2 Fluidização

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FLUIDIZAÇÃO
Alessandra Secco Nesia, Cassiele Taffarel Cescoa, Samantha Emanuella Sghedoni Artifona
aUniversidade do Estado de Santa Catarina, Departamento de Engenharia de Alimentos e Engenharia Química, BR 282, Km 574, CEP: 89870-000, Pinhalzinho SC, Brasil
____________________________________________________________________________________Resumo
Leito fluidizado são utilizados para descrever a condição de partículas em total suspensão, uma vez que a suspensão se comporta como um fluido denso. Sua principal vantagem é a agitação vigorosa do sólido em contato com o fluido que escoa pelo leito. Dessa forma, o objetivo deste estudo foi analisar o comportamento fluidodinâmico de leitos de partículas sólidas, fluidizadas com gases, através de medidas do gradiente de pressão velocidades mínimas de fluidização. Com os experimentos pode-se observar que os dados crescentes devem representar o ponto de mínima fluidização, o que nos dados decrescentes não é visível. Em um experimento bem executado teríamos a presença do fenômeno de histerese.
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Abstract
Fluid bed are used to describe the condition of particles in total suspension, since the suspension behaves like a dense fluid. Its main advantage is the vigorous agitation of the solid in contact with the fluid flowing through the bed. Thus, the objective of this study was to analyze the fluid dynamics behavior of solid particles beds, fluidized with gases, by means of measurements of the pressure gradient minimum fluidization velocities. With the experiments it can be observed that the increasing data should represent the point of minimum fluidization, which in the decreasing data is not visible. In a well-executed experiment we would have the presence of the hysteresis phenomenon.
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Introdução
Considera-se fluidização ou leito fluidizado a condição na qual as partículas estão completamente suspensas na forma de um fluido mais denso. Nesta condição a suspensão tem comportamento equivalente à de um fluido. A principal vantagem da fluidização é a agitação vigorosa do sólido em contato com o fluido que escoa pelo leito. A mistura do sólido proporciona uma uniformidade na temperatura, mesmo em processos extremamente endotérmicos ou exotérmicos. As taxas de transferência de calor e massa entre fluido e sólidos são altas neste tipo de operação².
 Exemplos típicos de aplicações industriais de leitos fluidizados incluem sínteses, reações e regeneração catalítica, combustão e gaseificação de carvão, etc. Podem também ser empregados em processos físicos (não reacionais) como, por exemplo, na secagem de partículas, recobrimento e granulação de sólidos¹. Dentre as dificuldades associadas à operação destaca-se o problema de abrasão decorrente da interação do material sólido com os internos do leito. Outra dificuldade é o arraste, e eventual perda do material mais fino no processo. Sendo assim necessário adicionar um sistema de ciclones, filtros e outros equipamentos para retenção do particulado. 
1.1 Regimes fluidodinâmicos na fluidização
Os regimes fluidodinâmicos na fluidização dependem das características físicas da fase particulada (distribuição granulométrica, tamanho médio de partículas, forma, massa específica) e da fase fluida (viscosidade dinâmica, massa específica), bem como das condições operacionais da coluna (temperatura e vazão da fase fluida, compactação da fase particulada, altura efetiva, diâmetro). Podem ser identificados, classicamente, os seguintes regimes fluidodinâmicos: fluidização homogênea, borbulhante, do tipo slug, turbulenta e fluidização rápida¹.
No caso de fluidização de leito de sólidos com gás, que foi o estudado, geralmente se observa a formação de bolhas de gás ao longo do leito onde uma 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. 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. 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 leito².
O objetivo do experimento é estudar o comportamento fluidodinâmico de leitos de partículas sólidas, fluidizadas com gases, através de medidas do gradiente de pressão, velocidades mínimas de fluidização, dentre outras variáveis.
Materiais e métodos
Para estudo do comportamento fluidodinâmico utilizou-se um leito de porosidade inicial 0,40, composto por um tubo de vidro de diâmetro interno de 7,5 cm recheado com 1858 gramas de partículas de areia (granulometria entre 35 e 60 mesh) com densidade de 2,81 g/cm³. O fluido utilizado para arraste das partículas foi ar comprimido. Para a realização das medidas tem-se um rotâmetro e dois manômetros de tubo em U acoplados à coluna, ambos utilizando água como fluido manométrico.
Com o leito inicialmente compactado, registrou-se uma altura inicial, assim como a altura inicial dos manômetros. A vazão de ar foi aumentada lentamente em valores de 0,5 L/min. A cada valor, anotou-se a queda de pressão do leito lida nos manômetros e a variação de altura do leito. A fluidização incipiente é notada quando o leito se torna levemente “gelatinoso”. Acima deste ponto, teve-se o início de formação de bolhas de ar, e, com vazões mais altas, pode-se perceber consideráveis oscilações. A vazão foi aumentada até o valor em que se atingiu a fluidização slug (formação de bolhas no sólido da coluna). Ao atingir a máxima vazão, repetiu-se as medidas de variação de pressão e altura no leito, desta vez diminuindo a vazão em valores de 0,5 L/min e registrando tais valores. 
Figura 1 – Leito fluidizado utilizado nos experimentos.
Resultados e discussões
Inicialmente, fez-se a relação entre queda de pressão em função da vazão. O perfil obtido pode ser avaliado na figura 2.
Figura 2 - Queda de pressão em função da vazão do fluido da coluna.
O gráfico obtido, majoritariamente, representa uma reta, ou seja, apenas o momento anterior à fluidização do leito. Nesses pontos, o leito ainda poderia ser considerado fixo uma vez que não houve fluidização. Apenas no último ponto é possível perceber um deslocamento da linearidade, indicando um início de fluidização. A coluna estava sendo alimentada com ar comprimido, e a saída de ar apresentava um vazamento, ou seja, a vazão de ar recebida pelo leito era sempre diferente da que desejava-se enviar. Devido a tal problema, não foi possível obter nem visualizar claramente os pontos de mínima velocidade e fluidização. Para necessidade de realização de cálculos, consideramos o último ponto da reta (de maior velocidade) como o de velocidade mínima de fluidização. Com isso, temos uma velocidade mínima de fluidização experimental de 0,072 m/s.
A seguir, comparou-se a altura do leito real com a calculada. A comparação entre as duas, em função da vazão, pode ser visualizada no gráfico da figura 3.
Figura 3 - Altura real e calculada em função da velocidade do fluido da coluna.
Como pode-se visualizar, a variação da altura experimental (real) do leito foi mínima, sendo considerável somente em maiores vazões, quando o leito começou a fluidizar. Isso se deve, novamente, ao fato de a fonte de ar comprimido apresentar vazamento, comprometendo os valores de vazão de ar enviados a coluna, fazendo com que a fluidização em si não acontecesse por completo. Como foi calculado, essa altura deveria ter variado linearmente, aumentando conforme o aumento da vazão, ou velocidade do fluido.
Finalizando, fez-se a comparação da queda de pressão em função da vazão do fluido da coluna, variando crescente e decrescentemente. Os resultados podem servisualizados na figura 4.
Figura 4 - Queda de pressão em função da velocidade do fluido da coluna, de forma crescente e decrescente.
Observou-se a presença do fenômeno de histerese, ou seja, uma diferença de acréscimos e decréscimos de vazão no leito, diferença de caminhos percorridos na ascendência e descendência do fluido. Caso o fenômeno não tivesse acontecido, teríamos uma reta em cima da outra. A histerese difere da deformação permanente de um elemento medidor, após uma carga excessiva. As deformações permanentes resultam em que o ponteiro não retome à sua posição zero após a eliminação da carga. Isso é causado, em certos casos, por cargas de choque excessivas ou até pela aplicação de uma pressão muito além daquela possível de ser medida pelo instrumento de medição, gerando deformações permanentes no elemento elástico³. 
Conclusão
Pela teoria, um gráfico representando a queda de pressão em função da velocidade do fluido que percorre o leito, deve apresentar um ponto máximo que indica o valor de mínima velocidade de fluidização. Na prática tal formato de gráfico não foi idealizado devido à defeitos do equipamento de vazamento de fluido. As quedas de pressões crescentes foram menores do que as decrescentes, indicando o fenômeno de histerese. O fluido percorreu caminhos diferentes em sua ascendência e sua descendência, evidenciando o fenômeno anteriormente citado. A histerese em um instrumento de medição ocorre quando há diferença entre a indicação para um dado valor mensurado quando este foi atingido por valores crescentes e a indicação quando o mensurado é atingido por valores decrescentes, o que foi visualizado experimentalmente.
Referências Bibliográficas
¹CREMASCO, Marco Aurélio. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. 2. ed. São Paulo: Edgar Blucher Ltda., 2014. 423 p.
²ESCOLA POLITÉCNICA DA USP. FLUIDIZAÇÃO. São Paulo: Usp, 2013. 12 p.
³FIDÉLIS, Gilberto Carlos. O que é histerese? In: CECT. Metrologia e Qualidade. Sãõ Paulo: Cect, 2006. p. 1-5.
Anexos
6.1 Simbologia
	ΔP
	Queda de pressão
	(Pa)
	A
	Área do tubo
	(m²)
	L
	Comprimento
	(m)
	D
	Diâmetro do tubo
	(m)
	ρ
	Densidade
	(kg/m³)
	μ
	Viscosidade dinâmica
	(Pa.s)
	g
	Gravidade
	(m/s²)
		 Ø
	Esfericidade
	-
	h
	Altura manométrica
	(m)
	εm
	Porosidade mínima
	-
	q
	Velocidade
	(m/s)
	
	Altura inicial do leito
	m
	
	Altura máxima do leito
	m
	
	Velocidade no ponto de mínima fluidização
	m/s
6.2 Memória de cálculo
6.2.1 Queda de pressão
A queda de pressão experimental foi calculada utilizando a equação abaixo.
Onde , ou seja, . Os valores utilizados para a densidade do clorofórmio e da água foram, respectivamente, 1490 kg/m³ e 997 kg/m³. Para o valor da gravidade (g) foi utilizado 9,8 m/s², e para o valor da altura (h) utilizou-se os valores obtidos nas colunas manométricas.
6.2.2 Área do tubo
	A área do tubo foi calculada utilizando a fórmula abaixo.
	Utilizando D como o diâmetro do tubo no valor de 0,075 m, obteve-se uma área de 0,00442 m².
6.2.3 Altura máxima 
	A altura máxima do leito foi determinada pela equação abaixo.
Onde é a altura máxima do leito calculada, a altura inicial do leito e equivale a 5,06x10-3 m, q representa a velocidade em m/s, a velocidade no ponto de mínima fluidização, d o diâmetro do leito que equivale 0,075 m e g a gravidade que equivale a 9,8 m/s2. 
6.3 Problemas propostos
O que é o fenômeno de histerese?
O gráfico que representa uma função entre a queda de pressão e velocidade do escoamento do fluído é possível obter informações acerca do comportamento do leito frente ao fluido que escoa sobre ele. É evidenciada uma diferença de acréscimos e decréscimos de vazão no leito, este fenômeno é conhecido como histerese.
O que é velocidade mínima de fluidização?
Para ocorrer a fluidização, um gás precisa atravessar o leito de partículas. Em baixa velocidade, o gás escoa sem promover movimentação do material, ocorre apenas uma percolação sem movimento do leito. Ao aumentar a velocidade, as partículas começam a movimentar-se. Quando a soma das forças causadas pelo escoamento do gás ascendente iguala-se ao peso das partículas ocorre a fluidização. Nesse momento tem-se a velocidade mínima de fluidização, que é a velocidade necessária para o leito começar a fluidizar.
Cite aplicações industriais de leitos fluidizados.
Os leitos fluidizados integram processos de produção em inúmeras áreas da engenharia química. Na indústria petroquímica são empregados no cracking catalítico para produção de gasolina, cracking térmico para produzir etileno e propileno, além de servir ainda na polimerização de próprio propileno. Na indústria alimentícia os leitos fluidizados participam, principalmente, dos sistemas de torrefação de café e congelamento e secagem de alimentos.
Quais são os tipos de fluidização?
Os regimes fluidodinâmicos na fluidização dependem das características físicas da fase particulada (distribuição granulométrica, tamanho médio de partículas, forma e massa específica) e da fase fluida (viscosidade dinâmica, massa específica), bem como as condições operacionais da coluna (temperatura e vazão da fase fluida, compactação da fase particulada, altura efetiva, diâmetro). Podem ser identificados fluidização homogênea fluidização borbulhante, fluidização do tipo slug, fluidização turbulenta e fluidização rápida. Boa parte da fluidização que se utiliza de líquidos enquanto fase fluida resulta em fluidização homogênea, ao passo que a fluidização que opera gases leva a outros tipos de regime de fluidização, conhecidos por fluidização heterogênea.