aula-10-leito fluidizado.pdf
TRANSCRIPT
-
Escoamento em Meio
Poroso Leito Fluidizado
Prof. Rodrigo S. Vieira
UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA
DISCIPLINA DE OPERAES UNITRIAS I
-
AQ
K
L
p
Lei de Darcy
36)1(
dK
2
2p
3
Equao de Karman-Kozeny
para predio da permeabilidade
2
2p
3
)1(180
dK
= 5 muito boa para esferas
-
Altas vazes: Experimentalmente,
Para a regio no Darcyana
2BqAqL
p
Proposio:
2q),dp,(FqK
L
p
2
p32
p3
2
qD
)1(75,1q
D
)1(150
L
p
Correlao de Ergun
-
Um leito poroso constitudo de inmeras partculas, geralmente posicionadas aleatoriamente.
Baseia-se na circulao de slidos juntamente com um fluido(gs ou lquido) impedindo a existncia de T, de pontos muito
ativos ou de regies estagnadas no leito; proporcionando
tambm um maior contato superficial entre slido e fluido,
favorecendo a TM e TC.
Eficincia do leito fluidizado: depende do conhecimento davelocidade mnima de fluidizao.
V < Vmf : leito no fluidiza;
V >>> Vmf: slidos so carregados para fora do leito.
Leito Fluidizado
-
Aplicaes de leitos fluidizados
1. Reaes Qumicas (Homogneas ou Heterogneas);
A.Cataltica
B.No Catalticas
2. Contato Fsico;
A. Transferncia de Calor
- Para o, e do, leito fluidizado
- Entre gases e slidos
- Controle de temperatura
- Entre pontos do leito
B. Mistura de Slidos
C. Mistura de Gases
D. Secagem de Slidos ou Gases
E. Classificao de Slidos
F. Adsoro- Dessoro
G. Tratamento Trmico
H. Recobrimento
-
VANTAGENS
1) Escoamento das partculas: controle contnuo e automtico
2) Fcil mistura: condies isotrmicas em reatores
3) Resistncia mudanas bruscas nas condies de operaes
(reaes altamente exotrmicas)
4) Adequado para operaes em grande escala
5) rea superficial grande, porque as partculas podem ser
menores (alta TM e TC entre partculas e gs)
6) Grandes velocidades de reao (comparada ao LF): ausncia de
gradientes
7) Maior uniformidade de Temperatura
8) Fluidez favorece TC
Leito Fluidizado
-
DESVANTAGENS
1) Eroso dos tubos e paredes
2) Slidos friveis so arrastados e devem ser recirculados ou
repostos
3) Expanso do leito: equipamento maior que o leito fixo.
4) Consumo de energia alto (requer alta velocidade do fluido)
5) Tempo de residncia no uniforme e de difcil clculo
6) Impossvel manter um gradiente axial de T e [C], desfavore
reaes mltiplas;
7) Consumo de energia devido a alta perda de carga (requer alta
velocidade do fluido);
Leito Fluidizado
-
Leito fixo:
Fluido escoa descendente ou ascendente.
Leito Fluidizado:
possvel escoamento descendente?
QUANTO AO SENTIDO DO ESCOAMENTO
ASCENDENTE OU DESCENDENTE ??
-
APLICAES
FCC Fluidized Catalytic Cracking
Reator: Gasleo Zelitas Y 480 540oC
Regenerador: 570 590oC
-
REVESTIMENTO DE OBJETOS - FARMCIA
-
CARACTERSTICAS GERAIS DA FLUIDIZAO
P = f (permeabilidade, rugosidade das partculas, , ,velocidade superficial)
A velocidade muito baixa : O fluido percorre pequenos etortuosos canais;
Com aumento da velocidade : Atinge um valor que a aodinmica do fluido permite reordenao das partculas, de modo a
oferecer menor resistncia passagem.
Maiores Velocidades : As partculas deixam de estar emcontato e parecem como lquido em ebulio.
-
GRFICO QUEDA DE PRESSO EM FUNO DO REYNOLDS
log Re
log
(-
P)
A
B
I
Intervalo AB : Leito fixo ou esttico (Regio I).
Regime quase sempre laminar
Pode-se aplicar a equao de Ergun.
Ponto B :
Perda de carga = Peso dos slidos
Leito "calmo ou tranqiloCaractersticas de um fluido
(observa-se fluidez no leito).
Ponto na qual as partculas mudam de posio
rearranjando-se
-
log Re
log
(-
P)
A
B
I II
C
D
Ponto C :
Ponto de mnima fluidizao.
Pouco contato entre as partculas.
Equilbrio entre perda de carga e empuxo com o peso aparente.
Suspenso inicial com apoio intraparticular.
Intervalo CD :
Movimento desordenado das partculas com
freqentes choques, devido ao aumento de
porosidade e menor perda de carga.
Regio II : Leito em expanso.
Ponto D :
Perda de carga comea a ficar constante
(no h contato intraparticular).
-
log Re
log
(-
P)
A
B
I II III
C
D E
Intervalo DE :
Aumento da agitao perda de carga constante (Regio III)
Leito em "Ebulio" ou fluidizao em batelada.
-
log Re
log
(-
P)
A
B
I II III IV
C
D E
Alm de E : Arraste das partculas (Regio IV)
Fluidizao contnua ou em fase diluda.
Ocorre o transporte pneumtico.
-
OA: Aumento da velocidade e da queda de presso do fludo;
AB: As partculas comeam a mover-se (no ficarem mais compactas); O leito est
fluidizado;
BC: Com o aumento da velocidade, h pequena variao na presso de maneira
instantnea, devido mudana repentina da porosidade do leito;
CD: A velocidade varia linearmente com a P (baixa variao de presso e alta
variao de velocidade) at chegar em D. Aps D, as partculas comeam a ser
carregadas pelo fludo e perde-se a funcionalidade do sistema.
Figure 8.4. Pressure drop in fluidized beds.
vmf = velocidade
mnima de
fluidizaova = velocidade de
arraste
Leito de ebulio
(ou fluidizao
descontnua)
Fluidizao contnua
(transporte pneumtico)
-
q qmfFluidizao homognea
Expanso uniforme com de q
, L
Lquido
-
q > qmfFluidizao heterognea
a) Pisto simtrico (parts. finas)
b) Pisto assimtrico (leito estreito
e alta velocidade)
c) Pisto completo (parts. grandes)
, L
-
q >>>> qmf e > qcrticoTransporte de partculas
Com lquido hidrulicoCom gs pneumtico
q > qmfFluidizao turbulenta
, L - sem bolhas
-
Porosidade de mnima fluidizao
a porosidade do
leito para q = qmf.
mf funo da forma
e tamanho das
partculas
mfNotao: m ou mf
(ref. McCabe/Smith)
b. Carvo de adsoro
c. Anis de Raschig quebrados
f. Areia de partculas aredondadas
g. Areia de bordas cortantes
h. coque
-
Altura do leito
Sem fluxo Com fluxo
L1
L2
(1)
(2)
-
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 = o, ou seja, os slidos ocupariam
todo leito Vs = Lo S
L altura do leito fluidizado
LS
SL1
V
V1
V
V o
T
S
Total
vazios
Altura do leito
-
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
-
Queda de pressoQuando a fluidizao comea, a queda de presso no leito
contrabalana a fora da gravidade nos slidos.
Em primeira aproximao vamos equacionar a queda de pressona mnima fluidizao, (p)mf, pela fora exercida pelo gs no leito e
a fora da gravidade menos empuxo. Desprezamos assim o atrito
entre as partculas, foras eletrostticas, etc.
pa.S + empuxo = pb.S + peso
(pa pb).S = peso - empuxo
(p )mf
-
gVgmS)p( SFSmf )VV(gS)p( SFSSmf
g))(1(L
)p(FSmf
mf
mf
gVgmF
gVgmF
FEmpuxo
SSPeso
)1(
)1(
gL
PS )1)((
Substituindo...
-
g))(1(L)p( FSmfmfmf
Sabemos que: )1(L)1(L mfmf
ctepg))(1(L)p( FSmf
g))(1(L
)p(FS
e
-
Velocidade de mnima fluidizao: qmfExtrapolando a equao de Ergun para a mnima fluidizao:
g))(1(L
)p(FSmf
mf
mf
-
23
smf
3
mf
2
mf
2
2
mf
22
3
mfmf
mf dpg)(dpq)1(150qdp75,1
L
)p(
mfmf,p
dpqRe
Substituindo:
2
3
smf,p3
mf
2
mf2
mf,p3
mf
dpg)(Re
)1(150Re
75,1
Expresso Geral
Multiplicando por:)1(
dp
mf2
3
-
Casos limites:
20Re mf,p
1000Re , mfp
)1(
g)(
150
)dp(q
mf
3
mfs
2
mf
3
mfs2
mf75,1
g))(dp(q
1o desprezvel
1o preponderante
-
Aproximaes: Wen e Yu (citado no Kunii e Levenspiel).
e14
13mf
11
13mf
2mf
Substituindo na expresso geral,
( ) 7,33
g)(dp0408,07,33Re
2/1
2S
3
2
mf,p
Para qualquer Rep,mf
-
Fluidizao Heterognea (Gs-
Slido)
Classificao
de
Geldart (1986)
(coesivas)
(aerveis)
(fluidizveis)
(jorrveis)
-
Tipo C partculas coesivas fluidizao muito difcil
Tipo A leito expande antes de formar bolhas
comportamento de fluidizao homognea; umf
-
DIFCIL FLUIDIZAR,
BAIXA EXPANSO,
POBRE MISTURA
ALTA EXPANSO, ALTA
MISTURAMODERADAS EXPANSO
E MISTURA
DIFCIL FLUIDIZAR (alta
V), BAIXA EXPANSO,
POBRE MISTURA
RESUMINDO...
-
Critrios para determinao do tipo de fluidizao: homognea ou heterognea
Grupos adimensionais:gdp
qFr
2mf
mf
q dp Re mfmf,p
Froude
D
L;
- mfS
Dimetrto do leitoRice e Wilhelm (1958)
D
L
))(ReFr( mfSmf,pmf
< 100 Homognea
> 100 Heterognea
-
Predio do Tipo de Fluidizao
1 Critrio: O tipo de fluidizao pode ser determinado pelo
Nmero de Froude (razo de energia cintica por energia
gravitacional)
Se Fr < 1 fluidizao particulada ou homognea;
Se Fr > 1 fluidizao agregativa ou coesiva ou heterognea
dpg
vFr
ofluidizademnima
-
2o Critrio: Oferece uma informao mais detalhada atravs de
correlaes:
Fluidizao Agregativa ou Coesiva ou Heterognea:
Fluidizao Particulada ou Homognea
Obs: Sempre a fluidizao homognea ou heterognea pode
ocorrer, o ideal quando temos a fluidizao homognea pois no
haver a coalescncia de bolhas, evitando gastos energticos e
problemas de baixas eficincias de operao.
D
LFr
Fluido
FluidoSlido ..Re.
D
LFr
Fluido
FluidoSlido ..Re.
100
100
-
0 - Umf - Uregime de bolhas - Uregime pistonado - Uregime turbulento - Vterminal partculas
-
RESUMINDO...
LEITO FIXO: de 0 at a Velocidade Mnima de Fluidizao
FLUIDIZAO PARTICULADA: da Velocidade Mnima de
Fluidizao at a Velocidade de Regime de Bolhas
FLUIDIZAO BORBULHANTE: da Velocidade de Regime de
Bolhas at a Velocidade de Regime Pistonado
FLUIDIZAO PISTONADA: da Velocidade de Regime
Pistonado at a Velocidade de Regime Turbulento
FLUIDIZAO TURBULENTO: da Velocidade de Regime
Turbulento at a Velocidade Terminal das Partculas
FLUIDIZAO RPIDA OU TRANSPORTE PNEUMTICO:
maior que a Velocidade Terminal das Partculas
-
1. Um reator de leito fluidizado cataltico est sendo projetado com
3m de dimetro para operar um catalisador constitudo de partculas
esfricas de 0,2 mm de dimetro e S = 2700 Kg / m3. 15 toneladas
de catalisador so empregados durante a operao normal do reator,
sendo a fluidizaco realizada com gs em reao a 5 atm e 550C.
Calcule altura mnima que dever ter o reator para manter uma vazo
de gs de 600 m3/h.
So dados : = 0,05 cP e PM = 52
leito esttico = 1300 Kg/m3 .
-
2. Partculas de alumina de 60 Mesh Tyler devem ser fluidizadas
com ar a 400C e 6 kgf/cm2 (presso manomtrica). O leito
esttico tem uma profundidade de 3 m e 2,7 m de dimetro, com
porosidade de 40 %. A densidade das partculas slidas de
3,5 ton/m3. Calcular:
a) Porosidade mnima do fluido
b) Densidade mxima do leito
c) Altura mnima do leito
d) Perda de carga
e) Velocidade mnima de fluidizao