UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANCENTRO DE ENGENHARIAS E CINCIAS EXATASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICACURSO DE ENGENHARIA QUMICA

LEITO FLUIDIZADO

TOLEDO/PR2015

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANCENTRO DE ENGENHARIAS E CINCIAS EXATASDEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICACURSO DE ENGENHARIA QUMICA

BRUNO GAZZONI JARDIMLUIS HENRIQUE ISRAELMARCO ANTONIO REGINATOMATHEUS ALLAN MAIORMATHEUS PIASECKIVANESSA NOVASKI

LEITO FLUIDIZADO

Trabalho entregue como requisito parcial de avaliao da disciplina de Laboratrio de Engenharia Qumica II do curso de Engenharia Qumica da Universidade Estadual do Oeste do Paran Campus Toledo.

Prof. Dr. Marcos Flvio Pinto Moreira

TOLEDO/PR2015RESUMO

Um dos equipamentos mais presentes na indstria so os leitos fluidizados, que so empregados em diversos processos industriais, sendo definido como um leito de partculas que so arrastadas por uma fase fluida. Esta prtica tem como objetivo determinar a velocidade mnima de fluidizao de uma coluna e comparar esse valor com valores obtidos por correlaes disponveis na literatura, alm de determinar a queda de presso e compar-la com valores tericos obtidos da equao de Ergun. Para isso, em uma coluna contendo areia mdia, fez-se escoar ar por meio de um compressor, variando-se a vazo do ar at que se iniciasse a fluidizao do leito, medindo alm da vazo, a perda de carga da coluna por meio de um manmetro. A partir dos dados experimentais coletados, plotou-se uma curva de altura do leito em funo da vazo e do logaritmo da queda de presso em funo do logaritmo da vazo, encontrando-se a vazo mnima de fluidizao no ponto onde a queda de presso passasse a ser aproximadamente constante, ou seja, quando a altura do leito comeasse a variar. Dessa forma, obteve-se uma velocidade mnima de fluidizao de 0,14 m/s. Comparando-se com valores obtidos por correlaes, observou-se que houve certa concordncia entre o valor experimental e o valor pelas correlaes de Ergun e Carman-Kozeny. Entretanto, o valor experimental apresentou discrepncia em relao s outras duas correlaes, fato que se deve diferena de condies consideradas pelas correlaes e as condies do sistema durante o experimento. Comparando-se os valores de queda de presso experimental e os valores obtidos pela equao de Ergun, percebeu-se certa discrepncia entre os valores,

NDICE

LISTA DE TABELAS

LISTA DE FIGURAS

1. INTRODUO

Leito fluidizado um leito de slidos finamente divididos pelo qual se escoa um fluido. O escoamento desse fluido altera a distribuio espacial das partculas, que passam a se assemelhar um fluido por meio da suspenso em um gs ou lquido. Nesse processo, o arraste gerado pelas foras de atrito entre o fluido e o slido superam o peso das partculas, e o material slido passa a ter comportamento fluido. Processos que utilizam leitos fluidizados so utilizados industrialmente desde a dcada de 1920, tendo sua primeira aplicao no sistema de gaseificao Winkler, na Alemanha. Unidades de Craqueamento Cataltico Fracionado, utilizadas na produo de gasolina com alto ndice de octanagem, foram utilizadas pela primeira vez na dcada de 1940. Hoje, cerca de 75% de todos os processos de produo de poliolefinas empregam leitos fluidizados (COCCO, KARRI e KNOWLTON, 2014).A fluidizao apresenta caractersticas incomuns a muitos processos e que podem ser bem aplicadas na engenharia como, por exemplo, excelente troca trmica. Em reatores de leito fluidizado as taxas de troca trmica podem ser de 5 a 10 vezes maiores que em um reator PBR (COCCO, KARRI e KNOWLTON, 2014).A fluidizao das partculas slidas tambm permite ao processo facilidades na operao ao permitir a adio ou remoo das partculas slidas (que podem ser o catalisador em uma reao, por exemplo) sem a necessidade de interromper a operao (COCCO, KARRI e KNOWLTON, 2014).Porm, para tanto, necessrio que o fluido possua a energia necessria para causar a fluidizao das partculas slidas. Para tanto, se faz necessrio o uso de mquinas geratrizes acopladas ao sistema, como bombas, no caso de lquidos ou compressores, no caso de gases.A prtica tem por objetivo determinar experimentalmente a velocidade mnima de fluidizao e comparar esse valor com os obtidos por correlaes de literatura.

2. FUNDAMENTAO TERICA

Leito Fluidizado.

Considerando-se um leito que contenha uma massa de slidos acomodada sobre uma placa ou tela perfurada, no qual faz-se passar uma corrente gasosa atravs do leito no sentido ascendente, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1 Leito de partculas percolado por corrente gasosa ascendente (NITZ e GUARDANI, 2008).

Se o gs estiver percolando com uma velocidade baixa, ele ir escoar pelos espaos entre as partculas sem movimentar o material slido, caracterizando-se um leito fixo. medida que se aumenta a velocidade de escoamento do gs, as partculas slidas comeam a apresentar um certo movimento, at que as foras ascendentes causadas pelo escoamento do gs se igualem ao peso das partculas, causando um equilbrio de foras. A partir dessa velocidade, tem-se caracterizado um leito fluidizado (NITZ e GUARDANI, 2008).

2.1.1. Regimes de fluidizao.

Existem diferentes regimes de fluidizao, que dependem da velocidade de escoamento do gs percolado. No caso primordial, aonde h o equilbrio de foras e o slido est suspenso no gs, tem-se o regime de fluidizao incipiente, na qual a velocidade do gs chamada de velocidade mnima de fluidizao (NITZ e GUARDANI, 2008).Ao aumentar-se a velocidade de escoamento do gs, tem-se o regime de fluidizao borbulhante. Como o nome sugere, tem-se a formao de bolhas neste regime, que acabam arrastando o slido uma altura superior quando comparada com o regime incipiente. A expanso do slido ao longo do leito depende da massa especfica do mesmo. Geralmente, slidos com massas especficas menores que 1,4 g/cm, o leito expande-se consideravelmente antes de surgirem as bolhas caractersticas. Para massas especficas entre 1,4 e 4 g/cm, no se tem uma expanso maior do que a ocorrida na fluidizao incipiente, e a velocidade mnima de fluidizao j suficiente para a formao de bolhas. Em leitos de pequeno dimetro podem ocorrer slugs, que so bolhas grandes formadas pela juno de bolhas pequenas que se movimentam em fluxo empistonado e causam grande flutuao na queda de presso (NITZ e GUARDANI, 2008).Em seguida, tem-se a fluidizao turbulenta, que de difcil identificao e caracterizao, uma vez que o regime de escoamento do gs torna-se turbulento, causando grande arraste de partculas slidas. A operao em regime permanente de leitos turbulentos s possvel com a utilizao de ciclones para captar as partculas arrastadas e retorn-las ao leito j que muitas so expelidas do leito durante a fluidizao. Na fluidizao turbulenta h a diminuio da oscilao da queda de presso, pois o gs passa a escoar to rapidamente que as bolhas e os espaos vazios desaparecem (NITZ e GUARDANI, 2008).Quando a fluidizao comea a arrastar o material slido e atir-lo para fora do leito tm-se a fluidizao rpida, que ocorre quando a velocidade do gs excede a velocidade terminal de sedimentao das partculas. A partir desse ponto, a velocidade do gs suficiente para arrastar todo o material slido, atingindo-se a condio de transporte pneumtico. Nesse caso, deve-se recolher o slido fluidizado que retirado no topo da coluna por meio de ciclones e retorn-lo ao leito (NITZ e GUARDANI, 2008).O grfico exposto na Figura 2 relacionam a queda de presso no leito em funo da velocidade superficial do gs, indicando ainda o regime correspondente a cada etapa da fluidizao.

Figura 2 Queda de presso em funo da velocidade superficial do gs, relacionada com cada regime de fluidizao (NITZ e GUARDANI, 2008).

Em suma, a operao de fluidizao todo o intervalo compreendido entre a fluidizao incipiente e o transporte pneumtico. Uma vez que o leito est fluidizado, o leito passa a apresentar caractersticas prximas de um lquido em ebulio.

2.1.2. A velocidade mnima de fluidizao.

A partir de uma certa velocidade do ar, as foras de interao entre partcula e fluido passam a ser maiores do que a fora peso aparente das partculas, comeando a empurr-las no sentido do escoamento do fluido, caracterizando assim a fluidizao do leito (MOREIRA, 2015). Tal velocidade chamada de velocidade mnima de fluidizao.A partir dessa velocidade, com a fluidizao do leito, a queda de presso do mesmo mantm-se constante, at que o fluido atinja uma velocidade suficiente para arrastar a partcula para fora do leito, caracterizando o transporte pneumtico (NITZ e GUARDANI, 2008). Assim, quando se dispe de dados experimentais da queda de presso do leito em funo da vazo das partculas, pode-se determinar a velocidade mnima de fluidizao ao determinar-se a vazo na qual a queda de presso passa a ser constante. A plotagem de grficos de logaritmo da queda de presso em funo do logaritmo da vazo, conforme a Figura 2, permite uma melhor visualizao dos regimes de fluidizao do leito em funo da vazo.Entretanto, pode-se prever a velocidade mnima de fluidizao por meio de correlaes encontradas na literatura (PERRY, 2008). As mais empregadas so a de Leva (Eq. 01), Miller-Logwinuk (Eq. 02), Ergun (Eq. 03) e Carman-Kozeny (Eq. 04).

(Eq. 01)

(Eq. 02)

(Eq. 03)

(Eq. 04)

2.1.3. Queda de presso.

A queda de presso no escoamento em meio poroso, para porosidades entre 0,35 e 0,5, pode ser calculada pela equao de Ergun modificada (MacDONALD et al., 1979), conforme a equao (Eq. 05).

(Eq. 05)

Experimentalmente, determina-se a queda de presso empregando-se um manmetro conectado ao leito, medindo-se essa diferena de presso em termos de altura de fluido.

Compressores.

Compressores so estruturas mecnicas industriais destinadas essencialmente, a elevar a energia utilizvel de gases atravs do aumento de sua presso. Existem no mercado diferentes tipos de compressores, para diversas aplicaes. Vrios fatores influenciam em seu funcionamento, e tais devem ser considerados na hora de selecionar o equipamento para dada aplicao, de modo que o processo ocorra adequadamente, minimizando perdas de presso no sistema.Para se avaliar o desempenho de um compressor normalmente calculada sua eficincia, a qual pode ser comparada eficincia de outros compressores para realizar o mesmo processo ou avaliar o desempenho de uma mesma mquina operando em diferentes condies. Assim existem vrias classificaes de eficincia, como por exemplo, a isentrpica, isotrmica e politrpica, alm da eficincia mecnica, inerente a construo do equipamento.Os compressores podem ser classificados em 2 tipos principais, conforme seu princpio de operao: compressores de deslocamento positivo e turbocompressores.Os compressores de deslocamento positivo so subdivididos ainda em alternativos ou rotativos. Nos compressores alternativos a compresso do gs feita em uma cmara de volume varivel atravs do deslocamento de um pisto, ligado a um mecanismo biela-manivela similar ao de um motor alternativo. Quando o pisto no movimento ascendente comprime o gs a um valor determinado, uma vlvula se abre deixando o gs escapar, praticamente com presso constante. Ao final do movimento de ascenso, a vlvula de exausto se fecha, e a de admisso se abre, preenchendo a cmara a medida que o pisto se move (PACHECO, 2011).Nos compressores rotativos, um rotor montado dentro de uma carcaa com uma excentricidade (desnivelamento entre o centro do eixo do rotor e da carcaa). No rotor so montadas palhetas mveis, de modo que a rotao faz as palhetas se moverem para dentro e para fora de suas ranhuras. O gs contido entre duas palhetas sucessivas comprimido medida o volume entre elas diminui devido rotao e excentricidade do rotor.O compressor empregado no experimento foi um compressor do tipo alternativo, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 Compressor alternativo empregado no experimento.

Rotmetro.

O rotmetro classifica-se como um equipamento de medida indireta de vazo como mostra a Figura 4 que expe a classificao de diferentes equipamentos usados na tomada de medidas de vazo.

Figura 4 Classificao de diferentes tipos de rotmetros (SENAI, 1999).

O princpio de funcionamento do rotmetro baseia-se no deslocamento de um dispositivo flutuante no interior de um tubo. O deslocamento do flutuador diretamente proporcional a vazo do fluido passante. Desse modo, os rotmetros possuem um escala calibrada na parte externa do tubo que permite a leitura direta da vazo do fluido passante, dependente da posio do flutuador (SENAI, 1999).Entretanto, os rotmetros so, geralmente, calibrados em condies especficas de temperatura e presso, conhecidas como condies normais de temperatura e presso (CNTP). Caso o rotmetro seja empregado fora das CNTP, como foi o caso desse experimento, necessrio realizar a converso do valor lido no rotmetro para as condies experimentais. Para isso, utiliza-se a equao (Eq. 06).

(Eq. 06)

3. METODOLOGIA

Para o desenvolvimento do experimento foram utilizados os seguintes materiais: Compressor alternativo; Manmetro inclinado; Conjunto de rotmetros; Rgua; Leito com 10 cm de dimetro interno, 9 cm de leito no expandido contendo areia fina de granulometria de 28 a 48 Mesh Tyler.Para a inicializao do experimento acertou-se a posio do manmetro inclinado para o ngulo de 45. Posteriormente abriu-se ligeiramente a vlvula de regulagem de vazo, at que o flutuador do rotmetro azul atinja a marca de 100 L/min. A partir disso anota-se ento a altura do manmetro, a velocidade do ar, a altura do leito. Por fim repetiu-se o mesmo procedimento para as vazes de 150 L/min, 200L/min, 250 L/min, 300 L/min, 320 L/min, 340 L/min, 360 L/min, 380 L/min, 400L/min.

Referncias

1. COCCO, R.; KARRI, S. B. R.; KNOWLTON, T. Introduction to Fluidization. Chemical Engineering Progress, 2014.2. NITZ, M.; GUARDANI, R. Fluidizao Gs-Slido - Fundamentos e Avanos. Revista Brasileira de Engenharia Qumica, 01 Dezembro 2008. 20-24.3. PACHECO, L.M. Tipos de Compressores, Princpios Construtivos, Funcionais e suas Aplicaes. Curso Tcnico em Eletrnica, SENAI, Pindamonhangaba, 2011.

MacDONALD et al., 1979(MOREIRA, 2015). (PERRY, 2008).(SENAI, 1999).