Aula 17 Leitos Fluidizado e Leito de Jorro

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1
Leito Fluidizado  Referências:
• Kunii & Levenspiel, “Fluidization Engineering”, Wiley, 1991
• Davidson & Harrison, “Fluidization”, Academic Press, 1971
• Angelino, “ Fluidization”, PDP 7/76, COPPE/UFRJ, 1976
• Perry & Chilton – capítulo 20
• Cremasco, M. A., Operações Unitárias em Sistemas particulados e Fluidomecânicos, 
Blucher, 2009.
2
Capítulo 8 – LEITOS FLUIDIZADO E DE JORRO
Introdução:
 A Fluidização foi desenvolvida em 1922 durante a primeira
guerra para a gaseificação do carvão visando a produção de gás
de síntese para a produção de combustíveis líquidos.
 O gaseificador Winkler foi o primeiro destes sistemas de
gaseificação de carvão.
8.1 – Leito Fluidizado
A operação de fluidização é caracterizada pela percolação de um
fluido, líquido ou gasoso, ascendente através de um leito de
partículas suportadas ou apoiadas em uma placa
distribuidora de fluido.
Na fluidização o conjunto fluido/sólido se comporta como
líquido em ebulição.
3
Principais aplicações:
-Reator químico;
-Secagem (fertilizantes, minerais polímeros );
-Revestimento de partículas (farmacêuticos etc.);
Principais Vantagens:
1. A mistura rápida das partículas conduz a um leito praticamente
isotérmico, evitando-se assim os “pontos quentes” (vantagem
importante para reator químico  maior rendimento);
2. Elevados coeficientes de transferência de calor e massa entre
partículas e fluido;
3. Baixo custo de operação e instalação e não possui partes móveis;
4. Permite operação em grandes escalas.
4
Principais Desvantagens:
1. Desgaste do equipamento (abrasão);
2. Alguns materiais não conduzem a uma fluidização adequada:
como os que pulverizam e os que aglomeram.
5
Tipos de Fluidização
6
Borbulhante
Tipos de Fluidização
7
Transporte 
Penumático
Slugging
Slugs axiais
Slugging
Slugs 
Flutuantes
Tipos de Fluidização
Fluidização Homogênea
8
Fluidização Heterogênea:
9
Fluidização Heterogênea:
10
Slugging
11
Slugging
Slugs axiais
Arraste
12
A Classificação de Geldart.
13
Fluidização
do tipo JorroFluidização
do tipo areia
Fluidização
com aeração
Fluidização
coesiva
(s- )
14
(s- )
A Classificação de Geldart.
A Curva característica de uma Fluidização Normal
15
Velocidade superficial
Velocidade 
na mínima 
fluidização
Os parâmetros das experiências são sempre tomados no sentido
das vazões decrescentes  Porque a volta é sempre igual,
porém, a ida depende da compactação do leito.
16
Do escoamento em meios porosos vimos que (Equação do movimento):
A fluidização tem início quando:













Arraste 
de Força
sólido do 
aparente Peso
Empuxo Peso
  
Onde: mf = Pressão Piezométrica de mínima fluidização
Portanto teremos: 
  
  
Área
Sólido do Aparente Peso1
1




A
gLA
A
AgL
mfmfS
mf
mfmfSmf


 S :Como Sólidos de Massa :sendo ;  MA
gM
mf
mf
mf
L
m

~
Perceba que m possui unidades de força por unidade de volume.
~
  gm mfS   1~
   mfmfmfS LAmgLA   1 ~
m  Força Resistiva~
 
 
2 3
2
36 1


 
 
 
  
 
 


mf
mf
mf mf
mf mf
mf
mf
c
m q q
k k
dp
k
~
Para partículas muito pequenas
considere desprezível
Equação de Darcy (partículas pequenas), Caso geral:
 
   22 3
q
36 1
mf s
mf
mf
dp g  
 



Cálculo de qmf
17
Porosidade na mínima fluidização:
   
 
1
1
 


 
  
mf s mf
mf
s mf
M AL
M
AL
Kmf por Kozeny-Carmann
Sólidos de MassaM
m  Força Resistiva~  1     s mfm g~
mf
mf
q
k
m 









~
Exemplo: Experimento com leito Fluidizado ( com ar):
Partículas esféricas de vidro (38 - 150µ); Densidade ρs=2,6 g/cm3; Diâmetro do leito D=3,2cm
Massa de sólidos ms=267g; Altura do leito na mínima fluidização Lmf=26,0cm
 
2671 1 0,508
2,6 8,04 26


     
 mf s mf
M
AL
Cálculo da 
porosidade:
3
22
2
267 981= =32,58.10 33,2
8,04
Valor experimental==>33,8cm
 

   
s
mf
Mg dynP cmH O
A cm
H O
Cálculo da Queda
de Pressão:
18
Gráfico da Fluidização
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Vazão (cm3/min)
Q
ue
da
 d
e 
Pr
es
sã
o 
(c
m
H
2O
)
13,5104
19,2154
25,5206
29,5260
32315
32,5370
34600
34,51010
351440
351900
35,52370
362860
Queda de Pressão 
(cm H2O)
Vazão 
(cm3/min)
13,5104
19,2154
25,5206
29,5260
32315
32,5370
34600
34,51010
351440
351900
35,52370
362860
Queda de Pressão 
(cm H2O)
Vazão 
(cm3/min)
19
Gráfico da Fluidização
y = 0,0893x + 5,385
R2 = 0,967
0
5
10
15
20
25
30
35
40
50 100 150 200 250 300 350
Vazão (cm3/min)
Q
ue
da
 d
e 
Pr
es
sã
o 
(c
m
H
2O
)
Gráfico da Fluidização
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Vazão (cm3/min)
Q
ue
da
 d
e 
Pr
es
sã
o 
(c
m
H
2O
)
Região de
Leito Fixo
A
Qq
A
Q
kL







 :que já ;:Fixo Leito 
Coeficiente Angular da reta
de Leito Fixo (2º gráfico)
 
 
md
d
QA
Lk
p
mf
mfp



9,51 
 
136 2
22

















 

 
   
cm/s 565,0
136
222








 





 gd
q Sp
mf
mf
mf
cm/s 58,0
04,8
60
280

A
Q
q mfmf
Cálculo da velocidade de
mínima fluidização (qmf) :
Valor Experimental (qmf) 
Relação entre ε e q na Fluidização :
Richardson e Zaki (1954)
 
 
 
 
0,03
0,1
4,65 Re 0, 2
4, 4Re 0,2 Re 1
 
4,4 Re 1 Re 500
2, 4 Re 500
n
t
n
nq
v n
n


 
 




 
  

  
 
20
Ex: Projeto de um sistema de Fluidização destinado à secagem de produto químico:
Diâmetro do secador: D = 30 cm
Carga de sólidos: ms = 39 kg
Densidade do sólido: s = 2,1 g/cm3
Diâmetro da partícula dp = 90 µm
Esfericidade da partícula  = 0,8
Altura do leito na mínima fluidização Lmf = 50cm
Fluido: ar a 150ºC e 1 atm
2 2
2
2
30 706,86
4 4
39000 981 54125
706,86
s
mf
DA cm
m g dynP
A cm
 
  

   
Para uma velocidade de ar de duas vezes a de mínima Fluidização, determine:
a) A queda de pressão na mínima fluidização
b) A altura do distribuidor formado de esferas de aço de 200 µm, tal que a queda de
pressão através deste seja de 10% da queda no leito (εd=0,38)
c) A potência do Soprador
Solução: a) 
21
 onde q=
foi dito que: q=2qmf
P Qq
L k A
     
 
Desejo encontrar L, mas não 
conheço q  qmf e nem k
 
3 4
3
2931, 2.10 8,31.10
273,15 150
g
cm
   

Agora é possível calcular L
 
 
   
 
2 2 33 4
7 2
2 2
200.10 1 0,38
3,81.10
36 1 150 1 0,38
d
distribuidor
d
dp
k cm
 
 



  
 
7
2
L= 
5412,5 3,81.10L= 8,5
0,023.10 1,053
P Pq
L k q
k
cm




        
 
 

 

 
 
   
   
 
2
2 3
34 2 4
2
390001 1 0,475
2,1 706,86 50
q
36 1
(90.10 0,8) 0,475 2,1 8,31.10 981
q 0,526 q 2q 1,053
180 1 0,475 0,023.10
mfs
mf
s mf
s
mf
mf
mf mf
m
AL
dp g
cm cm
s s


  
 
 

    
 



 
    

b) 
22
   32
2
75 0,6
54.125 5412,5 59.537,5leito distribuidor
mC mmH O Q sPot
dynC P P
cm


       2
6
21,013.10
mmH O
dyn
cm
2
3
2
607,7
1,053 706,86 744,3
C mmH O
cm cmQ cm
s

  
3
6 3
1
10
m
s cm
3
6
6
744,3.10
607,7 744,3.10 1 10,01 dependendo do fabricante ou 4 275 0,6
m
s
Pot hp hp hp




  

c) A potência do soprador:
23
8.2 – O Leito de Jorro
24
Referências: 
Mathur & Epstein, “Spouted Bed”
Criado por
MATHUR & GISHLER, 1955.
O Leito de Jorro 
25
O Leito de Jorro
Simulação dos dados de He et al. (1994)
 
Fr
aç
ão
 d
e 
vo
lu
m
e 
de
 só
lid
os
 
26
27
Região de leito fixo
O Leito de Jorro
28
Início da expansão do leito
O Leito de Jorro
29
Início da formação da 
cavidade na região de jorro
O Leito de Jorro
30
Aumento da cavidade 
de jorro central
O Leito de Jorro
31
Um maior aumento da 
cavidade de jorro central
O Leito de Jorro
32
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas Jorro Incipiente
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas Jorro Estabelecido com uma determinada 
altura de fonte de partículas
33
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas Jorro Estabelecido com uma determinada 
altura de fonte de partículas
34
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas
VOLTA
Jorro Estabelecido com uma determinada 
altura de fonte de partículas
35
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas Jorro Mínimo
VOLTA
36
O Leito de Jorro
Características Fluidodinâmicas
37
Aplicação do Leito de Jorro
38
Recobrimento de Partículas:
 Baixar a taxa de dissolução de substâncias químicas;
 Tornar o manuseio de produtos mais fácil;
 Inibir sabores e odores desagradáveis;
 Proporcionar boa estética ao produto;
Adicionar material para suprir futura carência deste pela partícula;
 Proporcionar resistência mecânica.
Aplicações do Leito de Jorro
39
Recobrimento de Partículas
40
Vantagens do leito de jorro:
- Boa agitação dos sólidos e um efetivo contato gás-sólido;
- Baixos custos operacionais e de manutenção
- Pequeno investimento inicial
Limitações do leito de jorro convencional:
- Elevada perda de carga, antes de atingir o jorro estável;
- Existe uma altura máxima de leito que limita a capacidade do equipamento;
- Grande faixa de tempos de residência das partículas;
- Dificuldade no “Scale-up”.
41
Correlações Empíricas da Literatura:
Di
H
Dc
 
jm
1 21 3
Velocidade de Jorro Mínimo, q pode ser calculada pela
Equação de Mathur e Gishler:
2. .p si
jm
c c
d g HD
q
D D
 

   
    
    
 
jmQueda de Pressão de Jorro Mínimo, P pode ser calculada pela
Equação de Nascimento et al.:
2 1
3jm mf s
P H g 

  
max
0,75 1 3
max
2 1,2
Altura máxima de Jorro estável, H pode ser calculada pela
Equação de Malek e Lu:
10,105 c c
c p i s
H D D
D d D  
    
           
42
O leito de jorro não convencional:
Visando superar parte das limitações do leito de Jorro Convencional,
algumas modificações foram propostas neste sistema.
a) Leito de Jorro com Tubo DRAFT
b) Leito de Jorro com Aeração Complementar
c) Leito Cônico
O Leito de jorro com tubo DRAFT 
Tubo central separando a região de jorro do espaço anular.
43
Vantagens:
- Provoca uma expressiva redução na queda de pressão do 
ar necessária à manutenção do jorro, e portanto da potência.
- Aumenta a altura máxima.
- Menor faixa de tempo de residência das partículas, produto 
mais homogêneo (evita curto-circuito).
Di
H
Dc
Limitação: menores taxas de transferência de calor e massa
O Leito de jorro com tubo DRAFT
O Leito de jorro com aeração complementar
O leito de jorro não convencional:
44
O Leito de jorro cônico
O leito de jorro não convencional:
45
Ex: Deseja-se usar um Leito de Jorro na secagem de cereais. O tubo cilíndrico
para o teste em batelada tem diâmetro de Dc= 30 cm, diâmetro de orifício
Di = 5 cm, e ângulo de cone de 60º. Para uma operação a 1,5*qjm e uma
carga de cereal de 80% da altura máxima (Hmax) que permite um jorro
estável. Determine a potência do soprador, considerando que a queda de
pressão na tubulação seja de 40% da queda de pressão no leito de jorro
estabelecido. Seja a queda de pressão máxima é 50% maior que Pjm .
Dados: dp = 0,25 cm;  = 0,75; s = 1,18 g/cm3; mf = 0,5; T = 85 ºC.
cereal) de carga de (altura cm 63,2720,8 H
cm 78,340
)18,1()75,0(
1
5
30
25,0
30105,0
30
;1105,0:Lu)&(Malek máxima Altura
max
max2,12
4,075,0
max
2,12
4,075,0
max









































HH
HH
D
D
d
D
D
H
Si
c
p
c
c 
46
 
 
mínimo) jorro de pressão de (queda OmmH 1072,7ou OinH 232,42
)(
scm
g 77,10508998018,163,2725,01
3
2
;1
3
2:o)(Nasciment JM de Pressão de Queda
22JM
2JMJM
JM




P
dynaPP
gHP Smf 
 
 
3
43
2
1
4
43
1
2
1
3
1
cm
g1082,9
)85293(
293102,1 :Onde
 Mínimo) Jorro de e(Velocidad
cm16,116
1082,9
1082,918,163,2729802
30
5
30
25,0
;2:Gishler) &(Marthur JM de Velocidade






























 


















s
qq
Hg
D
D
D
d
q
JMJM
S
c
i
c
p
JM
Continuação do Exemplo:
47
HPHPPot
PPP
PsmQHPPot
JMJM
3
2
2
3
1026,5)(
OmmH 20384,05,1:Onde
;
60,075
)OmmH()/()(:(HP) Potência





Continuação do Exemplo:
48