Apresentação (Anelise e Rejiane) FT

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HIDRODINÂMICA E EFICIÊNCIA DE TRANSFERÊNCIA DE 
MASSA APLICANDO UMA ESPUMA CERÂMICA COMO 
RECHEIO NA COLUNA DE DESTILAÇÃO
DEQ832 - FENÔMENOS DE TRANSFERÊNCIA
Anelise Mossmann e Rejiane da Rosa
ROTEIRO:
 1. Introdução
 2. Estrutura da Espuma
 3. Configuração Experimental e Métodos
 4. Resultados Experimentais
 5. Conclusão
1. INTRODUÇÃO
▪ Espuma sólida
Ampla gama de aplicação
Reformadores
Catalisadores
Suporte de catalisador estruturado
Trocadores de calor
Características atraentes
Acústicas
Mecânicas
Térmicas
Baixa densidade
Elétricas
1. INTRODUÇÃO
𝑑𝑃
𝑑𝑍
=
𝜇
𝐾
𝑢 + 𝛽𝜌𝑢2
▪ Relação de Forchheimer:
Hidrodinâmica da espuma
▪ Stemment et al. (2005)
▪ Stemment et al. (2007)
Estudo da hidrodinâmica em operação contra corrente em espumas
Baixa queda de pressão – Sistema bifásico;
Comportamento de inundação semelhante à recheios 
estruturados Sulzer.
Estudo da transferência de massa gás-líquido em coexistência
Coeficiente volumétrico global (KG).
(1)
1. INTRODUÇÃO
▪ Motivação
Resultados presentes na literatura foram o ponto de partida para estudo sobre aplicação do
espuma cerâmica aplicada como recheio na coluna de destilação.
▪ Objetivos
Descrever as etapas experimentais necessárias para validar o uso de novos materiais de
recheio de colunas de destilação, incluindo a medição de características hidrodinâmicas para
estimar o alcance operacional, queda de pressão e ponto de inundação; determinação da
eficiência de transferência de massa.
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
 Espuma Cerâmica: β-SiC
Alta resistência mecânica
Alta condutividade
Alta resistência a meios corrosivos 
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
 Características:
Área de superfície média: 15 – 20 m²/g
Volume de vazios: 88% - 92%
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
 Método de preparação: 
Impregnação em uma Espuma de poliuretano com uma 
mistura homogênea de silício, carvão vegetal, resina fenólica 
e fornecedor de oxigênio
Após a polimerização da 
resina o material é 
calcinado a 1300°C, numa 
atmosfera inerte
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
 Parâmetros estruturais 
que podem ser modificados: 
O tamanho dos poros (caracterizado 
pelo número PPI), o volume vazio e a 
densidade aparente
Fabricação de materiais com uma 
grande variedade de propriedades 
hidrodinâmicas
Fig.1. Representação cúbica das células
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
2. ESTRUTURA DA ESPUMA
 A área específica foi calculada a partir do diâmetro celular e do volume vazio: a = Ø / 2,3
(2)
(3)
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
 3.1 PLANTA PILOTO DE HIDRODINÂMICA
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
Fig. 4. Configuração experimental para experiências hidrodinâmicas
▪ Condições de operação:
Líquido foi coletado após passar pela espuma;
Coluna de vidro di= 15 cm e h = 90 cm;
Sistema de ar operou em contra corrente;
Temperatura ambiente;
Pressão atmosférica.
Velocidade superficial líquida 1 – 10 m³/m²h;
Velocidade superficial gasosa 0 – 2 m/s.
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
 3.2 MÉTODO PARA ESTUDO HIDRODINÂMICO
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
 Queda de pressão: 
 Ponto de inundação: 
 Retenção de líquido: 
Aumentando periodicamente o fluxo de gás e o 
fluxo de líquido constante até ocorrer inundação
O ponto onde uma reversão do fluxo de líquido 
aparece
(4)
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
Retenção 
dinâmica
Retenção 
estática
Método volumétrico
Volume de líquido/volume do recheio
Submersa, removida e suspensa 
Diferença peso inicial e o peso 
após drenagem
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
 3.3 PLANTA PILOTO DE DESTILAÇÃO
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
Fig. 5. Configuração experimental para testes HETP.
▪ HETP –Altura Equivalente ao Número de Pratos Teóricas
▪ NET – Número de Estágios de Equilíbrio
HETP – Metodologia desenvolvida por FRI e SRP;
Mistura ciclohexano/n-heptano;
Eficiência de transferência de massa estimada em termos de
HETP, obtidas dividindo a altura do recheio pelo NET.
Perdas de calor estimadas em 1,25 ± 0,11 kW – Planta 
operando sem refluxo.
3. CONFIGURAÇÃO EXPERIMENTAL E MÉTODOS
✓ O experimento consistiu em atingir o ponto de inundação;
✓ Os primeiros testes foram realizados com anéis de Raschig (15x15 cm), para avaliar o método e os resultados;
✓ Um teste final variando a composição inicial foi realizado, para determinar influência da mesma no desempenho;
✓ Amostras líquidas foram removidas na parte inferior da coluna e analisadas no refratômetro;
✓ O tempo entre a geração inicial de vapor e a coleta das primeiras amostras foi de 3 h;
✓ Considerou-se o sistema estável quando 3 amostras apresentaram composição semelhante (sucessivamente);
✓ As composições de topo e de fundo da coluna foram utilizadas para calcular NET;
✓ A queda de pressão, retenção de líquido e HETP são relatadas como uma função do Fator – F.
𝐹 = 𝑢𝐺 𝜌𝐺 (5)
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 4.1 QUEDA DE PRESSÃO E RESULTADOS DE RETENÇÃO
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 A queda de pressão por metro para o recheio seco e úmido em diferentes cargas de líquido:
Fig. 6. (a) Medições de queda de pressão para embalagens secas e úmidas para diferentes velocidades de líquido e (b) detalhe do carregamento 
de zona para duas velocidades líquidas.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 Modelo de Ergun: 
▪ Valores propostos: E1 = 150 e E2 = 1,75 
▪ Valores ajustados: E1 = 150 e E2 = 1,9 
(6) (7)
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 Uma comparação dos valores modelo e experimental:
Fig. 7. Comparação de queda de pressão seca estimada com dados experimentais.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 Um novo modelo empírico: Equação de Forchheimer
Determinação empírica da permeabilidade e 
do coeficiente inercial
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
▪ ε por porosimetria de mercúrio
▪ m por medidas de transferência de massa 
Número adimensional 
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(9)
(10)
(11)
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 A determinação da queda de pressão dos recheios úmidos abaixo do ponto de carga: 
• Valores coeficientes empíricos: A = 1,1 e B = 0,2
(12)
Fig. 8. Comparação da pressão dos materiais úmidos estimado e dados experimentais para três 
diferentes velocidades de líquido superficiais.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
▪ A queda de pressão também foi comparada com três materiais de recheio clássicos utilizados para destilação,
dois estruturados e um aleatório.
Fig. 10. Queda de pressão da espuma cerâmica, M250Y, CY e PR 5/8 para 
uL=7,9 m³/m²h.
✓ Características hidrodinâmicas obtidas
usando o software Sulcol
✓ M250Y - área específica de 250 m²/m³;
✓ CY - área específica de 700 m²/m³;
✓ PR 5/8 - área específica de 360 m2/m3.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 11. Linha de inundação para espuma cerâmica, M250Y, CY e 
PR 5/8.
✓ Inundação ocorre em taxas de fluxo de
líquido e gás mais baixas.
𝑋 =
𝐿
𝐺𝑓
.
𝜌𝐺
𝜌𝐿
(13)
𝐶𝑔 =
𝐺𝑓
𝜌𝐺 𝜌𝐿−𝜌𝐺
(14)
▪ Parâmetro de projeto importante – Linha de inundação.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 12. (a) Retenção de líquido dinâmico da espuma 
cerâmica em função da velocidade do gás;
✓ Comportamento das curvas corresponde
bem às curvas teóricas de retenção para
recheios;
▪ Resultados dinâmicos de retenção de líquido
✓ A retenção de líquido dinâmico pode ser
expresso como função do Número de
Reynolds da fase líquida:
ℎ𝐿𝑑 = 0.0115𝑅𝑒𝐿
0.6 (15)
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 12. (b) Retenção de líquido dinâmica de espuma cerâmica em função da 
velocidade do líquido para uG=0,392 m/s.
✓ A média dos valores obtidos a várias
velocidades de gás produz uma estimativa
de 1,9 % para retenção estática.
✓ A retenção de líquidos é influenciada pela
velocidade superficial líquida;
A baixas velocidades, a retenção consiste apenas na
película líquida na superfície do recheio.
Fig. 13. Comparação entre o modelo de retenção de líquido 
dinâmica e retenção de líquido dinâmica experimental.
✓ Desvio de pontos experimentais não
excede 15 %, exceto na zonade
carregamento.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 14. Retenção líquida total da espuma cerâmica, 
M250Y, CY e PR 5/8 para uL=4,5 m³/m²h.
✓ O rápido aumento da retenção de líquido
ocorre a velocidades superficiais mais
baixas de líquido e gás.
✓ Com a queda de pressão, a retenção de
líquido de um material depende de sua
área superficial.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 4.2 RESULTADOS DA TRANSFERÊNCIA DE MASSA
 4.2.1 VALIDAÇÃO DO MÉTODO
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 Correlação de Onda et al. (1968): 
Teste com anéis Raschig de vidro.
Coeficientes de transferência de 
massa líquida e gasosa kL e kG e 
calcular HETP
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 Os resultados dos testes realizados com anéis Raschig de vidro com dimensões nominais de 15 × 15mm:
Fig. 15. Comparação de valores experimentais com valores de correlação de Onda para anéis de Raschig.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
 4.2 RESULTADOS DA TRANSFERÊNCIA DE MASSA
 4.2.2 HETP DA ESPUMA
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 16. Medição HETP com espuma cerâmica para 
diferentes tipos de temperatura no refervedor.
✓ Os valores de HETP diminuíram
significativamente com o aumento da
velocidade superficial de gás e líquido até
atingir valor constante de 0,2 m.
✓ Os valores de HETP para baixo Fator – F
devido a má acomodação do recheio na
coluna.
30 % ciclohexano
20 % ciclohexano
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 17. Comportamento geral da eficiência do recheio.
✓ Comportamento semelhante ao descrito para
outros materiais de recheio.
✓ Neste estudo a diminuição de HETP com Fator – F foi evidente, mas o HETP no ponto de inundação não foi obtido
devido a instabilidade da coluna;
✓ A composição inicial da mistura não influencia nas curvas de HETP;
✓ Assim como nos dados hidrodinâmicos, o HETP pode ser comparado com o de outros recheios, entretanto, deve-se
levar em consideração as dimensões das colunas de teste, design do sistema de destilação e pressão de operação.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 18. Comparação de HETP para espuma cerâmica, 
M250Y, CY e PR 5/8.
✓ A espuma tem excelente desempenho para
transferência de massa.
✓ HETP 0,2 - 0,3 4 – 5 estágios de massa/m.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Fig. 19. Número teórico de estágios por metro (NTSM) em função 
da queda de pressão para espuma cerâmica, M250Y, CY e PR 5/8.
✓ A espuma exibe um comportamento
intermediário.
▪ Desempenho final
5. CONCLUSÃO
 A interdição de desempenho da queda de pressão por unidade e o comportamento de inundação foi bastante
baixo em comparação com os materiais clássicos de recheios de coluna de destilação (anéis M250Y, CY e Pall).
 A retenção líquida do recheio de espuma enrugada com o carregamento de líquido-gás remanescente na zona de
carga e a retenção de líquido foi maior do que outros materiais de recheio clássicos.
 O desempenho da transferência de massa foi satisfatório, com um HETP de 0,2 m e aumentando a transferência
de massa com o aumento das velocidades superficiais do gás e líquido dentro do recheio.
 As espumas cerâmicas podem ser consideradas um bom recheio com potencial para destilação, no entanto, as
aplicações seriam limitadas;
 A espuma cerâmica empregada neste estudo exibe outras propriedades interessantes:
 • resistência à corrosão,
 • adaptabilidade da geometria da espuma para aumentar o desempenho através de modificações estruturais e
 • o material β-Sic está bem adaptado ao revestimento do catalisador, introduzindo potenciais aplicações na
destilação reativa.
5. CONCLUSÃO
DEQ832 - FENÔMENOS DE TRANSFERÊNCIA
Anelise Mossmann e Rejiane da Rosa
MUITO OBRIGADA!