Capítulo V - Fluidização

Prévia do material em texto

Capítulo V
Fluidização 
Sumário
5.1. Introdução
5.2. Condições de fluidização;
5.3. Velocidade mínima de fluidização;
5.4. Tipos de fluidização;
5.5 Expansão de leitos fluidização;
5.6. Aplicação da fluidização;
5.7 Fluidização contínua;
5.7.1. Tipos de transporte;
5.7.1.1. Transporte Pneumático;
5.7.1.2. Transporte hidraúlico;
Introdução 
Fluidização 
• É a sustentação de partículas
soltas por um fluido com
velocidade ascendentes o que
acontece a partir de um
determinado valor;
• Ocorre quando um fluxo
ascendente de fluido escoa
através de um leito de
partículas e adquire
velocidade suficiente para
manter as partículas em
suspensão sem que sejam
arrastadas junto com o fluido;
• S
Sem fluxo Com fluxo
L1
L2
(e1)
(e2)
Fluidização 
• Quando um líquido ou um gás passa a uma velocidade muito lenta
por meio de um leito de partículas sólida, as partículas não se
movem e a diferença de pressão é dada pela equação de Ergun:
(5.1)
∆P – Diferença de pressão do leito fluidizado
µ - Viscosidade
Ɛ - Porosidade ou fracção de volume de vazio no leito sólido
Ф – Esfericidade
Vp – volume da partícula
Sp – Área específica da partícula simples
Fluidização 
• Se a velocidade do fluido é aumentada com
regularidade e a resistência das partículas
individuais, aumentar eventualmente, as
partículas começam a mover-se e tornam-se
suspensas no fluido.
A fluidização é empregue em:
• Secagem
• Mistura
• Revestimento de partículas
• Aglomeração de pós
• Aquecimento e resfriamento de sólidos
• Congelamento
• Torresfação de café
• Pirólise 
Vantagem da fluidização 
• Alta mistura dos sólidos ( homogeneização
rápida)
• A área superficial das partículas sólidas ficam
completamente disponíveis para transferência
de calor e de massa.
Etapas da fluidização 
• 0 → A : aumento da velocidade e
da queda de pressão do fluido;
• A→ B: o leito está iniciando a
fluidização;
• B → C: com o aumento da
velocidade, há uma queda leve da
pressão devido à mudança
repentina da porosidade de leito;
• C → D: O log( -∆P) varia
linearmente com log(V) até o
ponto D ;
• D → : Após o ponto D, as
partículas começam a ser
carregadas pelo fluido e perde-se
a funcionalidade do sistema.
Log(-∆P)
B D
A . .
. C .
. .
. .
. .
. .
. .
. . 
0 logV Vmf Va
Etapas de fluidização 
• log(∆P) 
• B. D
• A . c .
• . .
• . .
• . .
• . .
0 logvVaVmf
Exemplo da aplicação de fluidização em 
resfriamento de sólidos
Velocidade mínima de fluidização 
• O leito somente fluidizará a 
partir de um certo valor de 
velocidade do fluido 
ascendente. Essa velocidade 
é definida como a 
velocidade mínima de 
fluidização (Vmf);
• Quando atinge-se Vmf, a 
força da pressão (Fp) e a de 
empuxo (Fe) se igualam a 
força do peso das partículas 
do leito (Fg);
Logo: Fp + Fe = Fg 
Fg
Fp
Fe
sabe-se que:
• (5.2)
• Fazendo Fp +Fe = Fg uma equação para a
velocidade mínima de fluidização pode ser obtida
por fixação da diferença de pressão igual ao peso
do leito por unidade de área da secção
transversal capaz de deslocar a força da boia para
o fluido:
• (5.3)
Velocidade mínima de fluidização 
• Na fluidização incipiente (inicial) a porosidade
é a porosidade mínima de fluidização e é
representado por:
(5.4)
Assim a equação de Ergun para a diferença de
pressão de leito comprimido pode ser
reajustado:
(5.5)
Aplicando o ponto para fluidização 
incipiente obtem-se
(5.6)
Vmf para regime laminar
Para partículas muito pequena em que o fluxo é 
laminar isto é para um NRe menor que 1 
(Re<1) a velocidade mínima de fluidização 
torna-se: 
(5.7)
Vmf para regime turbulento
• No entanto a fluidização também é utilizada
para partículas mais largas que 1 mm como no
leito fluidizado da combustão do carvão
• Para partículas de tamanho muito grande o
termo de fluxo laminar torna-se negligenciável
e a velocidade mínima de fluidização varia
com a raiz quadrada do tamanho da a
partícula isto é:
• Para NRe > 1000
• (5.8)
Cont.
• Para NRe baixo a velocidade mínima ou 
terminal (uf) e a velocidade mínima de 
fluidização (vom) de fluidização ambas variam 
com o diâmetro ao quadrado pela diferença 
das densidades 
• e 1/µ
Tal que a razão das velocidades dependam
principalmente da fracção do vazio na
fluidização mínima:
(5.9)
Porosidade minima da fluidização 
• Para partículas esféricas, a porosidade mínima de fluidização é
Ɛm= 0,45;
• Para determinar a porosidade mínima de fluidização usam-se
as seguintes relações:
• A velocidade final ou terminal é 50 vezes a velocidade mínima de
fluidização, tal que o leito que fluidize a 10mm/s podia provavelmente ser
operado com velocidade acima dos 400mm/s com poucas partículas
arrastadas com o gás de saida.
Porosidade minima da fluidização 
• Com uma larga distribuição de tamanho de partículas
haveria um maior transporte ou arrato dos finos do
que partículas de tamanho médio em que a maior
parte pode ser recuperada por filtro ou separador
ciclónicos e retornam ao leito.
• Para partículas largas a velocidade final é dada pela lei
de Newton: (5.10)
• E esta pode ser comparada com a velocidade mínima
de fluidização . Isto para as esferas com NRe>1000
• Para caso de e a razão das velocidades
final e mínima de fluidização
que é uma razão muito mais baixa para partículas
finas isto poderá ser uma desvantagem para o
uso das partículas grossas no leito fluidizado;
• Mais o tamanho óptimo da partícula geralmente
depende de outros factor tais como o custo de
moagem, a velocidade de transferência de massa
e de calor do gás desejado.
Tipos de fluidização
Tipo de fluidização 
• Fluidização particulada
• Fluidização Agregativa
Fluidização particulada
• É aquela em que no líquido o leito
continua a expandir-se a medida que
aumenta a velocidade e mantém o
seu carácter uniforme com a
intensidade da agitação das
partículas à aumentar
progressivamente.
• Ou ainda, ocorre quando a
densidade das partículas é parecida
com a do fluido e o diâmetro das
partículas é pequeno.
Fuidização Agregativa:
• Ocorre quando as densidades das partículas e
do fluido são muito diferentes ou quando o
diâmetro das partículas é grande;
• Para um gás só se obtém uma fluidização
uniforme para velocidade relativamente baixas;
• A elevadas velocidades formam-se 2 fases
distintas:
• A fase contínua ou densa que é por vezes
designada fase de emulsão;
• E a fase descontínua conhecida por fase leve ou
de bolhas constituem a fluidização agregativa.
• Ex. Neste caso o sistema assemelha-se muito à
um líquido em ebulição, com a fase leve a
corresponder ao vapor e a fase densa ou
contínua ao leito em ebulição.
Fuidização Agregativa:
• O comportamento de um leito fluidizado em
bolhas depende fortemente do número e
tamanho das bolhas do gás que são muitas vezes
difíceis de predizer;
• O tamamanho médio das partículas depende da
natureza e da distribuição do tamanho das
partículas, do tipo do prato distribuidor, da
velocidade superficial e da profundidade do leito.
Expansão do leito fluidizado
• Com ambos tipos de fluidização o leito
expande-se com o aumento da velocidade
superficial e desde que a diferença de pressão
(∆P) permaneça constante, a diferença de
pressão por unidade de comprimento (∆P/L)
diminui com o aumento da porosidade (Ɛ).
(5.11)
(5.12)
Para a fluidização particulada
• A expansão é uniforme e a equação de Ergun
aplica-se para leitos fixosesperada para
segurar leitos levemente expandidos;
• Assumindo que os fluxos entre as partículas é
laminar utilizando o primeiro termo da
equação (5.5) obtém-se a seguinte expressão
para leitos expandidos:
• (5.13)
• Nota- se que a equação (5.13) é similar a (5,7)
para a velocidade mínima de fluidização mais
agora:
vo = variável independente;
Ɛ (porosidade) =variável dependente
A Razão pela qual:
é proporcional a para velocidade
mínima de fluidização.
Altura do leito poroso
• Quando inicia-se a fluidização, há um aumento
da porosidade e da altura do leito. Essa relação é
dada pela seguinte expressão:
SL(1-Ɛ) = SLmf (1-Ɛmf)
volume de volume de sólido
Sólido no leito no leito fluidizado
fixo 
Altura do leito expandido
• A altura do leito expandido pode ser obtido
através da porosidade e dos valores de
comprimento e através da porosidade
incipiente ( inicial)
• → (5.14)
Cont. 
• Para fluidização particuladas das partículas
maiores na água a expressão do leito é
esperada por ser maior que a correspondente
e a equação (5.13) desde que a queda de
pressão dependa parcialmente da energia
cinética do fluido e um maior aumento na
porosidade é necessário para o equilíbrio de
uma dada percentagem do aumento da
velocidade de fluidização.
Cont.
• Os dados da expansão podem ser
correlacionados pela equação empírica
proposta por:
Lewis:
Vo= Ɛm (5.15) equação empírica.
Fluidização em bolhas 
• A expansão do leito aproxima-se principalmente do
espaço ocupado pelas bolhas gasosas desde que a fase
densa não expande significativamente com o aumento
do fluxo total;
• O gás flui através da fase densa e é assumido por ser a
velocidade mínima de fluidização vezes a fracção do
leito ocupado pela fase densa e o resto do gás que flui
é arrastado ou transportado pelas bolhas sendo assim
a velocidade de fluidização :
• (5.16)
Cont.
• Onde:
• fb = fracção do leito ocupado pelas bolhas
• Ub = Velocidade média da bolha
• A altura na fluidização incipiente será:
• (5.17)
• Lm = altura do leito de fluidizacção incipiente
• L = altura do leito expandido
Combinando as equacões 
(5.16) e (5.17)
(5.18)
Quando a velocidade média da bolha ub é muito 
maior que Vo o leito apenas expande –se 
levemente embora Vo seja variavel constante 
em relacao 
Uma equação empirica para a velociodade de 
bolha no leito fluidizado é : 
(5.19)
Cont.
• Alguns pós finos fluidizados por um gás
exibem a fluidização particulado acima do
intervalo limitado da velocidade próximas do
ponto de fluidização mínima;
• Com aumento da velocidade o leito expande-
se uniformemente até que as bolhas
comecem a cair gradualmente para formar
uma altura mínima.
Aplicacões da fluidização 
• O uso extensivo da fluidização começou na indústria de
petróleo com desenvolvimento do leito do fluido de
agente catalítico fraccionário;
• A fluidização é utilizada em outros processos catalíticos
a sintese do nitrilo de acrilo e para o transporte de
reações sólido- gás;
• Há um maior interesse no leito fluidizado da
combustão do carvão como um significado da
combustão do custo do boile e a diminuição da
emissão dos poluentes;
• Os leitos fluidizados são também utilizados para
secagem fina de sólido e a adsorção de gases.
Principais vantagens da fluidização 
são as seguintes:
1. o sólido é vigorosamente agitado pelo fluido
passando através do leito ;
2. a mistura de sólido assegura que não haja
praticamente gradiente de temperatura no
leito embora haja bastantes reacções
exortémicas ou endotémica;
3. o movimento violento dos sólidos também
dá altas velocidades de transferência de calor
para a parede ou tubos emersos no leito.
Desvantagens 
• A principal desvantagem da fluidização gás
solidos é o contacto irregular do gás e do
sólido;
• A maior parte do gás passa através do leito
como bolhas e directamente contacta apenas
uma pequena quantidade de sólido num fino
revestimento conhecido como a mancha a
volta da bolha.
Fluidização contínua
• É o arrasto das particulas ao longo do percurso;
• Quando a velocidade do fluido através do leito
torna-se bastante grande todas as partículas são
arratadas num fluido e são transportadas através
dele para obter a fluidização contínua;
• A sua principal aplicação é no transporte dos
sólidos de um ponto ao outro numa instalação de
processamento.
Tipos de transporte na fluidização 
contínua
• Pneumático 
• Hidraúlico 
Transporte pneumático 
• O fluido num transportador pneumático é um gás
geralmente ar;
• Fluindo a velocidade entre 15 a 30 m/s (50 e 100fts/s )
em tubos em série de 50 a 400mm de diâmetro (2 a 16
in);
• Neste meio de transportes existem dois principais
tipos de sistemas:
 Sistemas de pressão negativa e sistema de pressão
positiva.
SISTEMAS DE PRESSÃO NEGATIVA 
(VÁCUO)
• são comumente mais utilizados para materiais de vários
formatos que transportam para um único ponto de
recepção.
• Não haverá problemas no transporte se, ocorrer pequenas
diferenças de pressão no processo de transporte.
• As válvulas rotativas e parafusos também podem ser
utilizadas neste tipo de sistemas e ficam menos caro do que
no sistema de pressão positiva.
• A diferença é que haverá necessidade de um volume de ar
maior e os filtros de ar deve estar sob vácuo na operação.
• Este sistema é vantagioso para transferência de sólidos de
pontos multiplos de canalização.
Sistemas de Pressão Positiva
• É o melhor com uma simples entrada de estado e
um ou mais pontos de distribuição;
• A maior parte dos transportadores pneumáticos
operam sob pressão positiva com um soprador
ou compressor cuja a alimentação é o ar ou
ocasionalmente o azoto numa pressão de 1 a 5
atm da garganta do sistema;
• A razão entre sólido e gás é geralmente mais
elevado que no sistema de vácuo.
Cont.
• Algumas vezes o gás e recirculado para o soprador ou
compressor a entrada do sistema fechado para
conservar o gás desejado ou prevenir a perda do pó
para a atmosfera;
• A queda de pressão ou a diferença de pressão
necessária para passar somente através de um sistema
de transportador pneumático é pequena mas aumenta
consideravelmente;
• Quando a energia adicional passa ser fornecida para
elevar e remover os sólidos;
• Esta energia adicional fornecida por um balanço de
energia mecânica baseia –se na equação:
Cont. 
(5.20)
r: Razão de massa entre sólido e gás
EAs; : Energia adicional
Vsa: Velocidade do sólido a entrada 
Vsb: Velocidade do sólido a saida
ρs: Densidade do sólido
Cont. 
• A energia adicional (EAs) é fornecida pelo ar e
transmitida por partículas sólidas através da
acção das forças de resistência entre o ar e o
sólido;
• Eas É um termo de trabalho e pode aparecer
no balanco de energia mecânica.
: 
Transporte hidraúlico
• As partículas mais pequenas de cerca de 50
micrometro de diâmetro sedimentam-se mais
lentamente e são prontamente suspensas no
movimento do líquido;
• As partículas mais longas são mais difíceis de
suspender e quando o diâmetro for 0,25mm ou
maior, uma velocidade de líquido completamente
maior é necessário para manter as partículas em
movimento especialmente em tubos horizontais.
Cont.
• A velocidade crítica Vc a baixo da qual as
partículas sedimentar-se-ão encontra-se
entre 1 e 5 m/s dependendo da diferença de
densidade entre os sólidos e do tamanho do
tubo;
• As velocidades críticas são maiores num tubo
grande que num tubo pequeno.