Relatório Leito Fluidizado

Resumo

A atividade experimental teve como objetivo o estudo de um reator de leito fluidizado líquido-sólido visando determinar a curva característica de fluidização do meio trabalhado. Para que isto fosse possível foram coletadas medidas experimentais de vazão mássica de água, perda de carga e altura do leito. A prática possibilita o estudo das propriedades do reator de leito fluidizado e das correlações de Ergun, Pavlov e Wen-Yu para comparação entre valores experimentais e teóricos e na determinação do erro associado.

Introdução

A fluidização é a operação pela qual as partículas sólidas são transformadas em um estado como de um fluido através de suspensão em um gás ou líquido. Este método de contato apresenta características incomuns, que são bem utilizadas na engenharia. A fluidização ocorre quando um fluxo de fluido (gás ou liquido) ascendente através de um leito de partículas adquire velocidade suficiente para suportar as partículas, porém sem arrastá-las junto com o fluido. [1]

O processo é relativamente recente, tendo origem na Alemanha, em 1921, quando Wilker, trabalhando na gaseificação do carvão, descobriu um procedimento que consiste em submeter partículas de pequeno tamanho a uma corrente ascendente de gás, numa velocidade suficiente para mantê-las suspensas na corrente de ar, dispensando assim uma grade para manter para sustentação dessas, como era antes utilizado. O processo ganhou maiores repercussões 20 anos mais tarde, nos EUA, quando o leito fluidizado foi utilizado para resolver os problemas e aperfeiçoar o craqueamento catalítico do petróleo. E assim, observou-se a funcionalidade da fluidização em quase todos os processos que envolvem uma interface sólido-fluido.[2]

Atualmente nas indústrias os processos de fluidização são aplicados principalmente a processos físicos, tais como secagem, granulação, reações químicas, resfriamento, adsorção, revestimento de partículas, entre outras. Na secagem é utilizado principalmente em indústrias farmacêuticas, de fertilizantes, areia, polímeros e qualquer indústria de produtos cristalinos. A principal aplicação do leito fluidizado com reações químicas é em processos que necessitem de catalisadores, como o processo de craqueamento catalítico do petróleo. No caso do revestimento são utilizados para revestir partículas nas indústrias farmacêuticas e agrícolas, por exemplo, metais podem ser recobertos de plástico por termodeposição, imergindo os quentes em um leito de plástico pulverizado e fluidizado por ar. No caso de resfriamento, é largamente utilizado para esfriar sólidos particulados após uma reação, o fluído utilizado, seja água ou ar, funciona como um trocador de calor, como descrito na figura 1. [3]

Figura 1: Leito fluidizado com refrigerador de sólidos

Durante o processo de fluidização pode-se observar diferentes regimes, os quais dependem de fatores como: estado físico do fluído, características do sólido, densidade do fluído e da partícula, distribuição granulométrica do sólido e velocidade do fluído.

Se um fluido passa ascendentemente através de um leito de partículas finas, como mostrado na Figura 2(a) a uma baixa vazão, o fluido apenas percola pelos espaços entre as partículas estacionadas, este é um leito fixo. Com um aumento na vazão do fluido, partículas distanciam-se e uma pequena vibração e movimentações em regiões restritas são observadas, recebendo neste estado o nome de leito expandido. [4]

Com vazão ainda maior, atinge-se uma condição em que todas as partículas são suspensas pelo fluxo ascendente do gás ou líquido. Neste ponto as forças de fricção entre as partículas e o fluido contrabalançam o peso das partículas. A queda de pressão, através de qualquer seção no leito, torna-se igual ao peso do fluido e das partículas nesta seção. O leito é considerado como sendo fluidizado e é denominado como leito fluidizado incipiente ou um leito na mínima fluidização, como mostrado na Figura 2(b). [4]

Em sistemas líquido-sólido, o aumento da vazão acima da velocidade mínima de fluidização, resulta em uma fluidização suave, com expansão progressiva do leito. Este leito é chamado de leito fluidizado particulado ou suave (Figura 2(c)). Geralmente, os sistemas gás-sólido comportam-se diferentemente. Com um aumento da vazão acima da mínima fluidização, é observada uma grande instabilidade do leito, com formação de bolhas e canais preferenciais de gás. neste caso o leito é chamado de leito fluidizado agregativo ou borbulhante, como mostrado na Figura 2(d). [4]

Figura 2: Caracterização dos tipos de leito.

Figura 3: Gráfico de progresso da Fluidização (Gráfico -ΔP x V em escala logarítmica).

Analisando os trechos do gráfico presente na Figura 3 tem-se: -

Trecho 0→A: Nesse trecho, aumentando-se a velocidade, a queda de pressão do fluído também aumenta, conforme descrito pela Lei de Darcy.

Trecho A→B: A força de pressão exercida pelo fluido equilibra-se com o peso do leito, ou seja, o leito está fluidizado, possuindo o ponto B a velocidade de mínima fluidização.

Trecho B→C: Com o aumento da velocidade, tem-se uma pequena queda de pressão, resultado do aumento instantâneo da porosidade do leito, que era aproximadamente constante antes da fluidização.

Trecho C→D: A queda de pressão mantém-se aproximadamente constante com o aumento da velocidade, porém o leito continua a expandir-se e pode ocorrer ainda o desprendimento de bolhas.

Trecho D→: As partículas começam a ser arrastadas pelo leito, perdendo-se a funcionalidade do leito. Até o ponto de mínima fluidização a Lei de Darcy é perfeitamente válida, porém, após esse ponto caracterizam-se o leito fluidizado particulado e o borbulhante. [5]

Considerando um leito de partículas sustentado em um distribuidor para um fluxo ascendente uniforme de fluido. O início da fluidização ocorre quando há o equilíbrio entre a força de arraste promovida pelo fluxo ascendente do fluido em movimento e o peso das partículas, ou seja:

ΔP/Lmf=(1-ε_mf)⋅(ρ_s-ρ)⋅g (1)

A queda de pressão num leito fluidizado pode ser explicada basicamente pela equação de Ergun. Esta é uma equação semi-empírica, que vem do equacionamento realizado por Blake-Kozeny (equação para regime