Gas Capitulo 5

7/31/2019 Gas Capitulo 5

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RESULTADOS DE AVALIAO ECARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS DE

GASEIFICADORES DE LEITO FLUIDIZADO

Prof. Caio SanchezDETF FEM UNICAMP

[email protected]


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Laboratrio de Combusto e

Gaseificao do DETFSurgiu em 1980 com estudos de combusto em leitofluidizado. Hoje divide-se em trs Laboratrios: Gaseificao,Caracterizao e inflamabilidade de polmeros.Atualmente desenvolve trabalhos de caracterizao decombustveis, biomassa, resduos e polmeros, caracterizaode alcatro e leo de pirlise, gaseificao de biomassa epirlise de biomassa e de resduos polimricos e

levantamento de propriedades de inflamabilidade depolmeros.Conta com professores colaboradores e alunos de iniciaocientfica, mestrado e doutorado.Tem colaborao com vrios outros institutos de ensino epesquisa, como a UNESP, UFPa, UNIFOR, Universidad deZaragoza, KTH (Estocolmo), Universidad de Pinar Del Rio,Universidad de Oriente (ambas de Cuba) entre outros.Colaborao com indstrias: Mabe, Petrobrs-Cenpes e

Petrobrs-SIX.


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Esquema de instalao de gaseificador do leito fluidizado do GRTPCda Universit de Sherbrooke, Canad , 1990. [47].

Primeiros Projetos


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Esquema de instalao do gaseificador de leitofluidizado do Dept. of Chem. Eng. and Ind. Chemistry,

Free University of Brussels, Blgica, 1989. [44].


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Reator de Leito Fluidizado

1990 1996


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2 3

5

4

6

1

7

8

9

10

11

12

13

1 Suporte2 Pr-aquecedor3 Motor da rosca alimentadora4 Rosca alimentadora5 Silo inferior

6 Moto-Redutor7 Silo superior8 Reator9 Selo de segurana10 Sada de gs produto11 Ciclone12 Coletor de cinzas13 Chamin

Montagem do equipamento experimental


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Reator de leito fluidizado: 20 a 50 kg/h


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UNICAMP2000


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Planta Piloto

UNICAMP

1996

200kg/h


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Ensaio de ndice de Oxignio ASTM D 2863


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Esquema do reator de pirlise leito fluidizado de 100 mm de diametro.


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Leito Fluidizado


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Leito Fluidizado

LEITO FIXOREGIME

BORBULHANTEREGIME

SLUGGINGREGIME

TURBULENTOFLUIDIZAO

RPIDA

TRANSPORTEPNEUMTICO

FLUIDIZAO AGREGATIVA

Incremento da velocidade superficial do gs "U".

Gs


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Fluidizao de PartculasOs parmetros bsicos de um sistema gs-slido so a velocidade

superficial do fluido e a queda de presso do fluido no leito.

Pressureloss

Superficialvelocity

minimum

fluidization

fixedbed bubbling

fluidizedbed

0

due to accommodation

minimum

bubbling


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Caractersticas construtivas e principaisparmetros para gaseificao

Altura do leito

Caracterstica muito importante pois determina aperda de carga e o tempo de residncia do gs noreator. Pode variar entre 300 mm e 4000 mm.

Velocidade de Fluidizao

a velocidade superficial do escoamento na regio

do leito, sem a presena do leito.


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Velocidade de Fluidizao Mnima, Umf

A velocidade superficial do gs qual o leito fixo se torna um leitofluidizado conhecida como a velocidade de fluidizao mnima,Umf. As vezes tambm chamada de velocidade fluidizaoincipiente.

Umf aumenta com o tamanho e a densidade da partcula e afetada pelas propriedades do fluido.


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UNICAMP

2004

Configuraes


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Partida do reator

Grfico do aquecimento do leito na partida [44].


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Dados encontrados na literatura sobregaseificadores de biomassa em leito fluidizado.

tipo diam. Tl fator PCgs composio do

gs %

efici- refe- Ano

biomassa reator de ar CO H2 CH4 ncia rncia

mm C MJ/Nm3 % % % %

casca 721 a 0,48 a 6,3 12,2 4,7 6,7 63a 67 [49] 1989

de 406 871 0,86 ( PCIgs ) (a

frio)arroz(1) 600 a 0,24 a 5,7 10,4 4,7 6,0 35 [48] 1990

850 0,45 ( PCSgs ) (11)

coco (2) 650 a 0,15 a 6,3 12,3 8,0 3,2 78 [48] 1990

900 0,35 ( PCSgs ) (11)

coco de 720 a 0,12 a 6,6 13,4 7,6 4,0 83 [48] 1990

dend (3) 970 0,37 ( PCSgs ) (11)


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madeira 800 680 a 0,26 a 6,2 13,2 10,7 5,2 65a70 [50] 1988

(4) 975 0,90 ( PCSgs ) (11) [44] 1989faia 300 700 a 4,5 a 6,0 68a76 [24] 1983

(madeira) 950 ( PCIgs ) (11)aparas de 150 780 0,30 a 5,0 16,0 4,2 4,2 52 [56] 1989

madeira(5) 1,10 ( PCSgs ) (a frio)

serragem 760 5,0 11,0 7,5 4,8 84 [23]

e aparas de (11) (a frio)

madeira (6)madeira(60% 750 a 6,8 17,1 12,0 4,9 75 [57] 1984

eucalipto)(7) 950 ( PCSgs ) (a frio)

eucalipto (8) 0,25 5,3 [58] 1989

( PCSgs ) [59] 1990

bagao 480 655 a 6,4 19,2 4,7 5,0 55 [40] 1986

peletizado(9) 850 ( PCSgs ) (a frio)


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talos de 766 0,21 4,5 17,0 8,7 2,6 [60] 1981

algodo (11)

casca de 660 729 5,2 12,3 11,5 5,9 35,2 [36] 1986

amendoa(10) ( PCSgs ) (14) (a frio)

palha de 660 755 5,6 14,8 10,7 6,1 44,5 [36] 1986alfafa (10) ( PCSgs ) (14) (a frio)

talos de 660 768 5,2 12,8 9,5 6,1 42,3 [36] 1986

algodo(10)

( PCSgs

)(14)

(a frio)

palha de 660 761 5,0 16,0 7,4 7,4 42,2 [36] 1986

arroz (10) ( PCSgs ) (14) (a frio)

MSW (lixo 300 700 a 0,24 8,2 13,8 4,7 2,3 [55] 1991

urbano)(12) 800 a 0,32 ( PCSgs )

residuo de 300 743 0,30 5,8 15,3 9,0 5,5 [47] 1991

madeira(13) ( PCSgs ) (14)


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Perdas no gaseificador.

As principais perdas energticas em um gaseificadorso: Calor sensvel do gs. O gs sai em torno de 400C. Aquecimento da gua do combustvel.

Conduo e radiao pelas paredes para o ambiente. Calor sensvel nas cinzas.

Por exemplo:

Calor fornecido:PCI do combustvel slido 100,0 %Entalpia do ar 0,3 %Entalpia do vapor 2,4 %

102,7 %

Energia tilPCI do gs 82,0 %


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PerdasEntalpia do gs 11,4 %Entalpia do vapor no dissociavel 3,4 %Entalpia das cinzas 1,3 %

Radiao e conduo pelas parede 4,6 %102,7 %

Eficincia = PCIg/PCIcomb x 100 %

Por exemplo para a Antracita:

PCI = 7800 kcal/kg1 kg gera 4,4 Nm3 de gs com PCI de 1200kcal/Nm3

= (4,4 x 1200 / 7800) x 100 % = 67,7 %


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Poder calorfico do material slidoalimentado, e Poder calorfico do gs

produzido

Combustvel PoderCalorficoInferior,

kcal/kg

Densidade,kg/m3

kcal x 106

por m3 noestado bruto

PCI do gsestimadokcal/Nm3

Celulose 3500lenha 3700 350 1,3 1100carvo veg. 7000 200 1,4 1400

Turfa 3400 320 1,1 950Briquete deLinhito

4800 760 3,6 1100

Coque delinhito

5800 3,5 1300

Coque 6800 3,4 1350Antracita 7800 800 6,2 1200


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Balano energtico do gaseificador

Diagrama esquemtico para o balano energtico.


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O balano de massa do gaseificador fica:

(Vgs.1,3 + mcin/ Var .1,2 + mc).100 = B (1)

onde: B = fechamento do balano de massa, igual a 100 % quando ideal.

O volume de ar necessrio para a combusto estequiomtrica pode ser calculadopela equao [68]:

VA= 0,0889 ( Ct + 0,375 St ) + 0,265 Ht - 0,033 Ot (2)

Ct

= teor de carbono na biomassa, % em massa,St = teor de enxofre % em massa,Ht = teor de hidrognio % em massa,Ot = teor de oxignio % em massa.

O clculo do fator de ar FA :

FA = (Var/mc) / VA (3)


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As perdas ao meio ambiente podem ser estimadas por [70]:

Q u A m t t ma i iin

c si e= = ( . / ). ( )1 (17)


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onde:Qd = energia disponvel, MJ/kgcombQtil = energia til, MJ/kgcombQg = perda de energia pela entalpia do gs, MJ/kgcombQcarb = perda de energia pelo carbono no queimado nas cinzas,MJ/kgcombQcs = perda de energia pela entalpia das cinzas, MJ/kgcombQcin = perda de energia total com o arraste das cinzas, MJ/kgcombQma = perda de calor ao meio ambiente, MJ/kgcombQar = energia do ar do compressor, MJ/kgcombPCI = poder calorfico inferior do combustvel, MJ/kgcombha2 = entalpia do ar na sada do compressor, MJ/kgcombha1 = entalpia do ar na entrada do compressor, MJ/kgcombVar = vazo de ar, Nm3/sVA = volume de ar estequiomtrico, Nm3/KgcombFA = fator de ar, Nm3/kgcpa2 = calor especfico do ar a t a2 , MJ/Nm3 Ccpa1 = calor especfico do ar a t a1 , MJ/Nm3 Cta2 = temperatura do ar na sada do compressor, Cta1 = temperatura do ar na entrada do compressor, C


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Vgs = vazo do gs na sada do reator, Nm3/smc = vazo massica de combustvel, kg/sPCIgs= poder calorfico inferior do gs combustvel, MJ/Nm3

CCO = concentrao de CO nos gases, %

CCH4 = concentrao de CH4 nos gases, %CH2 = concentrao de H4 nos gases, %hgs = entalpia do gs a t s , MJ/kgcombhCO = entalpia do gs CO a t s , MJ/kgcombhCO2 = entalpia do gs CO2 a t s , MJ/kgcomb

ccin = calor especfico das cinzas [68] , nos gases, MJ/Nm3

CCcarb = concentrao de carbono nas cinzas [68] , nos gases, %tcin = temperatura das cinzas, no ciclone, CPCIcarb= poder calorfico inferior do carbono fixo [71] = 32,804

MJ/kg

ts = temperatura do gs antes do ciclone, Cte = temperatura de entrada do combustvel no reator, Cui = coeficiente de transferncia de calor numa seco i, MJ/m2

Ai = rea na seco do reator numa seco i, m2

tsi = temperatura externa do reator numa seco i, C

mcin = vazo massica de cinzas, kg/s


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Eficincia do gaseificador

Definindo-se:qtil = Qtil . 100 / Qd (18)qg = Qg . 100 / Qd (19)qcarb = Qcarb . 100 / Qd (20)

qcarb = Qcarb . 100 / Qd (21)qma = Qma . 100 / Qd (22)

e dividindo-se a equao 5 por Qd e multiplicando por 100 %,temos

100 = qtil + qg + qcarb + qcs + qma (23)

Podemos definir a eficincia a frio como:

Eff = Qtil/ Qd (24)

e a eficincia a quente como:

Efq = Eff + qg (25)

Qma pode ser calculado pela equao 23 no lugar da equao 17 .


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Trabalho Experimental Desenvolvido na Unicamp.

Foram monitorados no gaseificador, os parmetros:

Vazo de ar alimentado ao gaseificador, Var , Nm3/s;

Vazo de gs obtido, Vgs , Nm3/s;

Vazo de biomassa alimentada ao gaseificador, mc

, kg/s; Vazo de finos elutriados, mf, kg/s; Temperaturas do leito a diferentes alturas, tl1, C; Temperatura do gs no free-board, tgi, C; Temperatura do gs na entrada e na sada do ciclone, tce etcs , C;

Composio do gs produzido, CCO, CH2, CCH4, %; Teor de carbono nas cinzas elutriadas, Ccarb, %.

CASCA DE ARROZ H2


36/105

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,90

2

4

6

8

10

12

14

16

CASCA DE ARROZ H2CH4CO

Concen

trao(%)

Fator de ar


37/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

10

20

30

40

50

60

CASCA DE ARROZ

Eff

Eficincia

afrio(%)

Fator de ar

CASCA DE ARROZ qcarbqgs


38/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,001

0,01

0,1

1

10

qgsqcsqma

Perdas(%)

Fator de ar


39/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,001

0,01

0,1

1

10

(ciclone)CASCA DE ARROZ qcarb

qgsciqcsci

qmaci

Perdas

(%)

Fator de ar


40/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,04

6

8

10

12

14

16

18

CASCA DE ARROZ

h1h2h3h4

ConcentraodeCO(%)

Fator de ar


41/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

10

20

30

40

50

60

BAGAOCASCABORRA

SERRAGEM

Eficinciaafrio(%)

Fator de ar


42/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

BAGAOCASCABORRA

SERRAGEM

Temperaturadoleito(C)

Fator de ar

BAGAO


43/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

BAGAOCASCABORRASERRAGEM

Poder

calorficoinferiordogs(MJ/Nm3)

Fator de ar

BAGAO


44/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

2

4

6

8

10

12

14

16

18

BAGAOCASCABORRASERRAGEM

Concentrao

deCO(%)

Fator de ar

BagaoCasca


45/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

CascaBorraSerragem

ConcentraodeCarb

ononasCinzas(%

)

Fator de ar

B


46/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

1

2

3

4

BagaoCascaBorra

Serragem

Fluxodecinzas(kg/h)

Fator de ar


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por vazo de combustvelVazo de gs Bag.

Casc


48/105

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Casc.Borr.Serrag.

Va

zodegs/vaz

odecomb.

(Nm

3/kg)

Fator de ar


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O motor utilizado para os testes foi um motor marcaDaimler-Chrysler, tipo

M-366G, verso industrial, movido a gs naturalveicular (GNV), com 6 cilindros, totalizando 5958 cm3. A potncia nominal do motor de 170 kW a 2.600

RPM e o torque mximo 720 Nm a 1.560 RPM,

operando com GNV. Este motor na verso estacionria utilizadadesenvolve 65kW a 1.800 RPM, com GNV

Ensaios com motor


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51/105


52/105

PCI do Gs

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,32,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,23,4

3,6

3,8

4,0

4,24,4

4,6

4,8

5,0

PCI(M

J/Nm

3)

Altura de leito (m)

FA 0,4FA 0,5

Casca de Arroz


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Rotao Torque Potncia de

eixo

Pot.

Gs

Efic.

de eixo

Efic.

Global

Abertura

daBorboleta

Temp. Gs

Produto

Temp.

GasesExaust.

RPM ft.-lbs. BHP kW kW % % graus oC oC -

1800 33,6 60,5 41 174,0 26% 11,4% 35 55 740 1,00

Desempenho do motor, operando 100% com gs pobre (4,6 MJ/Nm3)


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Problemas...Problemas...


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Tambor-filtroimplodido(elemento

filtrante:bagao)

Resumo dos parmetros da gaseificao de biomassa para


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Resumo dos parmetros da gaseificao de biomassa paraas condies de mxima eficincia e mximo poder

calorfico inferior do gs.

Tipo mxima eficincia mximo PCI ajustado

de ajustado experiment.

biomassa EFf EFq FA Tl Pma EFf FA PCI CO Tl EFf FA

% % C % % MJ/Nm3 % C %

serragem 35,0 47,0 0,25 770 55,0 41,0 0,25 4,2 14,5 700 25,0 0,17

casca dearroz

42,0 60,0 0,55 750 20,0 50,0 0,4 2,9 11,5 730 40,0 0,45

bagao

de cana

15,5 22,0 0,16 740 73,0 17,5 0,16 3,0 12,0 750 15,5 0,16

borra decaf

20,0 47,0 0,22 780 61,0 25,5 0,22 3,7 13,2 610 14,0 0,12

Alguns parmetros de dimensionamento de


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Alguns parmetros de dimensionamento degaseificadores de leito fluidizado.

Altura do leito expandido, m:hl = hlf . 1,25onde: hlf = altura do leito fixo (esttico), m.

Volume do leito expandido, m3:Vl= hl. . Dg2/ 4onde: Dg = dimetro interno do reator na regio do leito, m.

Potncia de sada, kW:Ps= PCIgs . Vgs

Potncia volumtrica de sada, kW/m3:

qvs= Ps/ Vl

Potncia volumtrica especfica de sada, kJ/kg . m3:q q / m


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qves = qves/ mcVazo especfica de gs (referente vazo de combustvel), m3/kg:

Veg = Vgs/mcVazo de combustvel por volume de leito, ton/m3 . h:Vvc = mc/Vl

Razo da velocidade de fluidizao do leito em relao velocidade de mnima fluidizao:fv = Uf/Umf

Observaes:(1) valores correspondentes curva de ajuste; (2) valores mximos encontrados.

Biomassa hlf hl Vl qves qves Vvc fv

m m m3 MW/m3 MJ/kg.m3 ton/m3.h

casca(1) 0,48 0,6 0,02 1,4 225 1,0 2,0 a 2,3

bagao(2) 0,48 0,6 0,02 1,5 151 2,0 2,0

borra(2) 0,48 0,6 0,02 2,2 282 2,0 1,8 a 2,8

serragem(2) 0,48 0,6 0,02 2,3 315 2,0 1,9 a 2,3

Metodologia para projeto preliminar deifi d d l i fl idi d


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gaseificador de leito fluidizado.

Clculo da demanda de energia:Et= Ed . fsec

Clculo da vazo total de gs a ser produzido no gaseificador:Fg = Et/ PCIgs

Clculo do consumo de combustvel:mc = Et/ PCI . gou por Veg:mc = Fg/Veg

Clculo da vazo de ar a ser fornecido ao gaseificador:Var = FA . VA . mc

Vazo volumtrica corrigida para a temperatura do leito:Fat = Var . (tl+ 273)/273

Determinao da rea do gaseificador:Ag = Fat/ Uf

Determinao do dimetro do gaseificador:Dg = (4 . Ag/.)1/2


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onde:Ed : demanda de calor til, MJ/Nm3

fsec : fator de seguranaE

t

: energia total do gs produzido pelo gaseificador, MJ/hPCIgs : poder calorfico inferior do gs, MJ/Nm3Fg : vazo total de gs, Nm3/hmc : vazo mssica de combustvel,kg/hFat : vazo de ar na temperatura do reator, m3/hPCI : poder calorfico inferior do combustvel,MJ/kgg : eficincia mdia do gaseificadorVar : vazo total de ar, Nm3/hVA : volume terico do ar para a combusto de 1 kg de combustvel, Nm3/kgAg : rea da seco transversal do gaseificador, m2

Uf: velocidade de fluidizao, da ordem de 0,5 a 1,5 m/s

Dg : dimetro do gaseificador, mFA : fator de ar, relao entre a quantidade de ar fornecido ao gaseificador e aquantidade de ar nescessria para a combusto estequiomtrica. Adota-se umvalor na faixa de 0,2 a 0,4 [51].


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Relao entre a composio imediata e elementar deum combustvel

Aplicaes


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Aplicaes

Fornos de tratamento trmico Fornos de queima de biscoito cermico

Fornos de esmaltao de piso cermico Fornos de panificao contnuos e ciclomatrmicos Estufas Secadores para minrios do tipo rotativo e Flash dryer Fornos rotativos de calcinao Secadores de atomizao Caldeiras Aquecedores de ar quente Fornos de fundio de metais no ferrosos


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Influncia da umidade da biomassa na composio e pci do gs


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Tac x excesso de ar de combusto.


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Caractersticas Relevantes das

Partculas SlidasDensidadeEsfericidadeTamanho de partcula

Classificao das Partculas

Densidade


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Densidade A densidade correta para uso nas equaes de fluidizao a

densidade de partcula, definida como a massa de uma partculadividida por seu volume hidrodinmico. o volume " visto " pelo fluido

em sua interao fluidodinmica com a partcula e inclui o volume detodos os poros abertos e fechados.


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Por exemplo

600 kg de p fluidizado em uma coluna de 1 m2 de rea transversale o leito alcana uma altura de 0.5 m. Qual a densidade do leito?

Massa de partculas no leito = 600 kg. Volume ocupado pelas partculas e vazios = 1 x 0.5 = 0.5 m3

Conseqentemente, a densidade do leito = 600/0.5 = 1200 kg/m3

Se a densidade das partculas deste slido 2700 kg/m3, qual afrao de vazios do leito? A densidade do leito B relacionada adensidade de partcula p e a frao de vazios atravs da Equao :B = (1 - ) p

Conseqentemente, os vazios = 1 - (1200/2700) = 0.555


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Esfericidade A esfericidade () uma definio que associa as diferentes

definies de tamanhos, e definido por Waddell como sendo a

rea superficial volumar de uma esfera por rea superficial dapartcula. Logo, pode-se escrever:

Mostra-se, ainda, que a esfericidade pode ser a razo entre osdimetros superfcie/volume (dsv) e o volumar (dv):

Seja a partcula esfrica ou no, vale a afirmativa:


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Dois outros mtodos de clculos tambm podem ser utilizados: ospropostos por Massarani e Peanha (1989) e a partir da equao de

Ergun (1952) para queda de presso total do leito.

O mtodo de Peanha e Massarani (1989) consiste na determinaodo dimetro inscrito (dCI) e circunscrito (dCC) de uma partcula,

obtidos atravs da projeo de sua sombra sobre um plano emrepouso e estvel. Logo, a esfericidade pode ser definida comosendo:


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Tamanho de partcula

Para uma partcula slida que no possui a geometria esfrica,existem diferentes definies de tamanhos:

Dimetros Equivalentes,

Dimetros de Crculo Equivalente e Dimetros Estatsticos.

Dimetros Equivalentes


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Na prtica, utilizam-se como os dimetros do slidocorrespondentes da esfera, que possui as mesmaspropriedades da partcula em volume, mesma superfcie

projetada e mesma velocidade de queda.

Em sistemas particulados (escoamento em meiosporosos), cintica e catlise a definio mais utilizada ade Sauter, que relaciona dimetro da partcula cujarelao superfcie/volume a mesma para todas aspartculas:

Onde p o dimetro mdio de Sauter, xi a frao mssica retida e

dpi o dimetro mdio cada partcula.

A Tabela 1 mostra os principais dimetros equivalentes


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de uma esfera:

SSmbolombolo DenominaDenominaooPropriedadePropriedade

considerada daconsiderada da

esferaesfera

ExpressoExpressomatemmatemticatica

dvdvDimetro emDimetro em

volumevolume VolumeVolume

dsdsDimetro emDimetro em

superfsuperfciecie

especespecficaficaSuperfSuperfciecie

dsvdsv

Dimetro deDimetro de

superfsuperfciecie

SuperfSuperfcie /cie /

VolumeVolume

Dimetros de um Crculo EquivalenteOs dimetros de m crc lo eq i lente so q eles


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Os dimetros de um crculo equivalente so aquelescorrespondentes a uma circunferncia, que tem as mesmaspropriedades que a partcula quando projetada. O dimetro darea projetada definido como sendo o dimetro do crculo, quepossui rea igual a da partcula projetada na (Fig. 1)

Fig.1 Fig.2

Dimetros EstatsticosSo dimetros correspondentes medida de uma dimenso linear

efetuada paralelamente a uma direo fixa, so chamadosdimetros estatsticos e so usados em microscopia. Algumasdefinies para o tamanho do slido so mostradas na Fig.2, asaber: dimetro de Martin, de Feret e de Crofton.


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Tcnicas de medida de tamanho de partcula

Mtodos de Peneiramento

a tcnica mais empregada paraanlise e fracionamento detamanho de minerais (Perry eChilton, 1973). tambm o maisrpido e convencional mtodopara partculas maiores que 50micra. Algumas peneiras demicromesh foram desenvolvidaspara anlise de partculasmenores que 1 mcron. Define-sepor mesh como sendo nmero deabertura por polegada linear. Aspeneiras usadas em laboratrio

tm normalmente mais ou menos20 cm de dimetro com aberturas(orifcios) uniformes.

Tyler number(mesh) Level Mass percentage reitened

# 04 8 10,20


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# 10 7 9,85# 16 6 36,55# 20 5 20,40# 48 4 8,80# 80 3 4,95

#100 2 2,85Pan or smaller than #100 1 6,40

Size level i dpi (mm) wi (mass fraction) wi / dpi .1 0,075 0,0640 0,853333

2 0,163 0,0285 0,1748473 0,237 0,0495 0,2088614 0,569 0,0880 0,1546575 0,921 0,2040 0,221498

6 1,340 0,3655 0,2727617 3,220 0,0985 0,030590

. 8 4,760 0,1020 0,021429 wi / d pi 1,937976

p av = 1 / 1,937976 = 0,516 mm


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Mtodos MicroscpicosOs microscpios (Microscpico Eletrnico de Varredura) podem ser divididos em duasclasses: os eletrnicos e ticos. Os microscpios eletrnicos (Figura 3) podem medirtamanhos de partculas menores do que 0,001micra, mas o custo da medida limita seuuso. Os ticos so usados para caracterizar partculas maiores que um mcron.

A difrao a laser (Figura 5) podeoperar em faixa de medio de 0,05a 3.000m. Opera em sistema ticoe com um ou mais feixes de luz

possibilitando medir a distribuioprecisa de tamanho de partculas.As medies podem ser a seco oua mido. Considerado o melhoranalisador para vrias reas taiscomo: metal, minerao,farmacutica, qumica, ambiental,

construo, agricultura, solo e asque requerem medio departculas de alta densidade edesiguais.

Classificao das Particulas Slidas


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Em 1973, Geldart classificou os ps em 4 categorias de acordo com suaspropriedades e condies ambientes, e esta classificao usada amplamente

em todos os campos da tecnologia do p.


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Martin Rhodes

Equao geral:

Ar o nmero, adimensional, de Archimedes Remf o nmero de Reynolds



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Martin Rhodes

Na prtica a porosidade no incio da fluidizao pode ser consideravelmente

maior que a porosidade do leito empacotado. Um valor tpicofreqentemente usado de mf 0.4. Usando este valor:

Correlao de Wen e Yu vlida para partculas esfericas na faixa de:0.01


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Kunii / Levenspiel

Ar

gdUddU

mfP

Smf

mf

mfP

Smf

G

gSgP

G

gmfP

Smf

mfPmfg

Smf avav

=

+

=+

2

23

2

3

2

3

232

2

3

Re)1(150

Re75.1

ou,

)()1(150)(75.1

20Re;1150

)(,

232

= mfPSmfS

SSP

mf

gdU

Kunii / Levenspiel

Para partculas grandes;

Para partculas asperas e grossas;

Para partculas finas os valores recomendados por Wen e Yu;

Velocidade de Fluidizao Mnima, UmfSouza-Santos


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avav

avmf

GP

G

mfd

NU

Re

=

1

2/1

2

3

22

1Re )( agd

aaNavavav

av

av

mf GPG

G

P

+=

2

3 )(

av

avavavav

G

GpGp

Ar

gdN

=

2

2

22

3

32

3

)(75.1

)1(150)()(

mf

G

ppG

mf

mf

G

ppG

mf

mf

G

GpGpp

Ud

Uddg

av

avavav

av

avavav

av

avavavavav

+

=

A partir da equao geral:

Equao simplificada;

a1= 34,7 a2 = 0,0408 ; Wen e Yo => Larga faixa Esfericidadea1= 25,25 a2 = 0,0651 ; Babu e outros => Carvoa1= 27,2 a2 = 0,0408 : Grace => Vasta gama de situaes


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20Re;1150

)(,

232

Umf as bolhas estoconstantemente se dividindo e coalescendo, e um tamanho debolha estvel mximo alcanado. Isto traz a uma fluidizaouniforme de boa qualidade.

A figura ao lado apresenta bolhas em um leito fluidizado bi-dimensional de um p do Grupo A. Por diviso e coalescncia,as bolhas alcanam um mximo tamanho estvel,efetivamente independente da velocidade do gs ou tamanhode vaso.

Nos ps dos Grupos B e D,

Umb= Umf , as bolhascontinuam crescendo emtamanho e nunca alcanamum tamanho mximo. Istoproduz uma fluidizao dequalidade bastante pobrepois h grandes flutuaes de

presso.

B


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Fluidizao No Borbulhante

Richardson e Zaki (1954) encontraram afuno f() que se aplica tanto a

sedimentao dificultada como afluidizao no-borbulhante.

Khan e Richardson (1989) sugeriram acorrelao que incorpora o efeito do vasono expoente.

Se a profundidade do leito fixo (H1) e aporosidade (1) so conhecidos ento, se

a massa permanece constante, aprofundidade do leito a qualquerporosidade pode ser determinada

Fluidizao Borbulhante

O l it fl idi d b b lh t


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O leito fluidizado borbulhante composto de duas fases; a faseborbulhante (as bolhas de gs)e a fase particulada (os slidosfluidizados ao redor das bolhas).

A fase particulada tambm chamada fase de emulso.

Na fluidizao borbulhante, aexpanso do leito a velocidades

alm da mnima velocidade deborbulhamento devido presena de bolhas.

Q a taxa de fluxo real de gs para o leito fluido e Qmf a taxa de fluxo degs na fluidizao incipiente.

Gs que atravessa o leito com bolhas => Q - Qmf = (U - Umf) . A

Gs que atravessa a fase de emulso => Qmf = Umf . A

E d d l it t d f d l it d

Fluidizao Borbulhante


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Expressando a expanso do leito em termos da frao do leito ocupadapelas bolhas, B:

onde H a altura do leito a U e Hmf a altura do leito a Umf e UB avelocidade mdia de subida de uma bolha no leito. A porosidade da fase deemulso tomada como igual a de mnima fluidizao mf. A porosidade

mdia do leito ento determinada por:

Taxa de fluxo de bolha visvel, QB = Y. A .(U - Umf)

onde, para ps do Grupo A 0.8 < Y < 1.0para ps do Grupo B 0.6 < Y < 0.8

para ps do Grupo D 0.25 < Y < 0.6

Fluidizao Borbulhante Para ps do Grupo B:


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Para ps do Grupo A: as bolhas alcanam um mximo tamanho estvel oqual pode ser calculado pelas duas equaes abaixo:

onde UT2.7 a velocidade terminal de queda livre para partculas de dimetro2.7 vezes o dimetro mdio da partcula real.

Fl idi A t d P t l


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Fluidizao com Arraste de Partculas(Kunii / Levenspiel)

O termo arraste ser usado aqui para descrever a ejeo de partculas dasuperfcie de um leito borbulhante e a sua remoo do vaso no gs

fluidizante. Na literatura sobre o assunto outros termos como transporte(carryover), e elutriao so usados freqentemente para descrever omesmo processo.

Em fluxo laminar: a partcula pode mover para cima ou para baixodependendo de sua posio radial por causa do perfil de velocidadeparablico do gs no tubo.

Em fluxo turbulento: a partcula pode se mover para cima ou para baixo

dependendo de sua posio radial. Em adio as flutuaes aleatrias develocidade superpostas no perfil mdio de velocidade no tempo faz omovimento real da partcula menos previsvel.

Fluidizao com Arraste de Partculas

L i fl idi d b l A l l d fl d


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Leito fluidizado turbulento - As partculas so elevadas no fluxo do gs eso projetadas no freeboard acima do leito, algumas retornam ao leito,outras escoam para fora do leito. As superfcies do leito tornam-se agitadae enevoada.

Leito fluidizado rpido - Mesmo em velocidades mais elevadas do gs adensidade das partculas no freeboard eleva-se, o leito mistura-se nofreeboard, e o arrastamento dos slidos do leito torna-se elevado.

Leito fluidizado recirculante - A recirculao das partculas necessriaquando o arrastamento significativo, portanto se isto no feito logo emseguida no restar nenhuma no leito.

Para entender melhor estas operaes, temos que saber como estimar avelocidade terminal das partculas nos fluidos.

Velocidade Terminal das Partculas2/1

)(4 d


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3

)(4

=

DG

GSPT

C

gdU

][,ReC

4

3Ar

g)(dd

3/12PD3/1

3/1

2

GSGP

*P

==

=

[ ] ][378,5Re

Re)(69,73Re)1716,8(1

Re

242122,6

0748,55565,00964,00655,4

+

++=

+

S

SSS

e

eeC

P

PP

P

D

Onde CD um coeficiente de arrasto determinado experimentalmente. Haider e Levenspielencontraram:

Para partculas esfricas a expresso reduz-se para:

1Para,5,2682Re

Re4607,0Re3643,3

Re

24C

P

P3471,0P

P

D =+

++=

Adimensional para tamanho da partcula d* e para velocidade do gs U*

][,C

Re

3

4

Ar

Re

g)(UU

3/1

D

2P

3/1

P3/1

GS

2G*

==

=

Velocidade Terminal das Partculas

Haider e Levenspiel apresentam a seguinte aproximao, de uso geral, para a evoluo direta da velocidade


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p p g p , g , p terminal das partculas:

Para partculas esfricas a expresso reduz-se para: Para evitar ou reduzir o arraste de partculas em um leito fluidizado, devemos manter a velocidade do gs

entre Umf e UT. Para calcularmos Umf, usamos o dimetro mdio P para a distribuio real presente no leito,ao passo que para UT usamos o menor tamanho do slido presente em uma quantidade estimada no leito.

A relao UT/Umf depende fortemente do tamanho da partcula. Deste modo, para partculas esfricas de um

dado tamanho e mf = 0,4; temos, para slidos pequenos e finos: para slidos grandes:

15,0,)d(

744,1335,2

)d(

18U S

1

2/1*P

S

2*P

*T


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A figura a seguir, uma representao grfica dessas equaes, a qualmostra a evoluo direta de UT, a um dado dP e outras propriedades fsicasdo sistema. Este grfico introduz um adimensional para tamanho dapartcula d* e para velocidade do gs U*,

Velocidade Terminal das Partculas

Souza Santos, sobre a Velocidade Terminal, apresenta:


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218

)(Re

2

= NParagd

UG

GPPT

50029,13

)(Re

71,0

6,04,0

6,1

= NPara

gdU

G

GPPT

G

TGP UdN

=

Re

Souza Santos, sobre a Velocidade Terminal, apresenta:

Onde o Numero de Reynolds definido por:

Mapas de Regimes de Fluidizao

A figura seguinte apresenta as informao do diagrama original do Grace mais as informaesde outras fontes confiveis.


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Mostram o incio da fluidizao e da velocidade terminal nos leitos de partculas de tamanhonico.

Localizam os limites de mudana para a classificao dos slidos de Geldart. Desta forma, paradeterminar para outras condies ambiente e para os gases em adio com ar, o limite de AB dado por:

O limite de CA incerto e afetado por foras coesivas entre partculas. Assim, fortes foras desuperfcie deslocaro o limite para a direita, e um aumento de umidade dos gases deslocar olimite para a esquerda.

Mostram que o jorramento caracterstica de slidos do grupo D de Goldart e pode ser feito paraocorrer nas velocidades do gs mesmo mais baixas do que Umf.

Os leitos borbulhantes normais so vistos para operar estveis sobre uma larga faixa decondies e tamanho de partculas, para as partculas A e B de Geldard. Para partculas maioresestes leitos operam somente sobre uma relativamente estreita faixa de velocidades de gs. Para

as partculas menores, entretanto, borbulhando comea somente a muitos mltiplos de Umf e continua alm davelocidade terminal das partculas.

O incio do fluxo turbulento gradual, e por isso no mostrado claramente neste grfico, maspode ser visto ocorrendo alm de UT para sistemas da partculas muito pequenas. Parapartculas maiores, ocorre perto do Umf (o regime de fluxo agitado violentamente).

A fluidizao rpida somente praticada para partculas muito pequenas e em velocidades muito

elevadas do gs, como 1000 Umf. Este mapa de fluxo representa dados experimentais de muitos pesquisadores em variascondies como segue:Gases: Ar, N2, CO2, He, Freon-12, CCl4Temperatura: 20 - 30 CPresso: 1-85 bar

Mapas de Regimes de Fluidizao


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Diagrama geral de regime de fluxo para a faixa inteira de contato gs-slido, de leitoempacotado percolando para transporte pneumtico de slidos; as letras C, A, B e Dreferem-se classificao de Gelderd dos slidos; adaptado de Grace, mas tambmincluindo informaes de Van Deemter, de Horio e outros, e de Catipovic e outros.


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Informaes Para Clculos computar o valor para a velocidade de fluidizao mnima que supe o gs nas

circunstncias entrando (Umf,0). Para leitos moventes contracorrentes, pode serinteressante evitar o entranhamento excessivo das partculas pequenas e muito


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p p qleves, que sero presas entre partculas maiores. Neste caso, usar a densidadeaparente da partcula da cinza para clculos. Isto porque as partculas prximasdo fundo do equipamento so quase desprovidas de todo o combustvel eumidade.

seguro assumir o tamanho mdio das partculas como os de alimentao. Seleito fluidizado (borbulhante ou movente) pretendido ser usado, os dados arespeito das partculas (densidade, dimetro mdio) devero ser tal para o inerteou o absorvente (calcrio ou dolomita) a ser empregados como moderadores datemperatura. Isto porque inerte ou absorvente representa geralmente 80 a 90%da massa dos slidos no leito. Esta observao vlida para todas as etapas

seguintes. Computar a velocidade de fluidizao mnima assumindo o gs em suatemperatura mxima prevista (Umf,1). Essa temperatura pode ser suposta em tornode 1500K para leitos moventes e suspenses e de 1200K para leitos fluidizados.Para estar seguro nos casos de transporte pneumtico, usar a densidade aparenteda partcula e o tamanho das partculas de alimentao.

Computar o valor para a velocidade terminal do dimetro mdio da partcula quesupondo o gs entrando nas condies (UT,0) e na temperatura mxima do gs(UT,1). Computar tambm a velocidade terminal para o maior tamanho da partculanaquelas duas temperaturas (Utall,0 e Utall,1, respectivamente). Aplicar a distribuio

de tamanho e a densidade mdia das partculas de alimentao.

Informaes Para Clculos

Ajustar uma velocidade superficial (U0) para o gs entrando a fim cair na faixado tipo desejado do equipamento. As seguintes faixas, que incluem a exigncial id d fi i l i (U ) d d


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para a velocidade superficial mxima (U1), podem ser empregadas:a. Leito movente: U0 < Umf,0 e U1 < Umf,1b. Leito fluidizado borbulhante: Umf,0 < U0 < UT,0 e Umf,1 < U1 < UT,1 . Emparticular:

5Umf,0 < U0 UT,0 para combustores.3Umf,0 < UT,0 para gaseificadores.

c. Leito fluidizado circulante: UT,0 < U0 < Utall,0. d. Transporte pneumtico ou suspenso: U0 > Utall,0. At o presente momento, no h nenhuma definio precisa que se assegura

de onde o regime da circulao comea. Entretanto, isso apresenta o nvelconsidervel da incerteza. Isto principalmente porque a deciso para operarno regime da circulao um tanto subjetiva e o fluidizao borbulhante podetrabalhar com circulao completa ou parcial das partculas do ciclone para oleito. Os critrios introduzidos aqui, asseguram pelo menos que o regime de

fluidizao seja conseguido com taxa elevada de entranhamento, a qual requerse operar sob conceito de Fluidizao circulante.

Fontes / Referncias


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Fontes / Referncias

1. Martin J. Rhodes - Introduction to Particle Technology(Wiley.1998)

2. Daizo Kunii and Octave Levenspiel Fluidization Engineering,Second Edition (Wiley.1991) 3. Marcio L. de Souza-Santos - Solid Fuels Combustion and

Gasification (Marcel Dekker.2004) 4. Lair Pereira de Carvalho Fluidizao de Partculas por Fluidos

(DEQ-UFRN) 5. Ktia Tannous Tecnologia da Fluidizao (LaProM) 6. Site: www.fluidizao.com.br

Gas Capitulo 5

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