidização turbulenta, as oscilações de queda de pressão no leito diminuem, pois as grandes bolhas e espaços vazios desaparecem (BI et al., 2000). O regime seguinte ao turbulento é o de fluidização rápida, que acontece quando a velocidade do gás excede a velocidade terminal de sedimentação das partículas e o material passa a ser arrastado. Com velocidades ainda maiores, suficientes para arrastar todo o material, atinge-se a condição de transporte pneumático. Para operar o sistema nessas condições deve haver uma operação subsequente de separação gás-sólido. Na Figura 2 mostram-se os tipos de regime de fluidização em função da velocidade do gás e sua queda de pressão ao escoar através do leito de partículas. O que se chama de fluidização é todo o intervalo compreendido entre a fluidização incipiente e a turbulenta. Figura 2 - Regimes de fluidização em função da velocidade superficial do fluido. Crédito: Sidnei Ribeiro Moraes Página 5 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA Uma vez fluidizado, o leito apresenta algumas propriedades semelhantes às de um líquido em ebulição. São elas: objetos mais leves, ou seja, com densidade inferior à do leito, flutuam no topo; superfície do leito permanece horizontal, ainda que se incline o recipiente; Os sólidos podem escoar através de uma abertura lateral no recipiente, como ocorreria com um líquido; o leito apresenta uma relação entre a pressão estática e a altura igual à de líquidos. Tais características permitem a elaboração de arranjos sofisticados para os leitos fluidizados, que facilitam a operação contínua, inclusive com recirculação. O grande número de aplicações dos leitos fluidizados existente deve-se a essas características. Nem toda partícula, quando submetida à fluidização gasosa, comporta-se da mesma maneira. Ou seja, conclusões extraídas de dados obtidos na fluidização de certo material não podem, a princípio, ser extrapoladas para outro. Visando tornar as generalizações possíveis, ou pelo menos minimizar as chances de erro, GELDART (1973) classificou o comportamento de sólidos fluidizados por gases em quatro categorias: A, B, C e D. Essa caracterização está representada na Figura 3. Apesar da existência de outros critérios de classificação — veja GUPTA & SATHIYAMOORTHY (1999) — a classificação de grupos de GELDART (1973) é muito bem aceita e citada com maior frequência na literatura. Figura 3 - Diagrama simplificado de classificação de partículas para fluidização gás-sólido (GELDART, 1973; PERRY& GREEN, 1998). As partículas do tipo A apresentam, de maneira geral, pequeno tamanho médio e/ou baixa densidade — inferior a 1,4 g/cm³. Esse tipo de material — pós finos e leves — submetido à fluidização gasosa expande-se consideravelmente antes do surgimento de Página 6 Roteiro de aula Prática – Colunade Fluidização UFBA bolhas. Ao se interromper o fluxo gasoso, o leito colapsa vagarosamente. Nesse tipo de fluidização, as bolhas aparecem com velocidades superiores à de mínima fluidização. Para as partículas do grupo B, as primeiras bolhas surgem na velocidade mínima de fluidização. Os materiais nesse grupo apresentam diâmetro compreendido entre 40 e 500 μm e densidade superior a 1,4 g/cm³ — a areia é um exemplo. A expansão do leito nesse tipo de fluidização é pequena e ele colapsa rapidamente quando o suprimento de gás é interrompido. Partículas do grupo D apresentam tamanho e/ou densidade elevada. A velocidade do gás necessária para a fluidização é alta, a mistura do material é pequena e a formação de jorro é favorecida. Leitos rasos devem ser utilizados para esse tipo de material. Existe ainda um quarto grupo, representado pela letra C, que são partículas que possuem tendência coesiva. À medida que a vazão de gás aumenta, aparecem canais preferenciais que se estendem da tela de distribuição do gás até a superfície do leito. Para esse tipo de material, a introdução de agitação, seja por vibração ou pulsação da corrente gasosa, é uma alternativa interessante para que se promova uma fluidização mais uniforme, sem o aparecimento de canais preferenciais que prejudiquem os processos de transferência de calor e massa. Em algumas pesquisas recentes tem-se procurado analisar o comportamento fluidodinâmico de nanopartículas. O estudo de WANG, RAHMAN & RHODES (2007) é um exemplo. Os autores mostraram que nanopartículas comportam-se como material do tipo C, mas que podem passar para o tipo A com altas velocidades superficiais. O comportamento dessas partículas depende muito da intensidade das forças interpartículas. O conhecimento dos fenômenos e das leis que regem a fluidização são necessáriospara projetos industriais tais como: Secadores de leito fluidizado. Para um leito particulado em estado de fluidização, um balanço de forças em uma secção qualquer do leito para um comprimento (altura) H, fornece: (1) onde: s e f - as massas específicas do sólido e do fluido; - porosidade do leito; H- altura do leito. Para a previsão da velocidade mínima de fluidização existem várias correlações na literatura (vide ref. 2 e 4) sendo, no entanto, mais segura a sua determinação experimental a partir do gráfico versus a velocidade superficial (u). – Para Fluidização Gás-Sólido: A teoria das duas fases em fluidização postula que para vazões superiores a da fluidização incipiente, uma certa quantidade de gás igual a da incipiente percola entre as partículas , enquanto o restante passa através do leito na forma Página 7 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA de bolhas. Com base nesta teoria, foi desenvolvida uma equação para prever a altura máxima (Hm) do leito: ] (2) onde: Ho- altura do leito fluidizado incipiente; Uo- velocidade superficial do gás na fluidização incipiente (velocidade mínima de fluidização); u- velocidade superficial do gás num dado instante; D- diâmetro interno da coluna; g- aceleração da gravidade. - Fluidização Líquido-Sólido: A queda de pressão neste caso é também dada pela equação (9), enquanto que a previsão da expansão do leito é escrita com base em correlações empíricas. Uma das correlações mais conhecidas é a de Richardson & Zaki [3]. (3) onde: ut- velocidade terminal de partícula isolada ; n- expoente que se situa entre 2,4 (para partículas grandes) e 4,6 (para partículas pequenas e líquidos viscosos). Página 8 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA 3 - EQUIPAMENTOS E MATERIAIS 3.1. Equipamento A Figura 4 apresenta o Equipamento a ser utilizado no experimento: Figura 4 – Coluna de Fluidização Sólido – Gás: Perda de Carga em Meios Porosos Esta Coluna de Fluidização faz parte da Bancada de Colunas Multi-Propósitos, apresentada na Figura 5. Figura 5 – Bancada de Colunas Multi-Propósitos Página 9 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA A Coluna de Fluidização Sólido – Gás é constituída pelas seguintes partes e acessórios: 01 Coluna de Leito Fluidizad0, em vidro e PE, de 75 mm de diâmetro, 50 cm de altura para fluidização e 80 cm de altura total incluindo o plenum. Coluna preenchidas com partículas para estudos em leito fluidizado, projetada para facilidades de manuseio (montagens e desmontagens), para trocas de meios porosos e limpezas em geral; 01 Painel com Medidor de vazão, tipo rotâmetro e válvula para controle da vazão de ar; 02 Medidores de Pressão, tipo Manômetros de Tubo em “U”, com fluido manométrico (água colorida); Obs.: O fluido gasoso a ser utilizado é ar advindo de Compressor de ar da própria estrutura da Universidade. 3.2. Materiais 01 Conjunto de amostras de meio poroso, para troca do material das colunas e determinação das propriedades do leito e das partículas; Nota: o diâmetro de partículas da areia inclusa originalmente no leito é de = 0,25 a 0,42 mm = diâmetro médio de 0,34 m; A densidade desta areia deve ser feito pelo método da picnometria e A Porosidade inicial ( ou de repouso frouxo, médio ou compactado) de um leito, formado com estas partículas, pode ser feito com auxílio de uma proveta (ou Becker) de 100 ou 250 ml, pela metodologia via úmida ou pela metodologia via seca tendo a densidade absoluta da partícula ou a densidade “bulk” do leito. 01 Conjunto de vidrarias composto, por: 01 balão volumétrico de 100 mL; 01 proveta de 10 mL, para determinações das propriedades dos leitos Página 10 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1. Escolher o sólido a ser utilizado no experimento: areia fina (que esteja entre 40 a 60 meshes) ou outros materiais, com maior ou menor densidade, porém dentro desta faixa granulometrica. Obs.: Realizar as determinações da densidade por picnometria e a granulometria através de peneiras. Nota: o diâmetro de partículas da areia inclusa originalmente no leito é de = 0,25 a 0,42 mm = diâmetro médio de 0,34 m; 4.2. Colocar uma massa (quantidade) conhecida, do sólido escolhido, no interior da Coluna de fluidização. Como sugestão, uma quantidade que preencha, 25 a 30 cm do leito. 4.3. Com o leito, inicialmente, compactado, anote sua altura inicial (Ho) e calcule a porosidade inicial aparente deste leito (ε0) e a altura inicial do Leito (Ho), através da régua anexada. 4.4. Em seguida, variar lentamente a vazão de ar, através do Rotâmetro (R) em, no máximo, de 1 em 1 litro por minuto até a vazão máxima.Para cada vazão, realizar as respectivas medidas de Δh no Manômetro (MU) e os respectivos aumentos na altura (H) do leito. OBs.: 1) A fluidização incipiente poderá ser notada, no leito em estudo, quando o mesmo torna-se com aspecto “gelatinoso”, ou seja, leito frouxo. Portanto, a cada aumento de vazão, faça leves movimentos de “vai e vem” no leito a fim de observar este ponto (aspecto). 2) Acima deste ponto, teremos o início da formação de bolhas de ar (“slugs”) e com vazões mais altas podem ocorrer consideráveis oscilações. 3) A vazão máxima a ser atingida á aquela que provoque, no máximo, a fluidização “slug”. 4.5. Em seguida, começar a diminuir a vazão, nos mesmos intervalos, e realizar novamente as medidas de Δh no Manômetro e de H do leito, para verificar possíveis histereses, devido a expansão que o leito sofreu. Página 11 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA 5. CÁLCULOS E ANÁLISES DOS RESULTADOS 5.1. Faça um gráfico da queda de pressão (ΔP) contra a vazão (Q), em papel normal e papel log-log e obtenha a queda de pressão suficiente para suportar o leito. Identifique o ponto de mínima fluidização. Analise a histerese na leitura de Δh e Compare com o gráfico esperado a partir dos cálculos da literatura. 5.2. Faça o gráfico, em papel normal, da altura do leito (H) versus vazão de ar (Q) e coloque no mesmo gráfico a relação: ] onde: A- área transversal da coluna. Comente os dados obtidos e analise este gráfico e Analise a histerese na leitura de Ho do leito 5.3. Compare as velocidades mínimas (umin) de fluidização obtidas experimentalmente com as previstas por, pelo menos, uma correlação da literatura. 5.4. Com os dados obtidos no experimento, para as partículas utilizadas, compare e analise sua classificação em relação à Figura 3 apresentada na Introdução. 5.5. Qual a diferença entre fluidização agregativa (ou heterogênea) e fluidização particulada (ou homogênea)? Página 12 Roteiro de aula Prática – Coluna de Fluidização UFBA 6. BIBLIOGRAFIA 1- COULSON, J.M. e RICHARDSON, J.F.- Tecnologia Química, volume II- Operações Unitárias, Lisboa, Fundação C. Gulbenkian, 20 ed. 1968. 2- FOUST, A.S. et al. - Princípios das Operações Unitárias, Editora Guanabara Dois, 20 ed. 3- McCABE & SMITH- Unit Operations of Chemical Engineering. 4- DAVIDSON, H. - Fluidized Particles. Cambridge University, 1963. 5- KUNII & LEVENSPIEL - Fluidization Engineering. John Wiley, 1962. 6- NITZ Marcello (Escola de Engenharia Mauá, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia) e GUARDANI Roberto (Departamento de Engenharia Química, Escola Politécnica da USP ) – Fluidização Gás-Sólido – Fundamentos e avanços- 7. Sobre o Autor Este roteiro de aula prática foi elaborado Assessor Técnico da ECOEducacional, Professor Adelamar Ferreira Novais (CRQ: 13.300.311), do Departamento de Engenharia Química e Alimentos (EQA) da UFSC (Campus Universitário – Florianópolis) desde 1989. Ministra as seguintes disciplinas: Projetos Industriais I, Projetos de Conclusão de Curso, Laboratório de Fenômenos de Transferência e Operações Unitárias I; Laboratório de Fenômenos de Transferência e Operações Unitárias II, Química Tecnológica e Celulose e Papel. Apresenta, também, vasta experiência de consultoria industrial desde 1991, principalmente no desenvolvimento e otimização de processos e produtos, estudos de impactos ambientais atmosféricos e tratamento e reaproveitamento de resíduos e outros temas. A equipe técnica da ECOEducacional revisa seus documentos constantemente. Qualquer dúvida sobre este documento e/ou a operação do equipamento entre em contato pelo telefone (48)3257-9936 ou pelo e-mail atendimento@ecoeducacional.com.br
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