Operaes Unitrias I1

FluidizaoEm 1942, o cracking cataltico do petrleonos U.S.A., apresentava uma capacidadede produo de 40.000 barris, essaproduo no fim desta dcada (1948),apresentou uma produo de 100.000barris e a aceitao por parte da indstriada operao unitria, denominada defluidizao ficou evidenciada,apresentando caractersticas favorveis, etornando esta operao como sendo deaplicao prtica em diversos ramosindustriais. [Enciclopdia: Manual doEngenheiro Volume 3]

Fluidizao2O uso extensivo da fluidizao comeou na indstria depetrleo com as reaes catalticas. Hoje, muitas outrasreaes catalticas utilizam leito fluidizado, e tambm:

Secagem Mistura Revestimento de

partculas Aglomerao de ps Aquecimento e

resfriamento de slidos Congelamento Torrefao de caf Pirlise

3Exemplo da aplicao de fluidizao em secagem de slidos

Exemplo da aplicao de fluidizao em resfriamento de slidos

Entrada de slidos quentes

Entrada de ar

Entrada de ar

Leito fluidizado

gua fria

Sada de ar

Sada de slidos friosdistribuidor

4

gua quente

5Exemplo da aplicao de fluidizao em recobrimento e granulao de slidos

Fluidizao6Vantagens:

1. rea superficial elevada, favorecendo a transferncia de calor emassa. Assegura um contato global fluido-slido2. Velocidades de reao elevadas , quando comparada com leitofixo devido a ausncia de gradiente (Uniformidade do leito).Minimiza variaes de temperatura, umidade, etc no leito (devido aagitao vigorosa)3. Aumento dos coeficientes de transferncia de calor e massa,devido a condutncia e uniformidade da temperatura.4. Facilidade de escoamento em dutos devido o slido apresentarcomportamento semelhante ao fluido5. Favorecimento de transporte de energia devido a fluidez.

Fluidizao7Desvantagens:

1. Perda de carga maior quando comparada com o leito fixo,necessitando de elevada velocidade do fluido (aumentando oconsumo de energia.)2. Impossibilita manter um gradiente axial de temperatura econcentrao, impossibilitando o favorecimento de uma reaoespecfica no caso de reaes mltiplas.3. Atrito severo, resultando na quebra de partculas com produode ps, havendo necessidade de reposio constante, alm danecessidade de equipamentos de limpeza de gases na sada do leito,encarecendo o processo.4. Eroso do equipamento devido ao atrito.5. Dificuldade de controle do regime fluidodinmico

8Mecanismo da fluidizaoSuponhamos um tubo vertical parcialmente cheio com material granular(por ex. Areia

OA: Aumento da velocidade e da queda de presso do fludo; AB: O leito est iniciando a fluidizao; BC: Com o aumento da velocidade, h uma queda leve da presso devido mudana repentina da porosidade do leito;CD: O log(-P) varia linearmente com log(v) at o ponto D. D: Aps o ponto D, as partculas comeam a ser carregadas pelo fludo e perde-se a funcionalidade do sistema.

vmf = velocidade mnima de fluidizao va = velocidade de arraste

Leito fluidizado

Transporte pneumtico

Leito fixo

9 Caractersticas gerais da fluidizao:

velocidade muito baixa o fluido percorre pequenos etortuosos canais, perdendo energia e presso. Estaperda de carga (P) funo da permeabilidade,rugosidade das partculas, densidade, viscosidade evelocidade superficial.

Com aumento da velocidade atinge-se um valor que aao dinmica do fluido permite a reordenao daspartculas, de modo a oferecer menor resistncia passagem.

Em maiores velocidades as partculas deixam de estarem contato e parecem como lquido em ebulio.

10 a) Fluidizao particulada ou Homognea

Na fluidizao particulada, as partculas movimentam-seindividualmente e aleatoriamente atravs do leito sem formaode vazios. Este comportamento encontrado especialmenteem sistemas lquido-slido, embora alguns sistemas gs-slidopodem exibir fluidizao particulada numa faixa limitada develocidades. Existe uma expanso suave do leito quando seaumenta a velocidade acima de Umf. O aumento da velocidadeaumenta a altura do leito de forma previsvel e para velocidadesexcessivamente elevadas ocorre o transporte hidrulico.

b) Fluidizao agregativa ou Heterognea

Os sistemas gs - slido exibem basicamente fluidizaoagregativa a qual completamente diferente da fluidizaoparticulada. Na fluidizao agregativa distinguem-se vriosregimes de operao.

Modos de fluidizao

11

Curva fluidodinmica: Transies de regime fluidodinmicos

12

q < qmfLeito fixo

q = qmfFluidizao incipienteou mnima fluidizao

q > qmfFluidizao homognea

Expanso uniforme com de q , L

Lquido

13

q > qmfFluidizao heterognea

a) Pisto simtrico (partculas finas)

b) Pisto assimtrico (leito estreito e alta velocidade)

c) Pisto completo (parts. grandes)

, L

14

q >>>> qmf e > qcrticoTransporte de partculas

Com lquido hidrulicoCom gs pneumtico

q > qmfFluidizao turbulenta , L - sem bolhas

http://www.youtube.com/watch?v=NXJhjhQFBNk&NR=1

15

Transies de regime via monitoramento de sinais de flutuao de presso

16Transies de regime via monitoramento de sinais de flutuao de pressoE anlises espectral

Ensaios de UmedecimentoTransies de regime de fluidizao

Fluidizao com gua. t = 30 min. Defluidizao e aglomerao. t = 67 min.

Aglomerao total do leito. t = 126 min.

Transies de Regime Leito midoTransies de Regime Leito mido

4,0 min

33 min

37 min

42 min

19

Ensaios de Recobrimento de SlidosTransies de regime de fluidizao

20

Dp,50v: 414 mL sem controle 500 m ; 414 mL controle + aglomerc. 440 m;607 mL controle + aglomerc. > 500 m;

Comparaes

fluidodinmicas

Comparaes

fluidodinmicas

22

23

https://www.youtube.com/watch?v=baqO577x5EYhttps://www.youtube.com/watch?v=baqO577x5EY

24 CURVA FLUIDODINMICA EXPERIMENTAL

Altura do leito poroso25

q > qmf L

Seja S a rea da seo transversal do leito

Se S for constante:

= (L)

Chamando Lo a altura que o leito teria se 0,ou seja, os slidos ocupariam todo leito Vs = Lo S

L altura do leito fluidizado

LSSL1

VV1

VV o

T

S

Total

vazios===

26 Para uma dada condio 1 do leito:1

o1 L

L1=

Para uma dada condio 2 do leito:2

o2 L

L1=

Ou: )1(LL 11o = )1(LL 22o =

)1(L)1(L 2211 =

Quando inicia-se a fluidizao, h um aumento daporosidade e da altura do leito. Essa relao dada pelaseguinte expresso:

)1()1( 2211 = LSLSvolume de slidos

no leito fixo

volume de slidos

no leito fluidizado

Para determin-la, usam-se as seguintes relaes:

mfleito

slidaspartculasdetotalmfleito

mfleito

mfvaziosmf V

VVVV

==

141

.

3 mfp Experimentalmente:

Porosidade mnima de fluidizao27

A porosidade mnima de fluidizao pode ser obtida de vriosgrficos elaborados por McCabe and Smith, 1968. Entretanto,quando no temos dados disponveis, podemos usar a seguinterelao:

)1(log356,01 = dpmf ( ) =mf

Incio do aumento da porosidade do leito

Nessa equao, entrar com dp em microns (m) (10-6m); vlida para dp entre 50 a 500m.

Queda de presso na mf29

Quando a fluidizao comea, a queda de presso no leitocontrabalana a fora da gravidade nos slidos.

Em primeira aproximao vamos equacionar a queda de presso na mnimafluidizao, (p)mf, pela fora exercida pelo gs no leito e a fora da gravidademenos empuxo. Desprezamos assim o atrito entre as partculas, foraseletrostticas, etc.

O leito somente fluidizar a partir de um certo valor de velocidade do fluido ascendente. Essa

velocidade definida como a velocidade mnima de fluidizao (vmf).

Quando atinge-se vmf , a fora da presso (Fp) e a de empuxo (Fe) se igualam a fora do peso das partculas do leito (Fg).

Logo, Fp + Fe = Fg

Fe

http://www.youtube.com/watch?v=nGovDPNvSDI&feature=related

30

Queda de presso na mf

gSLgmFg pslidos )1( ==SPFp .=

Sabe-se que

Fazendo tem-se:

gSLgmFe fdeslocadofluido )1( ==

L

Fe

Fp + Fe = Fg

31

g))(1(L

)p(FS =

4

)( 2mf Dgm

Areagmp ss

pi

==Para fluidiz. Homognea verificado experimentalmente.

Velocidade de mnima fluidizao: qmf32 Extrapolando a equao de Ergun para a mnima fluidizao:

g))(1(L

)p(FSmf

mf

mf=

22

3 2 3

( ) 150(1 ) (1 )1,75( ) ( )

mf mf mfmf mf

mf mf p mf p

pq q

L d d

= +

Ergun na mnima fluidizao

,Re p mfp mf

d q

=

2, ,

K1Re K2Re Arp mf p mf+ =

32

, ,3 2 3 2

150(1 ) ( )1,75 Re Remf s pp mf p mfmf mf

g d

+ =

3

2

( )Ar s p

g d

=

33 Casos limites:

20Re mf,p mfp

2 3( )( )1,75

p smf mf

d gq

=

1o preponderante

O trmo correspondente ao fluxo laminar desprezvel

34Correlaes da Literatura para Velocidade de mnima fluidizao: qmf

Fluidizao Heterognea (Gs-Slido)35

Classificao de

Geldart (1986)

(coesivas)

(aerveis)

(fluidizveis)

(jorrveis)

36

Grupo C - partculas coesivas oumuito finas. A fluidizao dessaspartculas extremamente difcil,devido ao fato das forasinterpartculas serem maiores queas foras resultantes da ao dogs. No entanto, ela possvel oumelhorada atravs da utilizao deagitadores mecnicos ouvibradores para evitar a formaode canais preferenciais. Afluidizao com este tipo departculas caracteriza-se por umaintensidade de mistura muitobaixa. Como exemplo de materiaisslidos pertencentes a esse grupocitam-se a farinha de trigo, amidoe p facial.

https://www.youtube.com/watch?v=qWH4MHR4lQohttps://www.youtube.com/watch?v=qWH4MHR4lQo

37 Grupo A - partculas com dimetro mdio pequenoe/ou densidade baixa (menor que 1400 kg/m3).Quando esses slidos so fluidizados, o leito expandeconsideravelmente antes do aparecimento de bolhas.Em uo > umb , as bolhas de gs elevam-se mais rpidoque o fluxo de gs e percolam pela emulso. Essegrupo representado pelo FCC cataltico (FluidCatalytic Cracking).

https://www.youtube.com/watch?v=waohqAsKCxUhttps://www.youtube.com/watch?v=waohqAsKCxU

38 Grupo B as partculas apresentam dimetro mdio na faixade 40 a 500 m, e densidade entre 1400 e 4000 kg/m3. Asforas interpartculas so desprezveis, e a formao dasbolhas iniciada logo acima da velocidade de mnimafluidizao (umf), desse modo, umb/umf = 1. O tamanho dasbolhas aumenta com a altura do leito e com a velocidade dogs em excesso (uo-umf). A expanso do leito pequena e seucolapso ocorre rapidamente quando se interrompe ofornecimento de gs fluidizante. A fluidizao dessaspartculas denominada fluidizao borbulhante. O slidotpico desse grupo a areia.

39 Grupo D partculas jorrveis, ou grandes (geralmentemaiores que 1 mm) e/ou densas. A fluidizao difcil seo leito dessas partculas for profundo. Apresenta pequenaexpanso do leito, baixa mistura das partculas. As forascoesivas interpartculas so menores comparadas com afora de arraste. Neste grupo encontram-se a ervilha e osgros de caf.

https://www.youtube.com/watch?v=06O9R-IpTaYhttps://www.youtube.com/watch?v=06O9R-IpTaY