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A partir dos dados da tabela 2 elaborou-se os
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Giani diana fluidização

  1. 1. Universidade Federal do Pampa - Campus Bagé Curso de Engenharia Química Disciplina de Laboratório de Engenharia Química I (BA00232) FLUIDIZAÇÃO D.R. LIMA1 , G. V. BRIÃO1 , K. L. BUENO1 , M. F. HERNANDES1 , R. R. DE LIMA1 Universidade Federal do Pampa, Curso de Engenharia Química 1 e-mail: diana_eng.lima@yahoo.com.br, giani.eq@gmail.com, kauebuenodp@yahoo.com.br, manuelafh@hotmail.com, rrochadelima@gmail.com RESUMO- A fluidização baseia-se fundamentalmente na circulação de sólidos juntamente com um fluido (gás ou líquido) impedindo a existência de gradientes de temperatura, de pontos muito ativos ou de regiões estagnadas no leito; proporcionando também um maior contato superficial entre sólido e fluido, favorecendo a transferência de massa e calor. A eficiência na utilização de um leito fluidizado depende primeiramente do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Utilizado em uma ampla gama de indústrias, principalmente para secagem de sólidos e gases, na queima de biomassa, na produção de ácido sulfúrico e no tratamento de resíduos industriais. Neste trabalho e mostrado um conjunto de resultados obtidos em dois tipos de leitos fluidizados, onde verifica-se a velocidade mínima de fluidização e obter gráficos para o melhor estudo. INTRODUÇÃO Segundo Roitmam (2002), a fluidização baseia-se na circulação de sólidos juntamente com um fluído impedindo a existência de gradientes de temperatura. Comporta-se num estado intermediário entre um leito estático e um em que os sólidos estejam suspensos num fluxo. Ele promove um bom contato entre a superfície das partículas sólidas e o fluido. Em decorrência disso, consegue-se diminuir as resistências ao transporte de calor e massa, além de se promover uma boa mistura e homogeneização do material. Conforme Cremasco (2012), tais leitos são largamente utilizados em processos industriais por proporcionarem mistura intensa entre a fase fluida e particulada. Exemplos típicos de aplicações industriais de leitos fluidizados incluem síntese e reações catalíticas, regeneração catalítica, combustão e gaseificação de carvão etc. os fluidizados são também empregados em processos físicos (não reacionais) como, por exemplo, na secagem de partículas, recobrimento e granulação de sólidos etc. Figura 1: Regime de fluidização. Um dos métodos para a determinação da queda de pressão é calculando o ΔP somente para o fluxo de fluido e em seguida
  2. 2. multiplicando este por um fator que leve em conta o efeito do fluxo. De acordo com Cremasco (2012), Geldart identificou quatro tipos de regimes fluidodinâmicos na fluidização e propôs um diagrama que relaciona as características físicas partícula (dp e ρ), conforme a figura 2, abaixo: Figura 2: Classificação de Geldart para fluidização de partículas. De acordo com Cremasco (2012), existe dois tipos de fluidização a homogênea e heterogênea, na homogênea é encontrada, usualmente, quando o fluido de trabalho é liquido, assim como, por aproximação, quando este fluido vir a ser gás com velocidade próxima à condição mínima de Fluidização, utilizando-se partículas do tipo A e, em alguns casos, partícula do tipo B. já na fluidização heterogênea é caracterizada pela distribuição não uniforme de concentração de partículas, tendo em vista as propriedades de interação entre as partículas que compõem o leito. Cremasco (2012), afirma que a queda de pressão em condição de mínima fluidização (homogênea), ocorre quando força resistiva iguala-se ao peso aparente das partículas, do modo da equação a baixo. − 𝑑𝑃 𝑑𝑧 − ρ = m (1) onde, dP é a variação da pressão, dz é a variação da altura do leito. A relação entre o peso do leito e a massa de partículas é demonstrado pela equação a seguir. −∆𝑃 𝑚𝑓 = 𝑔𝑚 𝑝 á𝑟𝑒𝑎 (2) Aonde g é a aceleração da gravidade mp é a massa que compõe o leito. “A permeabilidade é uma propriedade importante na descrição do escoamento através de um meio poroso, indica a facilidade com que o fluido escoa através dos poros, ou seja, um material é caracterizado por um fluido que é forçado a atravessar um meio poroso.” FOUST(2008) A velocidade superficial em condição de mínima de fluidização pode ser descrita pela equação de Ergum. 150 [ (1− 𝜀 𝑚𝑓) 2 𝜀 𝑚𝑓 3 ] 𝜇 (∅𝑑𝑝2) 𝑞 𝑚𝑓 + 1,75 ( 1−𝜀 𝑚𝑓 𝜀 𝑚𝑓 3 ) 𝜌 ∅𝑑𝑝 𝑞 𝑚𝑓 2 = (1 − 𝜀 𝑚𝑓)(𝜌 𝑝 − 𝜌)𝑔 (5) Segundo Cremasco (2012), a curva característica da fluidização homogênea, é construído correlacionando-se a queda de pressão em função da velocidade (superficial ou intersticial) do fluido de trabalho, conforme se trabalha com baixos valores de velocidade o comportamento é igual ao de leito fixo o fluido percola (segmento AO). Ao aumentar a velocidade do fluido, aumenta-se a queda de pressão, aonde ocorre a máxima queda de pressão, no ponto B, se aumentarmos mais um pouco a velocidade teremos no ponto F o começo do leito fluidizado que pode ser observado a baixo. Figura 3: queda de pressão em função da velocidade superficial do fluido. Assim, na medida em que se diminui a velocidade superficial do fluido, inferior à de mínima fluidização, as partículas se acomodarão e a queda de pressão será governada por equações que descrevem a fluidodinâmica em leito fixo, contudo apresentando valor de fração de vazios maior
  3. 3. do que aquele em leito fixo, e o leito, em tal situação, é reconhecido como leito expandido. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização do experimento, inicialmente foi ligada a bomba ou compressor, dependendo do tipo de fluidização, para injeção de fluido no sistema. Posteriormente a válvula de entrada de água no sistema, vinculada ao rotâmetro, foi ajustada para obter uma vazão determinada, na qual as colunas do manômetro estivessem no mesmo nível (ponto de equilíbrio), pois no instante inicial a variação de pressão deve ser igual à zero. Na coluna de leito fluidizado preenchido com 700g de poliestireno, percolou ar com vazões gradativamente aumentadas pela abertura da válvula acoplada ao rotâmetro. A cada incremento na vazão, foi observada a variação no manômetro, para determinar a diferença de pressão. Este procedimento foi repetido em dez diferentes valores de vazão, previamente estabelecidos. O procedimento experimental foi realizado para uma segunda coluna, esta recheada com 1500g de pedregulho fino, utilizando como fluido a água. RESULTADOS E DISCUSSÃO A tabela 1, abaixo mostrada informa que para valores crescentes de vazão, no intervalo entre 1 e 5 L/min a altura do leito se mantem constante e a pressão cresce linearmente. Após este ponto é possível observar uma oscilação na pressão, que se dá devido ao rompimento da tensão superficial entre o fluido e o leito de pedregulho. Em contrapartida, para valores decrescentes de vazão, a pressão decresce proporcionalmente, não sendo evidenciada a diferença entre o ponto de maior pressão da curva e os pontos no seu entorno. Como no retorno não é necessário vencer a tensão superficial, a altura do leito decresce gradativamente até retornar à condição inicial. Tabela 1: Vazão crescente e decrescente obtidas experimentalmente a partir do leito de pedregulho Vazão crescente Vazão Fluido (L/min) Queda de Pressão (Pa) Altura do Leito (m) 1 383,7672 0,3060 1,4 450,92646 0,3060 1,8 513,28863 0,3060 2,2 604,43334 0,3060 2,6 719,5635 0,3060 3 877,86747 0,3060 3,4 1021,78017 0,3060 3,8 1165,69287 0,3060 4,2 1304,80848 0,3060 4,6 1635,80769 0,3060 5 1846,87965 0,3060 5,4 2005,18362 0,3070 5,8 2460,90717 0,3090 6,2 2264,22648 0,3150 6,6 2259,42939 0,3210 7 2235,44394 0,3250 7,4 2211,45849 0,3340 7,8 2201,86431 0,3380 8,2 2206,6614 0,3450 8,6 2206,6614 0,3520 9 2201,86431 0,3560 9,4 2192,27013 0,3600 9,8 2173,08177 0,3670 Vazão Decrescente 9,8 2173,0817 0,3670 9,4 2153,8934 0,3600 9 2153,8934 0,3560 8,6 2163,4875 0,3520 8,2 2168,2846 0,3450 7,8 2173,0817 0,3400 7,4 2177,8788 0,3340 7 2177,8788 0,3320 6,6 2158,6905 0,3270 6,2 2129,9079 0,3200 5,8 2067,5457 0,3170 5,4 1990,7923 0,3130 5 1746,1407 0,3110 4,6 1578,2426 0,3100 4,2 1463,1124 0,3080 3,8 1300,0113 0,3080 3,4 1117,7219 0,3070 3 973,8092 0,3070 2,6 877,8674 0,3070 2,2 777,1285 0,3070 1,8 700,3751 0,3060 1,4 633,2158 0,3060
  4. 4. 1 599,6362 0,3060 A tabela 2, a seguir, similarmente a anterior, indica que para valores crescentes de vazão, a altura do leito se mantem constante até que seja vencida a barreira da tensão superficial entre o fluido e o leito de poliestireno, no ponto com vazão correspondente a 14 L/min, tendo a pressão um crescimento linear. Para valores decrescentes de vazão é possível observar que a pressão tem um comportamento análogo ao caso anterior. Tabela 2: Vazão crescente e decrescente obtidas experimentalmente do leito de poliestireno Vazão crescente Vazão Fluido (L/min) Queda de Pressão 1 (Pa) Queda de Pressão 2 (Pa) Altura do Leito (m) 4,4 431,1177 421,3195 0,2560 6 597,6859 617,2821 0,2560 8 842,6391 832,8410 0,2560 10 1058,1980 1048,3998 0,2560 12 1322,7475 1283,5550 0,2560 14 1557,9026 1518,7101 0,2560 16 1322,7475 1322,7475 0,2640 18 1332,5456 1312,9494 0,2680 20 1322,7475 1303,1512 0,2750 22 1283,5550 1263,9587 0,2810 24 1293,3531 1283,5550 0,2850 26 1273,7568 1263,9587 0,2890 28 1283,5550 1263,9587 Vazão decrescente Vazão Fluido (L/min) Queda de Pressão 1 (Pa) Queda de Pressão 2 (Pa) Altura do Leito (m) 28 372,3289 401,7233 0,281 26 548,6952 558,4934 0,284 24 705,4653 715,2634 0,282 22 881,8316 832,8410 0,28 20 950,4186 950,4186 0,278 18 1038,6017 1028,8037 0,276 16 1136,5830 1107,1887 0,274 14 1195,3718 1185,5737 0,27 12 1244,3625 1244,3625 0,268 10 1293,3531 1283,5550 0,266 8 1263,9588 1263,9588 0,264 6 1273,7569 1263,9588 0,26 4,4 1283,5550 1263,9588 0,258 Os dados obtidos na tabela 1 permitiram a elaboração do gráfico representado na figura 4. Figura 4: Curva Característica da Fluidização Sólido – Líquido. A partir do gráfico acima 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 fluído que escoa sobre ele. É evidenciada uma diferença para acréscimos e decréscimos de vazão no leito, este fenômeno é conhecido como histerese. As curvas apresentam as variáveis significativas: queda de pressão máxima (Pmf,) e velocidade mínima de fluidização (qmf,), que pode ser obtido através das tangentes às curvas. Para a fluidização sólido – líquido os valores teóricos, calculados pelas equações 2 e 5 e experimentais obtidos graficamente são os apresentados na tabela 3, a seguir. Tabela 3 : Variáveis significativas para a fluidização Solido-liquido. Variáveis Experimental Teórico Pmf (Pa) 2460,91 3330,79 qmf (m/s) 0,0219 0,022 𝜀m 0,308 - Conforme, tabela 3, os valores experimentais e teóricos para a queda de pressão apresentam discrepância significativa, essa fato é atribuído principalmente a incerteza no valor da grandeza massa , do qual era composto o leito, e a sensibilidade do operador ao fazer a leitura do manômetro, assim adensando erros, fato que não esta tão evidenciado na velocidade mínima de fluidização que apresenta coerência entre teoria e pratica. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0.000 0.010 0.020 0.030 0.040 QuedadePressão(Pa) Velocidade do Fluido (m/s) Curva Característica de Fluidização Sólido-líquido Vazão crescente Vazão decrescente Reta tangente a curva
  5. 5. A partir dos dados da tabela 2 elaborou-se os gráficos representados nas figuras 5 e 6. Figura 5: Curva Característica da Fluidização Sólido – Gás, considerando perda de carga da tela inferior. Figura 7: Curva Característica da Fluidização Sólido – Gás. As figuras 5 e 6 representam as curvas que caracterizam uma fluidização sólido-gás sendo que a primeira leva em consideração a perda de carga que a tela, responsável por segurar as partículas impõe ao fluido e a segunda, com o manômetro posicionado após a tela, informa as variaveis significativas impostam apenas pelo leito. Os valores teóricos, obtidos através das equações 2 e 3, e os valores experimentais estão explícitos na tabela 4,abaixo. Tabela XX: Variaveis significativa obtidos da figura 5 Variáveis Experimental Teórico Pmf (Pa) 1518,82 1665,4 qmf (m/s) 0,060392 0,055 𝜀m 0,444 - Tabela XX: Variaveis significativas obtidos da figura 6 Variáveis Experimental Teórico Pmf (Pa) 1557,9026 1665,4 qmf (m/s) 0,06794 0,055 𝜀m 0,4476 - CONCLUSÃO A apropriação da tecnica de fluidização permite observar o comportamento fluidinamico de leito recheado com pedras finas e um segundo recheado com poliestireno podendo se constatar que, conforme literatura, ambos os recheios tem comportamento homogêneo e apresentam características que os classificam como leito expandido. As curvas características tem comportamento esperado, conforme representação literária, ou seja apresentam um pico de pressão nas vazões crescentes, esse por representar o momento que a vazão vence as forças resistivas apresentadas pelo leito. NOMENCLATURA G Aceleração da gravidade [m]/[T]² Dp Diâmetro da partícula [L] ∅ Esfericidade [L]2 /[L]2 𝜌 Massa específica [M]/[L]3 𝜀 Porosidade do leito Q Velocidade [L]/[T] 𝜇 Viscosidade dinâmica [M]/[L][T] qmf Velocidade mínima fluidização [L]/[T] −∆𝑃 𝑚𝑓 Pressão mínima fluidização [M]/[T]2[L] REFERÊNCIAS CREMASCO, M. A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. São Paulo: Blucher, 2012. FOUST, A. S.; WENZEL, L. A.; CLUMP, C. W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L. B. Princípios das Operações Unitárias. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 QuedadePressão(Pa) Velocidade do Fluido (m/s) Curva Característica de Fluidização Sólido-Gás com a Perda de Carga da Tela Vazão crescente Vazão descrescente Retas tangentes a curva 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 QuedadePressão(Pa) Velocidade do Fluido(m/s) Curva Característica de Fluidização Sólido-Gás Vazão crescente Vazão decrescente

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