LEQ2 - Prática 1 Fluidização - 2017.2

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Universidade Federal De Pernambuco Centro De Tecnologia E Geociências Departamento De Engenharia Química Laboratório De Engenharia Química 2

Relatório da aula prática 01 Fluidização Gás-Sólido e Líquido-Sólido

Aluno: Luanna Priscila Gomes de Oliveira Professor: Mohand Benachour Turma: QC

Agosto/2017 Recife-PE

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1. INTRODUÇÃO 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. O leito assume então o aspecto de um líquido em ebulição e devido a isso surgiu o termo “fluidizado”.

A eficiência na utilização de um leito fluidizado depende em primeiro lugar do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Abaixo desta velocidade o leito não fluidiza; e muito acima dela, os sólidos são carregados para fora do leito.

Este processo pode ser empregado em várias operações industriais como mistura, congelamento, secagem, aglomeração de pó, revestimento de partículas, etc. A fluidização ainda possui muitas vantagens, como: elevados coeficientes de transferência de calor e massa, boa mistura dos sólidos e o fato da área superficial das partículas sólidas fica completamente disponível para a transferência.

3 O material fluidizado é quase sempre um sólido e o meio fluidizante é um líquido ou um gás. As características e comportamento de um leito fluidizado é fortemente dependente de ambas propriedades difásicas, da fase sólida e das propriedades da fase líquida ou do gás. À velocidade muito baixa, o fluido percorre pequenos e tortuosos canais, perdendo energia e pressão; sendo ∆P (Perda de Carga) função da permeabilidade, rugosidade das partículas, ρ, µ e velocidade superficial. Com aumento da velocidade, atinge-se um valor que a ação dinâmica do fluido permite reordenação das partículas, de modo a oferecer menor resistência à passagem. Em maiores velocidades, as partículas deixam de estar em contato e parecem como líquido em ebulição.

2. OBJETIVOS •

Observar o processo de fluidização de um leito fixo

•

Calcular as massas específicas das partículas utilizadas como recheio e as porosidades dos leitos;

•

Observar, graficamente, a perda de pressão no sistema em função da vazão do fluido, assim como o fenômeno de histerese;

•

Calcular as velocidades mínimas de fluidização experimentais e comparar com as obtidas através da equação de Ergun, de forma a validar o modelo;

•

Calcular as velocidades de arraste.

3. METODOLOGIA EXPERIMENTAL 3.1.

PROCEDIMENTO PARTE 1

Foi medido as massas de quantidades definidas de esferas de vidro, utilizando-se uma balança analítica. Em seguida, foi medido, com o auxílio de provetas de diâmetro semelhante ao do equipamento utilizado na bancada do leito fixo/fluidizado, quantidades definidas de água (200mL). Transferiu-se os líquidos para provetas que continham as esferas. Foi medido a diferença entre o volume final obtido e o volume inicial de água, sendo esta diferença o volume das esferas e por fim calculou-se a densidade, dividindose a massa pelo volume das esferas.

4 3.2.

PROCEDIMENTO PARTE 2

Acrescentou-se um volume definido de esferas em uma proveta. Acrescentou-se água na proveta até que todos os espaços vazios entre as esferas fossem preenchidos. Calculou-se a porosidade pela divisão do volume de água adicionado pelo volume inicial de esferas.

3.3.

PROCEDIMENTO PARTE 3

Realizou-se, em paralelo, duas fluidizações: uma líquido-sólido e outra gás-sólido; Para cada uma, definiram-se vazões de fluido (água ou ar) e para cada vazão, mediramse as quedas de pressão e as alturas do leito; - As vazões foram medidas com o auxílio de rotâmetros. As quedas de pressão foram medidas com o auxílio de um tubo em U; - O procedimento foi realizado partindo-se de um leito fixo para um leito fluidizado e de um leito já fluidizado para um leito fixo (ida e volta).

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para determinar as massas específicas ρ (esferas de vidro), foram realizadas duas medições de massa, que posteriormente tiveram os seus respectivos volumes medidos através do preenchimento de uma proveta com água. A água teve como função preencher os espaços vazios entre as esferas, de modo que o volume deslocado de água correspondia ao real volume das esferas. Com o objetivo de determinar a porosidade ε, foram realizadas medições de volume deslocado de água em uma proveta. Assumiu-se que o empacotamento das esferas na proveta era igual ao empacotamento dentro do tubo (leito). Sabendo-se que a porosidade é definida como [ε = volume de vazios/volume total], pôde-se calcular os valores abaixo: VL= 200mL VT= 485mL A porosidade calculada foi: ε =

𝑉𝐿 = 0,4124 𝑉𝑠

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VS = VT – VL = 285 Ml Tem-se: Mproveta+água = 448,19g e Mproveta+água+partícula = 1165,95g, logo: Mpartícula = 717,76g A densidade é dada pela divisão da massa pelo volume das esferas, logo: 𝜌𝑆 =

𝑀𝑆 717,76𝑔 = = 2,518 𝑔/𝑚𝐿 𝑉𝑆 285𝑚𝐿

Após o cálculo da massa específica e da porosidade, mediram-se as perdas de pressão nos leitos para vazões definidas. Primeiramente, as vazões foram aumentando, partindo-se da menor vazão do equipamento (leito fixo) até a máxima do mesmo. Em seguida, fez-se o procedimento inverso, partindo-se da vazão máxima (leito fluidizado) até a mínima. Isso foi realizado para observar o fenômeno de histerese na fluidização. A partir das medições, pôde-se construir os gráficos abaixo:

ΔP (mca)

Perda de Pressão x Vazão da água 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

50

100 150 Vazão (L/h) IDA

200

250

VOLTA

Figura 1. Gráfico da perda de pressão em função da vazão do fluido para o sistema líquido-sólido.

6

Perda de Pressão x Vazão do Ar 140 120

ΔP (mca)

100 80 60 40 20 0 0

500

1000

1500 Vazão (L/h)

IDA

2000

2500

3000

VOLTA

Figura 2. Gráfico da perda de pressão em função da vazão do fluido para o sistema gássólido.

Observa-se pelos gráficos que o comportamento das curvas nas idas são diferentes das curvas nas voltas. Tal fenômeno é chamado de histerese e o mesmo ocorre porque o empacotamento do leito na volta é mais “organizado” do que aquele observado inicialmente, pois cada partícula se rearranja de uma forma melhor, gerando uma menores perdas de pressão. Dessa forma, a partir dos gráficos anteriores e das Tabelas 1 e 2 dos apêndices, têm-se que: •

Fluidização líquido-sólido

A partir do gráfico é possível obter informações acerca do comportamento do leito frente ao fluído que escoa sobre ele. As curvas apresentam as variáveis significativas: queda de pressão máxima (∆Pmf) e velocidade mínima de fluidização (Vmf), que pode ser obtido através das tangentes às curvas.

Daí temos: ∆P = 181 mca

7 Qmfl = 110 L/H = 3,056 x10-5 m3/s Sabendo-se que o diâmetro do tubo vale d = 4,5 cm, calcula-se a área do mesmo. A = πd2/4 A = π (4,5 x 10-2)2/4 A = 0,00159 m2

Com o valor da área e da vazão mínima de fluidização, pode-se calcular a velocidade mínima de fluidização.

Vmf1 = Qmf1/A 𝑽𝒎𝒇𝟏 =

•

3,056x10 − 5 m3/s = 𝟎, 𝟎𝟏𝟗 𝒎⁄𝒔 0,00159 m2

Fluidização gás-sólido

De forma análoga aos cálculos anteriores: Qmf2 = 1550 L/h = 4,31 x 10-4 m3/s

Vmf2 = Qmf1/A 4,31x10−4 m3/s 𝑽𝒎𝒇𝟐 = = 𝟎, 𝟐𝟕 𝒎⁄𝒔 0,00159 m2 Para calcular os valores teóricos das velocidades mínimas de fluidização, utilizase a equação de Ergun. ΔP 𝐿

= 150

𝜇𝑓 𝑉0 (1−𝜀)2 2 𝜀3 𝑑𝑝

+ 1,75

Equação 1

Onde: ΔP = Perda de pressão (Pa); L = Comprimento do leito (m); µf = viscosidade do fluido (Pa.s); Vo = Velocidade superficial do fluido (m/s); ε = Porosidade do leito;

(1−𝜀)𝜌𝑓 𝑉02 𝜀 3 𝑑𝑝

8 dp = diâmetro da partícula (m); ρf = massa específica do fluido (kg/m3).

Sabendo-se que

ΔP 𝐿

= (1-ε) (ρs – ρf) g, a equação se torna:

(1 − ε) (ρs – ρf) g = 150

𝜇𝑓 𝑉𝑜 (1−𝜀)2 2 𝜀3 𝑑𝑝

+ 1,75

(1−𝜀)𝜌𝑓 𝑉02 𝜀 3 𝑑𝑝

Equação 2

O Reynolds na mínima fluidização (Rem) pode ser calculado por:

Rem =

𝜌𝑓 𝑉𝑚𝑓 𝑑𝑝 𝜇𝑓

Equação 3

Se Rem < 10, pode-se considerar que o primeiro termo da equação de Ergun é muito maior que o segundo (regime laminar). Em contrapartida, se Rem > 10, pode-se considerar que o segundo termo é muito maior que o primeiro (regime turbulento). Sabendo que Vmf1 é a velocidade mínima de fluidização para o sistema líquidosólido e é 0,019m/s, Vmfl2 a velocidade mínima de fluidização do sistema gás-sólido igual a 0,27m/s, o diâmetro da partícula foi de 0,549mm, a porosidade 0,3 e a massa específica 1,005g/cm3, tem-se que O Reynolds para cada sistema vale: Re (gás − sólido) =

Re (líquido − sólido) =

𝑘𝑔 𝑚 (1,18 𝑚3 𝑥 0,27 𝑠 𝑥 0,549 ∗ 10−3 𝑚) 18,2 ∗ 10−6 𝑘𝑔/𝑚²𝑠

𝑘𝑔 𝑚 (1005 𝑚3 𝑥 0,019 𝑠 𝑥 0,549 ∗ 10−3 𝑚) 10−3 𝑘𝑔/𝑚²𝑠

E calcula-se os valores teóricos pela equação de Ergun.

5. CONCLUSÕES

= 9,61

= 10,48

9

A partir deste experimento, pôde-se observar o processo de fluidização de um leito e a sua importância dentro do conhecimento de um engenheiro químico. O cálculo dos parâmetros desse processo (velocidade mínima de fluidização, velocidade de arraste, porosidade do leito, etc.) é essencial em indústrias que utilizam esse tipo de leito, para poder se obter o melhor controle possível. Observou-se também o fenômeno da histerese, indicando que há uma diferença no comportamento da queda de pressão quando se passa de um leito fixo para fluidizado e de um leito fluidizado para fixo.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS FLUIDIZAÇÃO.

Disponível

em

<

http://www.fluidizacao.com.br/pt/home.php?pgi=descricao.html > FLUIDIZAÇÃO.

Disponível

em

http://www.eq.ufrj.br/docentes/ninoska/docs_PDF/Fluidizacao_09.pdf > SARMENTO, Sandra Maria; MEDEIROS, Nelson L. Notas de Aula de Laboratório de Engenharia Química 2. Departamento de Engenharia Química, UFPE, Recife, 2014.

<

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7. APÊNDICES

Tabela1 – “Ida” sistema líquido-sólido Vazão L/h 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200

∆P (mmca) 40 50 56 64 74 83 92 104 115 129 143 155 169 176 181 181 181 181 183 183 184 184 185 186 186 187 187 188 188 187 187 188 188 188

Vazão (m^3/s) 9,72222E-06 1,11111E-05 0,0000125 1,38889E-05 1,52778E-05 1,66667E-05 1,80556E-05 1,94444E-05 2,08333E-05 2,22222E-05 2,36111E-05 0,000025 2,63889E-05 2,77778E-05 2,91667E-05 3,05556E-05 3,19444E-05 3,33333E-05 3,47222E-05 3,61111E-05 0,0000375 3,88889E-05 4,02778E-05 4,16667E-05 4,30556E-05 4,44444E-05 4,58333E-05 4,72222E-05 4,86111E-05 0,00005 5,13889E-05 5,27778E-05 5,41667E-05 5,55556E-05

V (m/s) 0,006116048 0,006989769 0,00786349 0,008737211 0,009610932 0,010484653 0,011358374 0,012232095 0,013105816 0,013979537 0,014853259 0,01572698 0,016600701 0,017474422 0,018348143 0,019221864 0,020095585 0,020969306 0,021843027 0,022716748 0,023590469 0,024464191 0,025337912 0,026211633 0,027085354 0,027959075 0,028832796 0,029706517 0,030580238 0,031453959 0,03232768 0,033201401 0,034075123 0,034948844

∆P (kPa) 392,24 490,3 549,136 627,584 725,644 813,898 902,152 1019,824 1127,69 1264,974 1402,258 1519,93 1657,214 1725,856 1774,886 1774,886 1774,886 1774,886 1794,498 1794,498 1804,304 1804,304 1814,11 1823,916 1823,916 1833,722 1833,722 1843,528 1843,528 1833,722 1833,722 1843,528 1843,528 1843,528

L (mm) 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196 200 202 206 209 211 213 215 219 222 224 226 230 233 235 238 240 243 246 249

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Tabela 2 – “Volta” sistema líquido-sólido Vazão L/h 195 190 185 180 175 170 165 160 155 150 145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35

∆P (mmca) 189 187 188 185 185 184 183 183 182 180 175 179 179 177 178 178 176 177 172 167 163 155 142 133 121 106 97 84 73 71 65 48 44

Vazão (m^3/s) 5,41667E-05 5,27778E-05 5,13889E-05 0,00005 4,86111E-05 4,72222E-05 4,58333E-05 4,44444E-05 4,30556E-05 4,16667E-05 4,02778E-05 3,88889E-05 0,0000375 3,61111E-05 3,47222E-05 3,33333E-05 3,19444E-05 3,05556E-05 2,91667E-05 2,77778E-05 2,63889E-05 0,000025 2,36111E-05 2,22222E-05 2,08333E-05 1,94444E-05 1,80556E-05 1,66667E-05 1,52778E-05 1,38889E-05 0,0000125 1,11111E-05 9,72222E-06

V (m/s) 0,034075123 0,033201401 0,03232768 0,031453959 0,030580238 0,029706517 0,028832796 0,027959075 0,027085354 0,026211633 0,025337912 0,024464191 0,023590469 0,022716748 0,021843027 0,020969306 0,020095585 0,019221864 0,018348143 0,017474422 0,016600701 0,01572698 0,014853259 0,013979537 0,013105816 0,012232095 0,011358374 0,010484653 0,009610932 0,008737211 0,00786349 0,006989769 0,006116048

∆P (kPa) 1853,334 1833,722 1843,528 1814,11 1814,11 1804,304 1794,498 1794,498 1784,692 1765,08 1716,05 1755,274 1755,274 1735,662 1745,468 1745,468 1725,856 1735,662 1686,632 1637,602 1598,378 1519,93 1392,452 1304,198 1186,526 1039,436 951,182 823,704 715,838 696,226 637,39 470,688 431,464

L (mm) 246 243 240 237 234 231 228 226 223 221 217 215 211 209 206 203 200 197 296 194 193 193 193 192 192 192 192 192 192 192 192 192 192

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Tabela 3 – “Ida” Sistema Gás-Sólido

13 Vazão L/h 180 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 2400

∆P (mmca) 13 20 21 21 26 29 35 35 37 41 44 47 53 56 62 64 67 70 75 79 83 88 92 94 97 102 107 110 110 112 108 107 107 107 108 107 108 108 110 112 113 113 116 116

Vazão (m^3/s) 0,00005 8,33333E-05 9,72222E-05 0,000111111 0,000125 0,000138889 0,000152778 0,000166667 0,000180556 0,000194444 0,000208333 0,000222222 0,000236111 0,00025 0,000263889 0,000277778 0,000291667 0,000305556 0,000319444 0,000333333 0,000347222 0,000361111 0,000375 0,000388889 0,000402778 0,000416667 0,000430556 0,000444444 0,000458333 0,000472222 0,000486111 0,0005 0,000513889 0,000527778 0,000541667 0,000555556 0,000569444 0,000583333 0,000597222 0,000611111 0,000625 0,000638889 0,000652778 0,000666667

V (m/s) ∆P (kPa) L (mm) 0,03145396 127,478 189 0,05242327 196,12 189 0,06116048 205,926 189 0,06989769 205,926 189 0,0786349 254,956 189 0,08737211 284,374 189 0,09610932 343,21 189 0,10484653 343,21 189 0,11358374 362,822 189 0,12232095 402,046 189 0,13105816 431,464 189 0,13979537 460,882 189 0,14853259 519,718 189 0,1572698 549,136 189 0,16600701 607,972 189 0,17474422 627,584 189 0,18348143 657,002 189 0,19221864 686,42 189 0,20095585 735,45 189 0,20969306 774,674 189 0,21843027 813,898 189 0,22716748 862,928 189 0,23590469 902,152 189 0,24464191 921,764 189 0,25337912 951,182 189 0,26211633 1000,212 189 0,27085354 1049,242 191 0,27959075 1078,66 191 0,28832796 1078,66 194 0,29706517 1098,272 196 0,30580238 1059,048 210 0,31453959 1049,242 213 0,3232768 1049,242 214 0,33201401 1049,242 215 0,34075123 1059,048 220 0,34948844 1049,242 225 0,35822565 1059,048 233 0,36696286 1059,048 240 0,37570007 1078,66 245 0,38443728 1098,272 247 0,39317449 1108,078 250 0,4019117 1108,078 260 0,41064891 1137,496 270 0,41938612 1137,496 285

Tabela 4 – “Volta” Sistema Gás-Sólido

14 Vazão L/h 2400 2350 2300 2250 2200 2150 2100 2050 2000 1950 1900 1850 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1000 950 900 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 180

∆P (mmca) 116 115 114 114 114 113 112 111 110 109 108 108 108 108 108 107 107 105 104 101 97 95 92 88 82 80 77 72 68 65 58 54 48 45 43 39 37 33 31 28 25 22 15

Vazão (m^3/s) 0,000666667 0,000652778 0,000638889 0,000625 0,000611111 0,000597222 0,000583333 0,000569444 0,000555556 0,000541667 0,000527778 0,000513889 0,0005 0,000486111 0,000472222 0,000458333 0,000444444 0,000430556 0,000416667 0,000402778 0,000388889 0,000375 0,000361111 0,000347222 0,000333333 0,000319444 0,000305556 0,000277778 0,000263889 0,00025 0,000236111 0,000222222 0,000208333 0,000194444 0,000180556 0,000166667 0,000152778 0,000138889 0,000125 0,000111111 9,72222E-05 8,33333E-05 0,00005

V (m/s) 0,419386124 0,410648913 0,401911702 0,393174491 0,38443728 0,375700069 0,366962858 0,358225647 0,349488436 0,340751225 0,332014014 0,323276804 0,314539593 0,305802382 0,297065171 0,28832796 0,279590749 0,270853538 0,262116327 0,253379116 0,244641905 0,235904695 0,227167484 0,218430273 0,209693062 0,200955851 0,19221864 0,174744218 0,166007007 0,157269796 0,148532585 0,139795375 0,131058164 0,122320953 0,113583742 0,104846531 0,09610932 0,087372109 0,078634898 0,069897687 0,061160476 0,052423265 0,031453959

∆P (kPa) L (mm) 1137,496 270 1127,69 267 1117,884 250 1117,884 242 1117,884 240 1108,078 235 1098,272 232 1088,466 225 1078,66 218 1068,854 210 1059,048 205 1059,048 203 1059,048 200 1059,048 197 1059,048 195 1049,242 193 1049,242 191 1029,63 191 1019,824 191 990,406 190 951,182 190 931,57 190 902,152 190 862,928 190 804,092 190 784,48 190 755,062 190 706,032 190 666,808 190 637,39 190 568,748 190 529,524 190 470,688 190 441,27 190 421,658 190 382,434 190 362,822 190 323,598 190 303,986 190 274,568 190 245,15 190 215,732 190 147,09 190