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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Edson Cordeiro do Valle
Depto. de Eng. Qu´ımica - UFRGS
Porto Alegre - RS - Brasil
18 de Abril de 2017
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Bibliografia
Coulson and Richardson’s Chemical Engineering Volume 2 - Particle Technology and Separation Processes. Elsevier.
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Se um fluido atravessa um leito de so´lidos na direc¸a˜o descendente,
na˜o ha´ movimento relativo das part´ıculas em relac¸a˜o ao fluido (a
na˜o ser que as part´ıculas estejam arranjadas em uma configurac¸a˜o
na˜o-esta´vel.
Nesse caso , a perda de carga atrave´s do leito e´ diretamente
proporcional a vaza˜o do fluido.
Em resumo, o comportamento e´ regido pelos fenoˆmenos de
escoamento em leitos porosos.
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Quando um l´ıquido atravessa um leito poroso na direc¸a˜o
ascendente, a mesma fenomenologia anterior e´ va´lida, desde que a
vaza˜o seja baixa.
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Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Edson Cordeiro do Valle Fluidizac¸a˜o - Aula 1
Motivac¸a˜o
Introduc¸a˜o
Vamos supor que eu quero realizar uma reac¸a˜o qu´ımica, onde os
reagente e produtos esta˜o na fase gasosa e a mesma e´ catalizada
por um catalizador so´lido em forma de esferas.
Qual dos dois sistemas eu escolheria, porque?
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Aplicac¸o˜es
Aplicac¸o˜es - Transfereˆncia de calor e massa intensa:
Reac¸o˜es Qu´ımicas
Craqueamento catal´ıtico
Gaseificac¸a˜o / Co-Gaseificac¸a˜o
Combusta˜o / Piro´lise
Aquecimento e resfriamento de so´lidos granulares
Lixiviac¸a˜o (Extrac¸a˜o So´lido - L´ıquido)
Adsorc¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Aplicac¸o˜es
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Reac¸o˜es Qu´ımicas
Craqueamento catal´ıtico
Gaseificac¸a˜o / Co-Gaseificac¸a˜o
Combusta˜o / Piro´lise
Aquecimento e resfriamento de so´lidos granulares
Lixiviac¸a˜o (Extrac¸a˜o So´lido - L´ıquido)
Adsorc¸a˜o
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Combusta˜o / Piro´lise
Aquecimento e resfriamento de so´lidos granulares
Lixiviac¸a˜o (Extrac¸a˜o So´lido - L´ıquido)
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Craqueamento catal´ıtico
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Craqueamento catal´ıtico
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Combusta˜o / Piro´lise
Aquecimento e resfriamento de so´lidos granulares
Lixiviac¸a˜o (Extrac¸a˜o So´lido - L´ıquido)
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Fluidizac¸a˜o - Aplicac¸o˜es
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Transporte pneuma´tico:
So´lidos em gases
So´lidos em l´ıquidos
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Transporte pneuma´tico:
So´lidos em gases
So´lidos em l´ıquidos
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Tipos de interac¸a˜o entre so´lidos e fluidos:
Leito fixo
Leito fluidizado
Leito mo´vel (transporte pneuma´tico/hidrau´lico)
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Tipos de interac¸a˜o entre so´lidos e fluidos:
Leito fixo
Leito fluidizado
Leito mo´vel (transporte pneuma´tico/hidrau´lico)
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Tipos de interac¸a˜o entre so´lidos e fluidos:
Leito fixo
Leito fluidizado
Leito mo´vel (transporte pneuma´tico/hidrau´lico)
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fixo
Part´ıculas so´lidas compactadas em uma geometria atrave´s da qual
e´ forc¸ada a passagem de um fluido (ga´s ou l´ıquido), sendo que o
leito permanece estaciona´rio.
Tambe´m sa˜o chamados de colunas empacotadas, colunas
recheadas, leito empacotado ou leito poroso.
Este sistema e´ encontrado em leitos catal´ıticos, colunas recheadas
empregadas em absorc¸a˜o e em adsorc¸a˜o, filtros de leitos granulares
entre outras operac¸o˜es unita´rias.
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fixo
Part´ıculas so´lidas compactadas em uma geometria atrave´s da qual
e´ forc¸ada a passagem de um fluido (ga´s ou l´ıquido), sendo que o
leito permanece estaciona´rio.
Tambe´m sa˜o chamados de colunas empacotadas, colunas
recheadas, leito empacotado ou leito poroso.
Este sistema e´ encontrado em leitos catal´ıticos, colunas recheadas
empregadas em absorc¸a˜o e em adsorc¸a˜o, filtros de leitos granulares
entre outras operac¸o˜es unita´rias.
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fixo
Part´ıculas so´lidas compactadas em uma geometria atrave´s da qual
e´ forc¸ada a passagemde um fluido (ga´s ou l´ıquido), sendo que o
leito permanece estaciona´rio.
Tambe´m sa˜o chamados de colunas empacotadas, colunas
recheadas, leito empacotado ou leito poroso.
Este sistema e´ encontrado em leitos catal´ıticos, colunas recheadas
empregadas em absorc¸a˜o e em adsorc¸a˜o, filtros de leitos granulares
entre outras operac¸o˜es unita´rias.
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fixo - Desvantagens
Na˜o uniformidade do escoamento entre os espac¸os intersticiais
do leito fixo;
Dificuldades mecaˆnicas para remoc¸a˜o, lavagem e tratamento
do leito;
Menores valores de transfereˆncia de calor e massa entre as
fases, o que acarreta fortes gradientes de concentrac¸a˜o e
temperatura, reduzindo a eficieˆncia de operac¸a˜o (ex.: reatores
de leito catal´ıtico com ”Hot Spots”).
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Leito Fixo - Desvantagens
Na˜o uniformidade do escoamento entre os espac¸os intersticiais
do leito fixo;
Dificuldades mecaˆnicas para remoc¸a˜o, lavagem e tratamento
do leito;
Menores valores de transfereˆncia de calor e massa entre as
fases, o que acarreta fortes gradientes de concentrac¸a˜o e
temperatura, reduzindo a eficieˆncia de operac¸a˜o (ex.: reatores
de leito catal´ıtico com ”Hot Spots”).
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fixo - Desvantagens
Na˜o uniformidade do escoamento entre os espac¸os intersticiais
do leito fixo;
Dificuldades mecaˆnicas para remoc¸a˜o, lavagem e tratamento
do leito;
Menores valores de transfereˆncia de calor e massa entre as
fases, o que acarreta fortes gradientes de concentrac¸a˜o e
temperatura, reduzindo a eficieˆncia de operac¸a˜o (ex.: reatores
de leito catal´ıtico com ”Hot Spots”).
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado
As part´ıculas permanecem suspensas devido a uma corrente
ascendente de fluido de forma a manter os so´lidos sob vigorosa
agitac¸a˜o e movimentac¸a˜o. Quando a forc¸a exercida pelo fluido se
iguala a` forc¸a peso das part´ıculas, o leito se expande, ocorrendo...
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado
O leito se expande, ocorrendo...
Aumento da porosidade devido ao aumento dos espac¸os
vazios entre as part´ıculas;
Crescimento da velocidade de movimentac¸a˜o individual de
cada part´ıcula;
A partir de um valor de pressa˜o m´ınima, atinge-se a situac¸a˜o
de fluidizac¸a˜o, onde as part´ıculas assemelham-se a bolhas em
um l´ıquido fervente.
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado
O leito se expande, ocorrendo...
Aumento da porosidade devido ao aumento dos espac¸os
vazios entre as part´ıculas;
Crescimento da velocidade de movimentac¸a˜o individual de
cada part´ıcula;
A partir de um valor de pressa˜o m´ınima, atinge-se a situac¸a˜o
de fluidizac¸a˜o, onde as part´ıculas assemelham-se a bolhas em
um l´ıquido fervente.
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Leito Fluidizado
O leito se expande, ocorrendo...
Aumento da porosidade devido ao aumento dos espac¸os
vazios entre as part´ıculas;
Crescimento da velocidade de movimentac¸a˜o individual de
cada part´ıcula;
A partir de um valor de pressa˜o m´ınima, atinge-se a situac¸a˜o
de fluidizac¸a˜o, onde as part´ıculas assemelham-se a bolhas em
um l´ıquido fervente.
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - Vantagens
Maior eficieˆncia de contato so´lido-fluido (maior a´rea dos
so´lidos exposta ao fluido)
Maiores taxas de transfereˆncia de calor e massa, acarretando
em equipamentos de dimenso˜es menores
Melhor distribuic¸a˜o de temperatura (homogeneidade e
estabilidade) e inexisteˆncia de pontos quentes (Hot Spots).
Permite operac¸o˜es cont´ınuas e automaticamente controladas
Operac¸a˜o mais adequada para escalas maiores
Fa´cil reposic¸a˜o (ou regenerac¸a˜o) dos so´lidos (catalisadores)
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - DESVantagens
Escoamento com grande perda de carga
Maiores custos de instalac¸a˜o e operac¸a˜o
Desgaste da parede do equipamento devidoa` erosa˜o
continua ...
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
Leito Fluidizado - DESVantagens
Escoamento com grande perda de carga
Maiores custos de instalac¸a˜o e operac¸a˜o
Desgaste da parede do equipamento devido a` erosa˜o
continua ...
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Motivac¸a˜o
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Leito Fluidizado - DESVantagens
Escoamento com grande perda de carga
Maiores custos de instalac¸a˜o e operac¸a˜o
Desgaste da parede do equipamento devido a` erosa˜o
continua ...
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Leito Fluidizado - DESVantagens
Escoamento com grande perda de carga
Maiores custos de instalac¸a˜o e operac¸a˜o
Desgaste da parede do equipamento devido a` erosa˜o
continua ...
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
... Leito Fluidizado - DESVantagens
Elevado atrito pode fazer as part´ıculas se desintegrarem ou
quebrarem, com formac¸a˜o de po´, o qual e´ arrastado pelo leito.
A limpeza do ga´s de sa´ıda se faz necessa´ria.
Movimentac¸a˜o aleato´ria das part´ıculas no leito - part´ıculas
esgotadas podem recircular eternamente e part´ıculas novas
podem atravessa´-lo com muita facilidade, na˜o havendo tempo
para que os processos de troca ocorram (calor, massa, reac¸a˜o).
Pode ocorrer ”slugging”(empolamento): fenoˆmeno em que o
diaˆmetro das bolhas dentro do leito se aproximam das
dimenso˜es do recipiente (leitos estreitos e altos).
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Motivac¸a˜o
Escoamento de Fluidos em So´lidos Particulados
... Leito Fluidizado - DESVantagens
Elevado atrito pode fazer as part´ıculas se desintegrarem ou
quebrarem, com formac¸a˜o de po´, o qual e´ arrastado pelo leito.
A limpeza do ga´s de sa´ıda se faz necessa´ria.
Movimentac¸a˜o aleato´ria das part´ıculas no leito - part´ıculas
esgotadas podem recircular eternamente e part´ıculas novas
podem atravessa´-lo com muita facilidade, na˜o havendo tempo
para que os processos de troca ocorram (calor, massa, reac¸a˜o).
Pode ocorrer ”slugging”(empolamento): fenoˆmeno em que o
diaˆmetro das bolhas dentro do leito se aproximam das
dimenso˜es do recipiente (leitos estreitos e altos).
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Motivac¸a˜o
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... Leito Fluidizado - DESVantagens
Elevado atrito pode fazer as part´ıculas se desintegrarem ou
quebrarem, com formac¸a˜o de po´, o qual e´ arrastado pelo leito.
A limpeza do ga´s de sa´ıda se faz necessa´ria.
Movimentac¸a˜o aleato´ria das part´ıculas no leito - part´ıculas
esgotadas podem recircular eternamente e part´ıculas novas
podem atravessa´-lo com muita facilidade, na˜o havendo tempo
para que os processos de troca ocorram (calor, massa, reac¸a˜o).
Pode ocorrer ”slugging”(empolamento): fenoˆmeno em que o
diaˆmetro das bolhas dentro do leito se aproximam das
dimenso˜es do recipiente (leitos estreitos e altos).
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
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Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Velocidade necessa´ria de fluidizac¸a˜o:
ESTAMOS INTERESSADOS EM CALCULAR ESSA
VELOCIDADE!!!!!!!!!!!!
Aumenta a massa espec´ıfica do so´lido
Aumenta com o diaˆmetro da part´ıcula
Depende da forma da part´ıcula
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Velocidade necessa´ria de fluidizac¸a˜o:
ESTAMOS INTERESSADOS EM CALCULAR ESSA
VELOCIDADE!!!!!!!!!!!!
Aumenta a massa espec´ıfica do so´lido
Aumenta com o diaˆmetro da part´ıcula
Depende da forma da part´ıcula
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Velocidade necessa´ria de fluidizac¸a˜o:
ESTAMOS INTERESSADOS EM CALCULAR ESSA
VELOCIDADE!!!!!!!!!!!!
Aumenta a massa espec´ıfica do so´lido
Aumenta com o diaˆmetro da part´ıcula
Depende da forma da part´ıcula
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Velocidade necessa´ria de fluidizac¸a˜o:
ESTAMOS INTERESSADOS EM CALCULAR ESSA
VELOCIDADE!!!!!!!!!!!!
Aumenta a massa espec´ıfica do so´lido
Aumenta com o diaˆmetro da part´ıcula
Depende da forma da part´ıcula
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Velocidade necessa´ria de fluidizac¸a˜o:
ESTAMOS INTERESSADOS EM CALCULAR ESSA
VELOCIDADE!!!!!!!!!!!!
Aumenta a massa espec´ıfica do so´lido
Aumenta com o diaˆmetro da part´ıcula
Depende da forma da part´ıcula
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Motivac¸a˜o
Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Tipos
Particulada (ou homogeˆnea)
O fluido e´ l´ıquido e sua densidade na˜o difere muito da densidade
da part´ıcula com o qual esta´ em contato (densidades similares). O
fluido escoa a baixa velocidade e a distribuic¸a˜o de part´ıculas e´ mais
uniforme.
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Tipos
Agregativa (ou heterogeˆnea)
Ocorre quando as densidades do fluido e do so´lido sa˜o muito
diferentes; por exemplo, o fluido e´ um ga´s, ou as part´ıculas sa˜o
grandes e o fluido escoa em velocidades muito elevadas.
Fluidizac¸a˜o irregular, onde ocorre a formac¸a˜o de bolhas que
arrastam gruposde part´ıculas ”agregadas”ou agrupadas entre si.
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Se em um leito fixo, a vaza˜o e´ aumentada progressivamente,
ocorre:
Arraste = Pap Rearranjo das part´ıculas −→ expansa˜o do leito
(reduzir a resisteˆncia ao escoamento)
fricc¸a˜o = peso : leito atinge um grau mais baixo de
estabilidade e empacotamento
Part´ıculas se separam e comec¸am a se sustentar no fluido
(leito fluidizado)
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Transporte pneuma´tico
Pap = peso menos a forc¸a de empuxo
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Se em um leito fixo, a vaza˜o e´ aumentada progressivamente,
ocorre:
Arraste = Pap Rearranjo das part´ıculas −→ expansa˜o do leito
(reduzir a resisteˆncia ao escoamento)
fricc¸a˜o = peso : leito atinge um grau mais baixo de
estabilidade e empacotamento
Part´ıculas se separam e comec¸am a se sustentar no fluido
(leito fluidizado)
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Transporte pneuma´tico
Pap = peso menos a forc¸a de empuxo
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Se em um leito fixo, a vaza˜o e´ aumentada progressivamente,
ocorre:
Arraste = Pap Rearranjo das part´ıculas −→ expansa˜o do leito
(reduzir a resisteˆncia ao escoamento)
fricc¸a˜o = peso : leito atinge um grau mais baixo de
estabilidade e empacotamento
Part´ıculas se separam e comec¸am a se sustentar no fluido
(leito fluidizado)
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Transporte pneuma´tico
Pap = peso menos a forc¸a de empuxo
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Se em um leito fixo, a vaza˜o e´ aumentada progressivamente,
ocorre:
Arraste = Pap Rearranjo das part´ıculas −→ expansa˜o do leito
(reduzir a resisteˆncia ao escoamento)
fricc¸a˜o = peso : leito atinge um grau mais baixo de
estabilidade e empacotamento
Part´ıculas se separam e comec¸am a se sustentar no fluido
(leito fluidizado)
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Transporte pneuma´tico
Pap = peso menos a forc¸a de empuxo
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Observac¸o˜es
A transic¸a˜o entre as etapas na˜o e´ uniforme (fases podem
coexistir)
O agente fluidizante (ga´s ou l´ıquido) influencia fisicamente o
fenoˆmeno (forc¸as de superf´ıcie)
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Observac¸o˜es
A transic¸a˜o entre as etapas na˜o e´ uniforme (fases podem
coexistir)
O agente fluidizante (ga´s ou l´ıquido) influencia fisicamente o
fenoˆmeno (forc¸as de superf´ıcie)
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Se a vaza˜o e´ aumentada progressivamente, ocorre:
Arraste = Pap Rearranjo das part´ıculas −→ expansa˜o do leito
(reduzir a resisteˆncia ao escoamento)
fricc¸a˜o = peso : leito atinge um grau mais baixo de
estabilidade e empacotamento
Part´ıculas se separam e comec¸am a se sustentar no fluido
(leito fluidizado)
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual *
Transporte pneuma´tico
* Na˜o existe distinc¸a˜o se o agente de separac¸a˜o e´ um ga´s ou l´ıquido
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase l´ıquida:
Leito continua a se expandir com o aumento da velocidade
Cara´ter uniforme.
Grau de agitac¸a˜o das part´ıculas aumentando progressivamente
Denominada fluidizac¸a˜o particulada, homogeˆnea ou lisa
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase l´ıquida:
Leito continua a se expandir com o aumento da velocidade
Cara´ter uniforme.
Grau de agitac¸a˜o das part´ıculas aumentando progressivamente
Denominada fluidizac¸a˜o particulada, homogeˆnea ou lisa
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase l´ıquida:
Leito continua a se expandir com o aumento da velocidade
Cara´ter uniforme.
Grau de agitac¸a˜o das part´ıculas aumentando progressivamente
Denominada fluidizac¸a˜o particulada, homogeˆnea ou lisa
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanho ao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanho ao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanho ao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanhoao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanho ao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Part´ıculas se separam mais −→ ∆P ≈ igual
Fluidizac¸a˜o em fase ga´s (fluidizac¸a˜o uniforme obtida somente em
baixas velocidades (leito calmo).
Em altas velocidades, duas fases podem surgir (fluidizac¸a˜o
heterogeˆnea, agregativa, leito borbulhante):
Uma fase cont´ınua ou ”fase densa”ou ”fase emulsa˜o”, onde o
ga´s escoa pelos espac¸os do leito
Uma fase descont´ınua, ou ”fase bolha”ou ”fase leve”, onde o
ga´s escoa atrave´s de bolhas
Vaza˜o de ga´s ascende em forma de bolhas
Em leitos altos, bolhas se coalescem (unem)
As bolhas aumentam de tamanho ao chegar na superficie do
leito, devido a` menor pressa˜o de camanda de so´lidos
Em vasos estreitos, jatos de ga´s e de part´ıculas fluidizadas que
sobem e colapsam.
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
continuac¸a˜o ... fluidizac¸a˜o heterogeˆnea, agregativa, leito
borbulhante
Em alt´ıssimas velocidades (arranjo cao´tico):
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Motivac¸a˜o
Fluidizac¸a˜o - Descric¸a˜o Fenomenolo´gica
Para caracterizar as condic¸o˜es de fluidizac¸a˜o particulada ou
agregativa, usa-se o nu´mero de Froude Fr :
u2mf
g .d
umf : velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o (ca´lculo baseado na sec¸a˜o
transversal)
d : diaˆmetro das part´ıculas
g : acelerac¸a˜o da gravidade
Fr < 1 : geralmente ocorre fluidizac¸a˜o particulada
Fr > 1 : geralmente ocorre fluidizac¸a˜o agregativa
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Motivac¸a˜o
RELEMBRANDO - Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
RELEMBRANDO - Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
RELEMBRANDO - Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
RELEMBRANDO - Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
RELEMBRANDO - Condic¸o˜es de Fluidizac¸a˜o
Dependem dos seguintes fatores
Estado f´ısico do fluido
Densidade do so´lido
Granulometria do so´lido
Densidade do fluido (somente para l´ıquidos)*
* Em fluidizac¸a˜o de so´lidos por ga´s, a massa espec´ıfica do ga´s tem
pouca influeˆncia nas condic¸o˜es de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Classificac¸a˜o das Part´ıculas Segundo Geldart
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Motivac¸a˜o
Classificac¸a˜o das Part´ıculas Segundo Geldart
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
Para identificar as fases da fluidizac¸a˜o, constroi-se um gra´fico de
log ∆P (queda de pressa˜o no leito) por log uc (velocidade
superficial).
A curva t´ıpica tem o seguinte formato:
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
Para identificar as fases da fluidizac¸a˜o, constroi-se um gra´fico de
log ∆P (queda de pressa˜o no leito) por log uc (velocidade
superficial).
A curva t´ıpica tem o seguinte formato:
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
Relac¸a˜o linear (ate´ o Ponto A), indica leito esta´tico, mas a perda
de carga no fluido e´ suficiente para equilibrar o peso do so´lido
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
Trecho A-B: Existe um leve expansa˜o do leito.
B e´ denominado de ponto de fluidizac¸a˜o.
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
B-C: Fluidizac¸a˜o em batelada ou fluidizac¸a˜o em fase densa (leito
em ebulic¸a˜o)
Part´ıculas praticamente na˜o deixam o recipiente
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Motivac¸a˜o
Fases da Fluidizac¸a˜o
C - : Fluidizac¸a˜o cont´ınua ou fluidizac¸a˜o em fase dilu´ıda
(transporte pneuma´tico)
Perda de carga aumenta
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o
A velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o pode ser determinada
experimentalmente:
1 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com o aumento
da velocidade superficial
2 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com a
REDUC¸A˜O aumento da velocidade superficial ate´ voltar ao
seu estado inicial
3 Grafica-se os resultados
4 As duas melhores linhas retas sa˜o graficadas atrave´s dos
pontos experimentais e a velocidade nos seus pontos de
intersec¸a˜o e´ a velocidade m´ınima de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o
A velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o pode ser determinada
experimentalmente:
1 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com o aumento
da velocidade superficial
2 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com a
REDUC¸A˜O aumento da velocidade superficial ate´ voltar ao
seu estado inicial
3 Grafica-se os resultados
4 As duas melhores linhas retas sa˜o graficadas atrave´s dos
pontos experimentais e a velocidade nos seus pontos de
intersec¸a˜o e´ a velocidade m´ınima de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o
A velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o pode ser determinada
experimentalmente:
1 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com o aumento
da velocidade superficial
2 Mede-se a queda de pressa˜o atrave´s do leito com a
REDUC¸A˜Oaumento da velocidade superficial ate´ voltar ao
seu estado inicial
3 Grafica-se os resultados
4 As duas melhores linhas retas sa˜o graficadas atrave´s dos
pontos experimentais e a velocidade nos seus pontos de
intersec¸a˜o e´ a velocidade m´ınima de fluidicac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Nu´mero de Reynolds
Raza˜o entre forc¸as inerciais e forc¸as viscosas
Re =
dp.vs .ρ
µ
Nu´mero de Froude
Raza˜o entre forc¸as inerciais e forc¸as gravitacionais
Fr =
v2s
dp.g
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Nu´mero de Arquimedes
Raza˜o entre forc¸as gravitacionais e forc¸as viscosas
Ar =
d3p .ρ. (ρp − ρ) .g
ν2
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Fr .Re.
ρp−ρ
ρ .
L
dp
< 100
Fluidizac¸a˜o particulada (ou homogeˆnea)
Fr .Re.
ρp−ρ
ρ .
L
dp
> 100
Fluidizac¸a˜o agregativa (ou heterogeˆnea)
Ambos avaliados no ponto de m´ınima fluidizac¸a˜o
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Porosidade (ε) e altura do leito (L)
ε =
Vvazios
VTotal
Considerando constante a massa de so´lidos do leito.
m = ρp.A.L. (1− ε) = ρp.A.Lmf . (1− εmf )
ε = 1− Lmf (1− εmf )
L
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Esferecidade φ
φ =
area da superficie da esfera com mesmo volume da particula
area da superficie particula
Diaˆmetro efetivo das part´ıculas, Dp
Dp = φ.dp
Diaˆmetro me´dio de Sauter dp
dp =
1∑ x1
D1
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
A fluidizac¸a˜o inicia quando a forc¸a de arraste do fluido ascendente
consegue equilibrar a forc¸a peso (aparente) que age sobre as
part´ıculas:
∆P.A = (Lmf .A) . (1− ε) . (ρp − ρ) .g
Equac¸a˜o de Ergun: queda de pressa˜o em leito fixo:
∆P
L
= 150.
(1− ε)2
ε3
.
µ.vs
D2p
+ 1, 75.
(1− ε)
ε3
.
rho.v2s
Dp
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Igualamos a perda de carga das duas equac¸o˜es e rearranjamos em
termos adimensionais.
Ale´m disso, como as part´ıculas normalmente na˜o apresentam
formato esfe´rico perfeito, utilizamos o fator de forma ou
esfericidade (φ) para corrigir o diaˆmetro me´dio da part´ıcula.
Para so´lidos com as treˆs dimenso˜es semelhantes
150.
(1− εmf )
ε3mf .φ
2
.Remf +
1, 75
ε3mf .φ
.Re2mf = Ar
em que Ar e´ o nu´mero de Arquimedes, rearranjando
K2.Remf + K1.Re
2
mf = Ar
K2 = 150.
(1− εmf )
ε3mf .φ
2
K1 =
1, 75
ε3mf .φ
Remf =
[(
K2
2.K1
)2
+
1
K1
.Ar
]1/2
− K2
2.K1
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Wen e Yu (1966) verificaram que a equac¸a˜o anterior e´ va´lida para
uma faixa que vai desde Remf = 0,001 ate´ 4000.
Para uma estimativa grosseira de vmf , pode-se usar as constantes
da literatura.
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Ca´lculos
Para part´ıculas pequenas e velocidades pequenas de fluido,
podemos desconsiderar o termo quadra´tico de Remf . Assim:
vmf =
D2p . (ρp − ρ) .g
150.ν
.
ε3mf .φ
2
(1− εmf ) para Remf < 20
Para part´ıculas grandes e valores elevados de velocidade de
fluidizac¸a˜o, podemos desconsiderar o termo linear de Remf . Assim:
vmf =
√
Dp
1, 75
.
ρp − ρ
ρ
.g .ε3mf .φ. para Remf > 1000
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Motivac¸a˜o
Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Exerc´ıcios
Um catalisador, com part´ıculas esfe´ricas de 50 m´ıcrons e ρp=1,65
g/cm3, e´ usado para craquear vapores de hidrocarbonetos em um
reator a leito fluidizado que opera a 900oF, sob pressa˜o de 1 atm.
O leito, em repouso, tem a porosidade de 0,35 e uma altura de 3
ft. Nas condic¸o˜es de operac¸a˜o, a viscosidade do fluido e´ 0,02 cP e
sua massa espec´ıfica e´ 0,21 lb/ft3. Determinar a velocidade
superficial do ga´s necessa´ria para fluidizar o leito e a velocidade em
que comec¸a a ser arrastado com o ga´s (transporte) assumindo que
a porosidade na velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o e´ 0,42. R.:
0,0017 m/s; 0,112 m/s
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Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Exerc´ıcios
Na ustulac¸a˜o do sulfeto de zinco em leito fluidizado, com ar a 1600
oF e 1,3 atm (m=0,05cP), usa-se um concentrado do sulfeto com
part´ıculas que tem, em me´dia, 50 m´ıcrons. Considerando a massa
espec´ıfica dos so´lidos concentrados igual a 4 g/cm3 e admitindo
que as part´ıculas sejam esfe´ricas, estimar a vaza˜o do ga´s necessa´ria
para principiar a fluidizac¸a˜o e a vaza˜o do ga´s que provoca o
transporte do leito. Da literatura, obte´m-se que a fluidizac¸a˜o inicia
quando a densidade do leito (part´ıculas + ar) e´ de 90 lb/ft3. Dica:
use a massa molar do ar de 29 g/gmol R.: 0,0095 m/s; 0,109 m/s
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Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Exerc´ıcios
Em um experimento de laborato´rio, esferas de vidro (ρp=2,5
g/cm3) com 4 mm de diaˆmetro sa˜o empacotadas em um leito fixo
com porosidade de 0,4 e altura de 16 cm. A´gua a temperatura
ambiente (ν=1cP) escoa atrave´s do leito em fluxo ascendente.
Aumenta-se gradualmente a velocidade da a´gua e verifica-se que o
leito comec¸a a fluidizar quando sua altura aumentou 15% da inicial
(leito fixo). Determine a porosidade m´ınima de fluidizac¸a˜o, a
velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o e a porosidade do leito quando
este tiver o dobro da altura de leito fixo. R.: 0,478; 0,055 m/s; 0,7
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Velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o - Exerc´ıcios
Estime a velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o em um processo de
combusta˜o de carva˜o (ρp=1,4 g/cm
3), com part´ıculas pulverizadas
de 1 mm, com ar a 800oC e 1 atm (ν=0,04cP). Utilize as
constantes de literatura propostas por Chitester et al. (1984).
Considerando que o processo de fluidizac¸a˜o ocorra com o dobro da
velocidade m´ınima de fluidizac¸a˜o, a partir de que tamanho as
part´ıculas sa˜o carreadas da caˆmara de combusta˜o? R.: 0,284 m/s;
0,17 mm
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