quarta-feira, 18 de março de 2015

Avaliação das características de leitos fluidizados através da utilização de partículas de diâmetros diferentes




- Por A. R. V. SOUZA , J. L. SOUZA , E. N. O.JUNIOR -

RESUMO - O presente trabalho teve como objetivo avaliar as condições de fluidização em um equipamento de leito fluidizado que utilizava água como fluido e pérolas de vidro como material do leito. Avaliou-se o efeito de duas telas de suporte do leito verificando que uma delas ocasionava maior queda de pressão no sistema.
Avaliou-se também o efeito da porcentagem de partículas de dois diâmetros diferentes que compunham o leito. Observou-se que o leito constituído apenas por partículas de 2,86 mm de diâmetro acarretou menor queda de pressão ΔP (Pa) e exigiu menor velocidade superficial de escoamento u (m/h) do fluido nas condições de mínima fluidização ΔPmf (Pa). Já com partículas de 4,94 mm de diâmetro no leito, alcançou-se os maiores valores de queda de pressão e de velocidade superficial de escoamento. O leito misto, com 25, 50 e 75% de partículas de 2,86 mm, sendo o restante constituído de partículas de 4,94 mm, apresentou resultados intermediários. Nas condições de mínima fluidização, a equação de Ergun apresentou desvios menores que 10% quanto à queda de pressão quando comparadas à equação de balanço de forças e aos valores experimentais. Já a equação de Wen e Yu foi a que apresentou menores desvios quanto à velocidade de mínima fluidização, porém ainda altos, em torno de 35% em comparação a de Pavlov, Romankov e Noscov.

1. INTRODUÇÃO

Os leitos fluidizados são caracterizados, basicamente, por apresentar partículas suspensas e distanciadas entre sim quando submetidas ao escoamento em fase fluida, sem, contudo, sofrerem arraste. Tais leitos são largamente utilizado sem processos industriais por proporcionarem mistura intensa entre as fases fluida e particulada, assim como acarretando uniformidade de distribuições de temperatura e de concentração das fases no interior do equipamento. Exemplos típicos de aplicações industriais de leitos fluidizados incluem sínteses e reações catalíticas,regeneração catalítica, combustão e gaseificação de carvão, entre outros (DA SILVA, 2000). Os leitos fluidizados são também empregados em processos físicos (não reacionais) como, por exemplo, na secagem de partículas, recobrimento e granulação de sólidos (CREMASCO, 2012). O presente trabalho visa compreender os fenômenos da fluidização quando se trabalha com partículas de pérola de vidro de diferentes diâmetros que compõem o leito. 

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Materiais 

Os materiais utilizados no experimento foram água destilada, corante de fins alimentícios para colorir a água e facilitar a visualização do escoamento da mesma ao longo do equipamento, tetracloreto de carbono, esferas de vidro de 2,86 mm e 4,94 mm de diâmetro médio, cronômetro e béquer para medir a vazão de água.

2.2. Métodos 

O equipamento utilizado no experimento foi o equipamento de leito fluidizado do Laboratório de Engenharia Química da Universidade Federal de São João del Rei, Campus Alto Paraopeba, como está mostrado na Figura 1.

Primeiramente trocou-se a tela de sustentação do leito de partículas, objetivando-se verificar a influência da tela de suporte do leito. Em seguida realizaram-se ensaios no equipamento sem nenhum leito de partículas (branco), objetivando-se obter os valores da perda decarga que somente a tela de suporte do mesmo oferecia, sendo estes valores comparados com aqueles que a tela antiga oferecia. Posteriormente foi feito 5 ensaios com uma massa de 200 g de esferas de vidro conforme a Tabela 1. Para cada ponto de vazão, mediu-se, em triplicata, a massa recolhida de água em um tempo pré-determinado e anotou-se a variação de altura do tetracloreto de carbono no tubo em U e a altura das partículas no leito. O teste para cálculo da densidade e diâmetro das partículas, bem como quando houve a mistura de partículas de diâmetros diferentes, foi feito através do procedimento de picnometria.


3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A partir do cálculo dos valores de queda de pressão e velocidade superficial de escoamento obtido com a tela antiga e com a tela nova, plotou-se os gráficos (a) e (b), respectivamente, conforme a Figura 2.


A partir da análise das Figuras 2 (a) e (b) percebe-se que alterando-se a tela de suporte das partículas no leito, a queda de pressão é muito menor para a tela nova (Figura 2b) tanto para baixas quanto para altas velocidades de escoamento. Dessa forma pode-se concluir que a troca da tela foi eficaz, pois é possível alcançar maiores velocidades de escoamento a menores perdas de carga. Em relação aos dados experimentais para os 5 ensaios descritos na Tabela 1, os valores de queda de pressão e velocidade superficial também foram plotados graficamente. Nos resultados já estão desconsiderados os valores de queda de pressão ocasionados pela nova tela de suporte. Para que isto pudesse ser feito, para cada valor de velocidade de escoamento obtido em cada ensaio, relacionou-se o mesmo como a variável x da equação da reta da Figura 2 (b), e calculou-se então a variável queda de pressão, que relaciona-se à variável y. Então tal valor foi diminuído do valor de queda de pressão total do sistema. A Figura 3 descreve o comportamento do leito fluidizado para às condições descritas no primeiro ensaio da Tabela 1. Nesta Figura, a expressão "ida" relaciona-se ao processo pelo qual as partículas passam do estado de leito fixo para o estado de fluidização completa, enquanto que a "volta" se relaciona ao efeito inverso.



A partir da análise da Figura 3 nota-se que a curva gerada correlacionando-se queda de pressão em função da velocidade do fluido, possui comportamentos diferentes conforme a região analisada. Em baixos valores de velocidade do fluido, o fluido percola por entres as partículas, as quais não se movimentam umas entre as outras, proporcionando um comportamento mais linear entre a velocidade do fluido e a queda de pressão. O aumento continuado da velocidade do fluido faz com que o leito de partícula se expanda até que seja fluidizado, sendo que é observado uma lenta movimentação das partículas no leito. Neste ponto, tem-se então, a velocidade mínima de fluidização. Após isso há uma ligeira queda da pressão e o leito passa a não sofrer mais a influência da velocidade do fluído (CREMASCO, 2012). Da mesma forma, na Figura 4 têm-se os gráficos de fluidização para os demais ensaios da Tabela 1.



Analisando-se nas Figuras 3 e 4 as quedas de pressão em função do aumento da velocidade superficial de escoamento para os 5 ensaios, percebe-se que não houve uma queda de pressão considerável ao se mudar as características do leito de partículas. Já a velocidade superficial de escoamento apresentou maiores variações. Na Tabela 7 estão descritos as quedas de pressão e as velocidades na mínima fluidização para os 5 ensaios.


 Como forma de se comparar os valores experimentais da Tabela 2 com os aqueles da literatura, utilizou-se a Equação de Ergun (Equação 1) e a equação do balanço de forças (Equação 2) para se determinar a queda de pressão no leito nas condições de mínima fluidização.



A velocidade superficial de escoamento de mínima fluidização foi obtida a partir das correlação de Pavlov, Romankov e Noscov (Equação 3) e da equação de Wen e Yu (Equação 4) .

Os valores da porosidade mínima de fluidização (εmf) e da altura de mínima fluidização (Lmf) foram calculados a partir das Equações 5 e 6, respectivamente.


Para se determinar o valor da esfericidade (φ) foi medido o comprimento, a largura e a espessura de 20 partículas de cada um dos dois diâmetros. A partir da Equação 7 pode-se calcular o valor da esfericidade, onde "a" corresponde ao maior diâmetro da partícula, "b" corresponde ao diâmetro intermediário, e "c" corresponde ao menor valor da partícula.


As partículas de 2,86 mm apresentaram uma esfericidade de 0,97 enquanto que as partículas de 4,94 mm apresentaram uma esfericidade de 0,88. Para os ensaios 2, 3 e 4 a esfericidade foi determinada a partir da média ponderada de partículas que compunham o leito, apresentando valores de esfericidade de 0,90, 0,93 e 0,95, respectivamente. Nas Tabelas 3 e 4 estão descritos os valores experimentais da queda de pressão (ΔPmf) e da velocidade superficial de escoamento (umf), respectivamente, e os obtidos pelas correlações, além do desvio entre elas.



A partir da análise das Tabelas, percebe-se que os desvios entre as correlações apresentadas e os valores experimentais da Tabela 4 são maiores em relação às correlações e os valores experimentais apresentadas na Tabela 3. De acordo com Lippens e Mulder (1993), das 33 correlações utilizadas para determinação das características da fluidodinâmica de partículas em leito fluidizado sob condições de mínima fluidização, a correlação de Ergun é a que apresenta menores desvios de queda de pressão. Como pode ser observado, a queda de pressão obtida pela correlação de Ergun se ajusta perfeitamente às condições experimentais, apresentando pequenos desvios. É justamente devido ao fato da correlação de Ergun apresentar pequenos desvios em relação a dados experimentais, que ela é o modelo mais aceito para a previsão da queda de pressão em leitos fixos e fluidizados. Ela é amplamente utilizada e não possui restrições ao número de Reynolds, tanto para leitos de partículas uniformes quanto não uniformes, e até mesmo para misturas de diversos tamanhos de partículas (Motta, 2009). Já a equação do balanço de forças apresentou maiores desvios. Quanto às velocidades superficiais de escoamento, tanto as correlações de Wen e Yu ou a de Pavlov, Romankov e Noscov, apresentaram desvios significativos, porém a equação de Wen e Yu apresentou, comparando-se ensaios individuais, menores desvios

4. CONCLUSÃO

A tela de suporte do leito de partículas em leito fluidizado é um fator de extrema importância e deve ser dimensionada de forma a propiciar menores queda de pressão no sistema. Isso pôde ser observado nos experimentos. Quando foi trocada a tela antiga por outra que oferecia menor resistência quanto ao escoamento, a queda de pressão no sistema foi bem menor. Assim conclui-se que a troca da tela ofereceu resultados satisfatórios. A partir dos dados experimentais de queda de pressão e velocidade de escoamento nas condições de mínima fluidização, percebeu-se que a primeira não sofreu grandes variações quando se trabalhou com leito com mistura de partículas. Já a velocidade superficial aumentou continuamente conforme foi diminuída a percentagem de partículas de 2,86 mm e foi-se aumentando as partículas de 4,94 mm. Desta forma a escolha de partículas menores em relação às maiores, em uma possível utilização industrial, propiciaria trabalhar em condições mais brandas quanto ao gasto energético principalmente quanto ao bombeamento do líquido no leito. As correlações empíricas utilizadas para determinação da queda de pressão no sistema e a velocidade superficial de escoamento mostraram resultados satisfatórios e previstos com o da literatura frente aos valores experimentais. Em se tratando de leitos fixos ou condições de mínima fluidização, a Equação de Ergun é a que apresenta valores mais próximos de queda de pressão, por isso é uma das equações mais utilizadas ao se trabalhar nestas condições de escoamento. O equipamento utilizado no experimento apresenta uma boa reprodução dos equipamentos industriais. Porém, se alguns fatores tais como medidas de pressão e vazão fossem feitos de uma forma instrumental e não manual, alguns erros, que usualmente ocorrem, poderiam ser diminuídos e os resultados obtidos poderiam ser melhorados.

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5. REFERÊNCIAS 

CREMASCO, M. A. Operações Unitárias em sistemas particulados e fluido mecânicos. 1 ed. São Paulo. Edgard Blucher, 2012. 423p. DA SILVA, D. P. Estudo do comportamento fluidodinâmico da celulose microcristalina em leito fluidizado. 2000. 127 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Faculdade de Engenharia Química, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2000. LIPPENS, B.C.; MULDER, J. (1993) - Prediction of the Minimum Fluidization Velocity Powder Technology, voL75, issue 1, pp.67-78.LUKIN, Nikolas. Simulação de escoamento em sistemas porosos usando MPS. Monografia (conclusão de curso) – Universidade de São Paulo Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Mecânica, São Paulo, 2009. MOTTA, E. P. Queda de pressão em um leito de partículas de xisto: Avaliação de modelos de modelos para distribuição granulométrica e diâmetros médios equivalentes, estudo do efeito da altura do leito e avaliação de modelos para predição da queda de pressão. Tese (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, UFPR – Curitiba, 2009. 
Foto por: "Stylised Lithium Atom". Licenciado sob CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stylised_Lithium_Atom.png#/media/File:Stylised_Lithium_Atom.png





Alexandre Rodrigo é formado em técnico em eletrônica, tecnólogo em ciência e tecnologia e engenheiro químico pela Universidade Federal de São João Del Rei. Atuou como técnico de instrumentação analítica em laboratório químico pela Gerdau Açominas e atualmente é engenheiro de manutenção em assistência e consultoria de equipamentos de laboratório pela empresa Leco Instrumentos.




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