0 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDECURSO DE ENGENHARIA QUMICA CAROLINE LINDEMANN 40755 VANESSA WENDT SCHMIDT 40748 LEITO FLUIDIZADO Rio Grande 2010 1 CAROLINE LINDEMANN 40755 VANESSA WENDT SCHMIDT 40748 LEITO FLUIDIZADO Relatrioapresentadoaosprofessoresdadisciplina de Operaes Unitrias como concluso dos estudos referentes ao primeiro bimestre. Professores: Luiz Antonio de Almeida Pinto Christiane Saraiva Ogrodowski Rio Grande 2010 2 SUMRIO LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... 3 LISTA DE GRFICOS ................................................................................................ 4 LISTA DE TABELAS .................................................................................................. 5 NOMENCLATURA ...................................................................................................... 6 1. INTRODUO: ....................................................................................................... 7 2. OBJETIVOS: ......................................................................................................... 10 3. FUNDAMENTAO TERICA: ........................................................................... 11 3.1) REGIMES DE FLUIDIZAO: ................................................................................ 11 3.2) QUEDA DE PRESSO EM UM LEITO FLUIDIZADO .................................................... 14 3.3) VELOCIDADE DE MNIMA FLUIDIZAO: ................................................................. 16 4. MATERIAIS E MTODOS .................................................................................... 19 4.1) MATERIAIS: ....................................................................................................... 19 4.2) MTODOS: ........................................................................................................ 19 5. RESULTADOS E DISCUSSES: ......................................................................... 20 5.1) CONSTRUO DA CURVA FLUIDODINMICA ........................................................... 20 5.2) CLCULOS TERICOS ........................................................................................ 23 5.2.1) Perda de carga mxima: .......................................................................... 23 5.2.2) Clculo da velocidade mnima de fluidizao: ......................................... 24 6. CONCLUSO ....................................................................................................... 27 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 28 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Leito fluidizado com refrigerador de slidos. ................................................ 8 Figura 2: Diferentes regimes de fluidizao. ............................................................. 12 Figura 3: Fluidizao de leito de slidos particulados. .............................................. 15 4 LISTA DE GRFICOS Grfico 1: Curva Fluidodinmica ............................................................................... 22 Grfico 2: Tipo de regime do leito fluidizado. ............................................................ 24 5 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Dados experimentais obtidos na prtica. .................................................................. 20 Tabela 2: Dados bibliogrficos utilizados nos clculos. .......................................................... 20 Tabela 3: Dados calculados a partir dos valores obtidos em experimento. .............................. 21 Tabela 4: Resultados obtidos a partir da curva fluidodinmica do leito .................................. 22 6 NOMENCLATURA SmboloNomeUnidades PPerda de Carga[Pa] Viscosidade[kg/m.s] vVelocidade Superficial do Fludo[m/s] LComprimento do Leito[m] DpDimetro da Partcula[m] Porosidade[ ] Massa Especfica do Fludo[Kg/m] sEsfericidade do Slido[ ] gAcelerao da Gravidade[m/s] sMassa Especfica do Slido[Kg/m] mf Porosidade de MnimaFluidizao[ ] vmf Velocidade de Mnima Fluidizao[m/s] RemfReynolds de Mnima Fluidizao[ ] hVariao da Altura no Manmetro[m] mMassa do Fludo[Kg] tTempo[min] TTemperatura[C] dDimetro do Leito[m] At rea Transversal[m] P/LPerda de Carga por Unidade de Comprimento[Pa/m] VVolume[m] QVazo Volumtrica[m/s] vVelocidade de Escoamento[m/s] E%Erro Percentual[%] 7 1. INTRODUO: Afluidizaobaseiasenacirculaodeslidosjuntamentecomumfludo impedindoaexistnciadegradientesdetemperatura.Comporta-senumestado intermedirio entre um leito esttico e um em que os slidos estejam suspensos num fluxo. A formao do leito fluidizado se d quando um fluxo adequado deum fludo iniciaopercursoporentreumleitomaterialdeformaqueocorraafluidizao.As bolhasformadasporestefludopassamporentreoleitocriandoumacondiode turbulncia.Estacondiodeturbulnciaconduzaboatransfernciadecalor, uniformidade de temperatura e facilidade de controle do processo.Atualmentenasindstriasosprocessosdefluidizaosoaplicados principalmenteaprocessosfsicos,taiscomosecagem,mistura,granulao, cobertura, aquecimento e resfriamento. Nasecagemutilizadoprincipalmenteemindstriasfarmaceuticas,de fertilizantes, areia, minerais esmagados, polmeros e qualquer indstria de produtos cristalinos.Nocasoderesfriamento,largamenteutilizadoparaesfriarslidos particulados aps uma reao. O fludo utilizado, seja gua ou ar, funciona como um trocador de calor, como descrito na figura 1 abaixo. 8 Figura 1: Leito fluidizado com refrigerador de slidos. No caso do recobrimento so utilizados para recobrir partculas nas indstrias farmacuticas e agrcolas, por exemplo, metais podem ser recobertos de plstico por termodeposio,imergindoosquentesemumleitodeplsticopulverizadoe fluidizado por ar. Osleitosfluidizadostambmpodemserutilizadoscomoreatoresqumicos. Eles apresentam vantagens em comparao com outros equipamentos para reaes qumicas rpidas, normalmente limitadas pela taxa de transferncia de massa entre gs e partculas. Algumasdasprincipaispropriedadesdafluidizaososemelhantesasde um liquido em ebulio, so elas: -Objetos com densidade inferior a do leito flutuam no topo; -Asuperfciedoleitopermanecehorizontal,aindaqueseinclineo recipiente; -Os slidos podem escoar como ocorreria com o lquido; -O leito apresenta uma relao entre a presso esttica e a altura igual de lquidos. A fluidizao apresenta grandes vantagens, tais como: -Elevados coeficientes de transferncia de calor e massa; -Boa mistura dos slidos; -reasuperficialdaspartculasslidasficacompletamentedisponvel para transferncia; -Fcilescoamentoemdutos,poisosslidoscomportam-secomo fluidos. No entanto, tambm apresenta algumas desvantagens: -Atritosevero,ocasionandoproduodep,tornando-senecessrioa reposioconstantedepeequipamentosdelimpezadegsna sada, envolvendo aumento de custo do processo; -Eroso do equipamento devido freqente impacto dos slidos; -Consumodeenergiadevidoaltaperdadecarga(requeralta velocidade do fludo); 9 -Tamanhodoequipamentomaiorqueoleitoesttico(devido expanso do leito). 10 2. OBJETIVOS: Calcularaperdadecargamximaeavelocidadedemnimafluidizaono equipamento e construir as curvas fluidodinmicas. 11 3. FUNDAMENTAO TERICA: A fluidizao uma operao unitria que envolve a interaodo slido com umfludo.Estefenmenopodeserobservadoquandoumleitodeslidos submetido passagem vertical e ascendente de um fludo distribudo uniformemente por uma placa perfurada que sustenta o leito.Assim que se inicia a fluidizao a fora de atrito entre as partculas e o fludo seequivaleaopesodaspartculas.Aquedadepressonoleitotorna-se aproximadamente constante e o movimento do slido dentro do leito similar a um fludo, por causa da turbulncia que ocasionada. Duranteoprocessodefluidizaopode-seobservardiferentesregimes,os quaisdependemde fatorescomo:estado fsicodo fludo,caractersticasdoslido, densidadedofludoedapartcula,distribuiogranulomtricadoslidoe velocidade do fludo. 3.1) Regimes de Fluidizao: Umconjunto de partculasem umacolunachamado deleitode partculas. Quando um fludo injetado na parte inferior desta coluna, este escoamento exerce uma fora individual em cada partcula. Na fluidizao, a fora da gravidade que age naspartculascompensadapelasforasdearrasteexercidaspeloescoamento localdofludo.Esteescoamentodiferenteparacadapartcula,fazendoqueo comportamento de cada partcula seja nico. Na figura 2 abaixo, podemos verificar os regimes decorrentes no processo de fluidizao, do regime laminar ao turbulento. 12 Figura 2: Diferentes regimes de fluidizao. Nocasodeumfludoascendentepassarpelacolunadefluidizaode partculas finas a uma velocidade baixao fludo infiltra nos espaos vazios entre as partculas estacionrias. Isto chamado de leito fixo como mostra a figura 2.a. Com o aumento da velocidade do fludo, as partculas se separam e comeam a vibrar e se movimentarem em pequenas regies.Com o leito recm fluidizado, a velocidade atingida ainda mnima, entretanto jcapazdesuspenderaspartculaspelofludoescoante.Nestepontoasforas 13 entre as partculas e o fludo se equivalem fazendo com que a componente vertical dasforasdecompressoentreaspartculasvizinhasdesaparece.Ecomissoa quedadepressoemqualquerseodoleitoigualaopesodofludoedas partculas naquela seo. Este estado tambm conhecido como estado de mnima fluidizao.Comumavelocidadeacimadamnimafluidizaopodeprovocaruma progressiva expanso. Dessa forma as instabilidades so amortecidas e continuam pequenaseaheterogeneidadenoobservada.Estacondiosomente conseguida sob condies especiais de partculas finas e leves com gases densos a altas presses. Sendo assim o leito chamado de leito fluidizado particulado ou leito fluidizado homogneo, isto mostrado na figura 2.b. Aaltastaxasdeescoamentoprovocamgrandesinstabilidadescomo borbulhamento e canalizao. A agitao mais violenta e o movimento dos slidos setornamaisvigoroso.Oleitonoexpandemuitomaisqueoseuvolumena mnimafluidizao.Esteleitoconhecidocomoleitofluidizadoagregativo,leito fluidizado heterogneo ou leito fluidizado borbulhante, como visto na figura 2.c.Emumsistemadefluidizaoasbolhasformadasnofludocrescemese agregamconformeelasascendemoleito.Enumleitodemaiorprofundidadeelas podem se tornar maiores e se espalham atravs do vaso. As partculas menores se agregamese aproximam maisdaparededoleitoedescem ficando maisaoredor das bolhas. J as partculas mais grosseiras a parte do leito que se encontra acima dabolhaempurradaparacimafuncionandocomoumpisto.Esteregime chamado de fluidizao intermitente, como mostra a figura 2.d. Avelocidadeterminaldoslidoexcedidaquandoaspartculasfinasso fluidizadascomvelocidadesrelativamentealtasdefludo.Asuperfciesuperiordo leitodesaparece,eotransportetorna-seaprecivel.Aoinvsdeseobservar bolhas,seobservaumaglomeradodeslidosqueregeummovimentoturbulento. Isto caracteriza a fluidizao turbulenta, como podemos ver na figura 2.e. Comoaumentodavelocidadedofludo,osslidossocarregadosdoleito, quecaracterizaumleitofluidizadodisperso,oudiludocomtransportepneumtico de slidos, como visto na figura 2.f. 14 3.2) Queda de Presso em um Leito Fluidizado A queda de presso num leito fluidizado pode ser explicada basicamente pela equao de Ergun. Esta uma equao semi-emprica, ela sai do equacionamento realizadoporBlake-Kozeny(equaopararegimelaminar)edoequacionamento realizado por Burke-Plummer (equao para o regime turbulento). No final da dcada de 40, Ergun unificou as expresses de Blake-Kozeny e Burke-Plummer, mostrando que a queda de presso em leitos era composta de duas contribuies:umaassociadaaosatritosviscosos,quepredominavanaregio laminar,eoutra,associadaaosefeitosdeinrcia,quepredominavanoregime turbulento. Na realidade, a queda de presso do fludo ao longo de toda a faixa de regimesdeescoamentopodeserexpressapelasomadaequaesdeBlake-Kozeny e Burke-Plummer. Logo: Equao de Blake-Kozeny:322) 1 ( ' . 150cc = ADpL vP(Eq. 3.1) Equao de Burke-Plummer:32) 1 ( ) ' .( 75 , 1cc = ADpL vP(Eq. 3.2) Somando-se as equaes 1 e 2 obtem-se a equao de Ergun: 32322) 1 ( ) ' .(. 75 , 1) 1 ( ' .. 150c c cc +=ADpvDpvLP (Eq. 3.3) Nem todas as partculas tem forma esfrica, nas indstrias se usam partculas feitasespecificamenteparaaumentarareasuperficialparafavorecerocontato entrefasesnatrocademassae/oucalor.Essaspartculassotratadascomose fossemumaesferaintroduzindoofatordenominadoesfericidade(s)quepermite calcularumdimetroequivalente.NaequaodeErgun,nestecasoincluidaa esfericidade, multiplicando ao dimetro da partcula. 15 32322 2) 1 (.) ' .(. 75 , 1) 1 (.' .. 150c c|cc| +=ADpvDpvLPs s (Eq. 3.4) Curvafluidodinmicaumarelaoentreaquedadepressodoleitoea velocidadedofludo.Estechamadoummtodoexperimentalqueempregado paraobtermosavelocidadedemnimafluidizao.Apartirdafigura3podemos interpretar melhor o que ocorre com a queda de presso no leito. Figura 3: Fluidizao de leito de slidos particulados. AregiocompreendidapelointervaloABpodeserditacomoleitofixo,ou esttico.Oregimequasesemprelaminar,comumRe