O ESCOAMENTO EM LEITOS POROSOS
Por: Letícia Maciel de Souza • 25/1/2021 • Relatório de pesquisa • 4.450 Palavras (18 Páginas) • 316 Visualizações
EXPERIMENTO 4: ESCOAMENTO EM LEITOS POROSOS*
Letícia Maciel de Souza¹, Luciana Alberti¹, Nathana Barilli¹
¹Acadêmicas do curso de Engenharia Química CEO/UDESC
RESUMO
Os leitos porosos são formados de um meio sólido poroso, que possibilita a passagem de fluidos através desses espaços vazios, sem que haja expansão ou movimentação da estrutura do leito. Devido a ampla aplicação na indústria, este processo é de grande importância para Engenharia Química. Muitas operações unitária utilizam do princípio de escoamento de fluidos em meios porosos, por exemplo, filtração, adsorção, secagem, aquecimento e resfriamento de sólidos, entre outros. Para o experimento, que seria realizado no laboratório, tem-se uma coluna de leito fixo, preenchida com partículas esféricas, por onde escoa um fluido (água). A vazão do fluido foi controlada, aumentando-a ou diminuindo-a lentamente e a perda de carga, expressa no manômetro, foi registrada. O objetivo deste experimento consiste em determinar a permeabilidade de um leito poroso e compará-la com a obtida teoricamente. Como principais resultados temos que o experimento não apresentou histerese, pois foi quase impossível detectá-la no gráfico. Foi possível determinar as regiões de altas vazões e baixas vazões, onde observou-se que os quatro primeiros pontos, através da Lei de Darcy, coincidem com baixas vazões e o restante com a Equação de Forchheimer, para altas vazões. Os cálculos de permeabilidade obtidos para baixas vazões nos permitem concluir que os valores teórico e experimental apresentaram significativa discrepância de valores, resultando em um erro relativamente alto, comprovando que o método teórico de Carman-Kozeny apresenta inconsistências e precisaria ser reavaliado. O método utilizado para altas vazões também apresentou diferença nos valores teórico e experimental gerando um erro ainda maior que no método a baixas vazões. O valor das constantes “C” também apresentaram discrepância de valores. Em relação ao fator de atrito a mudança de comportamento da curva para Re maior que log 1,8 nos demonstrou a transição do regime laminar para o turbulento, sendo que o fator de atrito diminuiu para valores maiores do número de Reynolds, evidenciando que de fato no regime turbulento o fator de atrito depende apenas da porosidade e do diâmetro das partículas. O gráfico do comportamento global nos demonstra que, para o método experimental o comportamento da curva é exponencial, sendo que conforme aumenta a perda de carga por comprimento (ΔP/L), aumenta também a velocidade (q) e que para os valores teóricos o comportamento é linear.
PALAVRAS-CHAVES: perda de carga, leitos porosos, permeabilidade.
- INTRODUÇÃO
O escoamento de fluidos, sejam eles líquidos ou gases, ocorrem através de leitos de partículas, usualmente conhecido como leito fixo. Em muitas operações industriais a fase fluida escoa através de uma fase sólida particulada em estado estacionário.
O principal objetivo do leito de partículas, comumente chamado de recheio, é promover o contato íntimo entre as fases envolvidas no processo. Contato este que ocorre entre a fase líquida ou gasosa, com a fase estacionária (partículas) ou entre diferentes fases fluidas.
O recheio da coluna deve ser quimicamente inerte, resistente e ter baixa massa específica, proporcionando a passagem do fluido sem provocar grande perda de carga e possuir um custo razoável. Os tipos mais utilizados são: Anéis de Raschig, Anéis Pall, Anéis Lessing e as Selas de Berl.
Podemos citar como exemplos de aplicações de leitos fixos os processos de adsorção, absorção de gases, colunas de destilação com recheio, processo de extração líquido-líquido, leitos de reação catalítica entre outros. Estão envolvidos também na produção de etanol, tratamento de resíduos, secagem de grãos ou cereais e reatores enzimáticos.
Objetivo deste ensaio é determinar experimentalmente a permeabilidade (K) de um meio poroso, relacionando a perda de carga com a velocidade superficial de um fluido, assim como calcular o valor da permeabilidade teórica, utilizando as equações de Carman-Koseny e Ergum, comparando-as com a obtida experimentalmente.
- MATERIAIS E MÉTODOS
Henry Darcy demonstrou em 1856 que a velocidade média de um fluido newtoniano escoando em regime laminar dentro de um leito poroso é proporcional ao gradiente de pressão (ΔP) e inversamente proporcional à distância percorrida no leito (HL). A vazão volumétrica (Q) do fluido percolando através do leito fixo pode ser expressa em termos da altura do leito e de sua área (CECÍLIA, 2015). Sendo assim através do experimento encontramos o ΔP através da HL pela equação 1 e dividimos pela largura (L) da coluna fornecida pelo manual do equipamento de 0,78 m. Posteriormente calcula-se a velocidade superficial (q) pela equação 2 e plota-se um gráfico (ΔP/L x q) para se obter a permeabilidade (K) que representa a resistência ao escoamento do fluido, em baixas vazões, a partir da Lei de Darcy, dada pela equação 3.
(1)[pic 1]
(2)[pic 2]
(3)[pic 3]
A equação de Carman-Kozeny deve ser utilizada no caso de regime laminar, ou seja, quando o número de Reynolds da partícula é menor que 10 (CECILIA,2015). A permeabilidade obtida pela equação de Carman-Kozeny, equação 4, será utilizada para fazer uma comparação entre o “K” obtido experimentalmente (Lei de Darcy) e o “K” teórico.
(4) [pic 4]
onde: , e [pic 5][pic 6][pic 7]
A equação de Forchheimer aplica-se para sistemas com vazões elevadas. Neste caso, ao invés de uma relação linear entre a queda de pressão e a velocidade (ΔP/L x q), observa-se uma relação parabólica, associada à variação da energia cinética de um fluido incompressível com densidade () durante seu escoamento pelo meio poroso (LIU et al., 1994), conforme a equação 5.[pic 8]
...