CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU
Universidade Federal de Uberlândia
Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação
DIRETORIA DE PESQUISA
COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
2008 – UFU 30 anos
ASPECTOS FLUIDODINÂMICOS DE LEITO FLUIDIZADO CIRCULANTE
T. J. P. de Oliveira1; C. H. Ataide2
1-Graduando em Engenharia Química FEQ/UFU
2-Docente Faculdade de Engenharia Química – Universidade Federal de Uberlândia
Av. João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Bloco K
CEP: 38400 902 – Uberlândia (MG) – Brasil
Telefone: (0-xx-34) 3239 4249 ramal 211 – Fax: (0-xx-34) 3239 4189
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Resumo – Um sistema de fluidização circulante é composto por um leito de fluidização rápida, um
separador gás-sólido, um standpipe e um sistema de reciclo. As partículas se movem por esses
componentes continuamente. Uma das mais importantes variáveis operacionais no projeto de uma
unidade de fluidização é a determinação da velocidade mínima de fluidização umf que é a menor
velocidade na qual todas as partículas estão suspensas pelo gás. O objetivo principal deste
trabalho foi determinar experimentalmente a umf de algumas partículas como: esferas de vidro e
FCC. O procedimento para determinar a umf consiste em obter o ponto em que a queda de pressão
diminui com o aumento da velocidade superficial do gás de entrada. Os dados obtidos através da
flutuação da pressão no leito foram processados e analisadas num microcomputador com o auxilio
do software LabView versão 6.1. Esses dados permitiram analisar técnicas experimentais na
determinação da umf de partículas de pequenos diâmetros.
Palavras-Chave: partículas finas, fluidodinâmica, mínima fluidização, arraste, ciclone dipleg
1. INTRODUÇÃO
A introdução de gás pela base em um leito contendo sólidos pode causar a fluidização das
partículas e com o aumento gradual da velocidade de fluidização alguns regimes podem ser
identificados no leito, são eles: leito fixo, fluidização borbulhante, fluidização slugging, fluidização
turbulenta, fluidização rápida e transporte pneumático (Grace et al, 1997).
Quando um fluido escoa através de um leito de partículas, a uma baixa vazão, o fluido
apenas percola os espaços entre as partículas estacionadas, caracterizando o leito fixo de sólidos. A
transição do leito fixo para o leito fluidizado é delineada pela velocidade de mínima fluidização umf,
que é a menor velocidade na qual todas as partículas estão suspensas pelo gás (Kunni e Levenspiel,
1991). Essa velocidade pode ser determinada obtendo-se o ponto em que a queda de pressão no
leito diminui com o aumento da velocidade superficial do gás de entrada, após um aumento
continuo que ocorre enquanto o leito está fixo (Grace et al, 1997). Neste método a umf é
determinada a partir de dados de desvio padrão de pressão no leito pela velocidade superficial do
gás.
Nesse sistema utiliza-se, freqüentemente, a fluidização rápida na base do leito que pode
corresponder a fluidização turbulenta ou borbulhante. A velocidade do gás que fluidiza o leito varia
de 3 a 16 m/s, o tamanho das partículas pode variar de 0,05 a 0,5 mm (Grace et al., 1997). Segundo
Grace et al. (1997) um sistema de leito fluidizado circulante comparado com os leitos
convencionais de fluidização lenta, apresenta as seguintes vantagens e desvantagens:
Vantagens: aumenta o contato gás-sólido devido à falta de bolhas; reduz a dispersão axial do
gás; reduz a área de seção transversal do leito, devido à alta velocidade superficial do gás; menor
tendência de apresentar segregação ou aglomeração das partículas; altos fluxos de sólidos pelo leito.
Desvantagens: necessita de um aumento na altura do leito; custo mais alto; faixa mais
restrita de partículas (dureza e tamanho) que o leito é capaz de trabalhar; design mais complexo e
dificuldade de operar o sistema de recirculação; aumenta o atrito entre as partículas.
Os principais desafios fluidodinâmicos do sistema no presente trabalho são: projeto do
separador gás-sólido, a determinação do fluxo de arraste no leito, definição das condições de
operação que otimizem a eficiência do ciclone, ajuste das vazões de gás ao longo do leito e na
válvula do tipo loop-seal.
As principais aplicações industriais do leito fluidizado com ciclone dipleg como separador
são em leitos fluidizados circulantes, entre eles: craqueamento catalítico do petróleo (FCC - fluid
catalytic cracking), que converte o petróleo em gasolina ou óleo combustível; leitos fluidizados para
combustão (CFBC - circulating fluidized bed combustion); incineração de resíduos sólidos;
desidratação do ácido bórico; produção de cimento; oxidação do butano para anidrido maleico;
epoxidação do etileno, GRACE et al. (1997). No presente trabalho foram estudadas três partículas
finas Geldart (A e C): Duas esferas de vidro que se diferenciam pelos diâmetros médios e uma
partícula do tipo FCC (FCC – fluid catalytic cracking).
2. METODOLOGIA
O leito fluidizado disponível do laboratório foi construído com uma coluna de acrílico, para
permitir a observação visual do fenômeno físico. Esta coluna possui 1650mm de altura, 100mm de
diâmetro interno e 5mm de espessura. O plenum com 98mm de comprimento e 100mm de diâmetro
interno foi acoplado ao leito por meio de flanges. A flange que está acoplada ao plenum, foi
rebaixada 3mm para colocar o distribuidor de ar (placa de material sinterizado) foi recoberto por
uma tela de nylon com abertura de 10 mesh para evitar a passagem de materiais, principalmente as
partículas mais finas (do tipo C de Geldart). À base da coluna foi equipada com um sistema de
flanges para permitir a troca do distribuidor de ar. O leito painel fluidizado possui seis pontos de
amostragem de pressão, sendo cinco pontos instalados na coluna do leito, acima do distribuidor de
ar e 1 instalado no plenum a 45mm abaixo do distribuidor de ar. Para a aquisição de dados on-line
de pressão utilizaremos transdutores de pressão, um bloco conector, placa de aquisição de dados e
2
Software LABVIEW TM for Windows. O LABVIEW é uma linguagem de programação gráfica
que usa ícones em vez de linhas de texto para criar as aplicações. Em contraste com a linguagem de
programação texto, onde instruções determinam a execução do programa, o LABVIEW, emprega
fluxo de dados para programação, onde este fluxo determina a execução do programa. No
LABVIEW, constrói-se uma interface do usuário usando um jogo de ferramentas e objetos. Esta
interface é conhecida como o frontal. Então se acrescenta código usando representações gráficas de
funções para controlar os objetos do painel frontal. O diagrama de bloco contém estes códigos. Se
corretamente organizado, o diagrama bloco se assemelha a um fluxograma. Um esquema da
unidade piloto para o desenvolvimento do projeto e o tipo de ciclone a ser usado são mostrados na
Figura 2.1.
Figura 2.1 Esquema da unidade Experimental
2.1 As partículas utilizadas:
Os sólidos utilizados nos experimentos foram partículas suporte para catalisador ou Fluid
Catalytic Cracking (FCC) e esferas de vidro. As partículas de FCC são usadas no craqueamento
catalítico do petróleo e foram adquiridas junto a Fabrica Carioca de Catalisadores SA. As esferas de
vidro foram adquiridas com a empresa Zirtec SA. A Tabela 2.1 mostra as propriedades físicas
desses sólidos utilizados.
Tabela 2.1 Propriedades Físicas dos Sólidos
Material
Esferas de
vidro
Esferas de
vidro
FCC
Faixa de dpi (µm)
dp (µm)
7,8 − 60,8
32,43
53 − 105
26,5 −104,8
(g/cm3 )
Geldart
Símbolo
2,50
A
EV1
86,27
2,5
A
EV2
59,46
2,32 ±0,03
A
FCC
ρs
3
Os diâmetros médios das partículas foram obtidos através do equipamento Mastersizer
Microplus MAF 5001, adequado para partículas de tamanhos entre 0,1 e 550µm. Nas análises a
velocidade de rotação usada foi de 2500 rpm, para que a amostra fosse bem homogeneizada. As
medidas foram feitas em suspensão, utilizando-se água destilada e deionizada. O banho ultrassônico
foi usado por um período de 30s, para evitar aglomeração das partículas. Foi utilizado o dispersante
Calgon. As determinações das densidades aparentes do FCC foram feitas através da técnica de
picnômetria. Foi utilizada água como fluido.
2.2. Influência do tamanho e da densidade das partículas
Segundo Kunni e Levenspiel (1991) Geldart estudou o comportamento das partículas sólidas
e as dividiu em quatro grupos com comportamentos bastante distintos. São eles;
a)
Grupo C - são partículas coesivas e bastante finas, geralmente a fluidização é
difícil porque a força entre as partículas é maior que a exercida pelo gás. Uma
forma de se processar essas partículas é usá-las em conjunto com partículas
maiores, preferencialmente Geldart B. Exemplos desses sólidos são: pó facial e
amido (Kunni e Levenspiel, 1991). As partículas do grupo C são de particular
interesse para a área industrial, pois são usadas como catalisadores, na indústria
cerâmica ou como pós-magnéticos. Alguns problemas podem acontecer durante a
fluidização, como: formação de canais preferenciais e aglomeração das partículas
ou a combinações dessas condições. Durante a fluidização desses sólidos na base
há a presença de grandes aglomerados e a formação de canais preferenciais, no
meio as aglomerações se tornam menores e no topo o tamanho das aglomerações
diminui ainda mais e ocorre uma fase menos densa com presença inclusive de
partículas não associadas. A passagem desses aglomerados repetidamente por um
sistema circulante faz com que eles se tornem de tamanhos constantes, por isso a
fluidização circulante se mostra eficiente para processar essas partículas (Li et al.,
1999).
b)
Grupo A – partículas com pequenos diâmetros médios e/ou baixas densidades
(<1,4 g/cm3). Esses sólidos fluidizam facilmente em baixas velocidades de gás e
em altas velocidades de gás deve-se controlar a formação de bolhas. Quando esses
sólidos são fluidizados, o leito se expande consideravelmente após a velocidade
de mínima fluidização e antes que as bolhas apareçam. Em velocidades do gás
maiores que a mínima velocidade de bolha, o leito é chamado de borbulhante e se
comporta da seguinte forma: as bolhas são mais rápidas que o restante do gás, as
bolhas se rompem ou se juntam continuamente e vazões altas de sólidos só
ocorrem quando poucas bolhas estão presentes. Quando se acrescenta partícula
mais fina (Geldart C) elas agem como lubrificantes e tornam a fluidização mais
fácil (Kunni e Levenspiel, 1991).
c)
Grupo B – partículas com diâmetros médios entre 40 e 500 µm e densidades entre
1,4 e 4 g/cm3. Essas partículas fluidizam bem com vigorosa ação das bolhas e
rápidos crescimentos das mesmas, que aparecem logo após a velocidade de
mínima fluidização. Com altas velocidades de gás o leito apresenta: pequenas
bolhas que crescem e se desfazem ao subir pelo leito, velocidade das bolhas maior
que a do gás e altas vazões de sólidos (Kunni e Levenspiel, 1991).
d)
Grupo D – partículas grandes e densas apresentam fluidização difícil, com grande
explosão de bolhas e formação de canais preferenciais. Nos leitos fluidizados com
essas partículas as bolhas se unem se tornando grandes, as bolhas são mais lentas
que o gás e a fase densa tem baixa porosidade. Um exemplo de sólido Geldart D é
o café em forma de grãos a serem secos (Kunni e Levenspiel, 1991).
4
Figura 2.2 Classificação de Geldart C.
A classificação de Geldart é dada em função da diferença de densidades entre o sólido e o
fluido e do tamanho médio das partículas. A Figura 2.2 traz o diagrama que mostra essa
classificação. A classificação foi feita em condições ambientes, mas algumas mudanças estão sendo
propostas, um exemplo é a classificação de certas partículas como A ou C, propõe-se que exista
uma região de transição entre essas duas classificações, na qual as partículas apresentam
características referentes aos dois grupos (Kunni e Levenspiel, 1991).
2.3. As Medidas de Velocidades:
As medidas de velocidade e temperatura do ar de fluidização para o leito foram realizados
com o termoanemômetro da marca Velocicalc Plus e modelo 8384-M, as faixas de operação desse
equipamento se encontram na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 Faixas de operação para o termoanemômetro.
Faixa de
Variáveis
Precisão
Operação
Velocidade
Temperatura
0 à 50 m/s
-18 à 93°C
± 0,015 m/s
± 0,3 °C
2.4. O sistema de fluidização circulante
Um sistema de fluidização circulante é composto por um leito de fluidização rápida, um
separador gás-sólido, um standpipe e um sistema de reciclo. As partículas se movem por esses
componentes continuamente, BASU e CHENG (2000). No termo leito fluidizado circulante, leito
fluidizado significa que as partículas são suportadas pelo fluido e existe uma significante suspensão
das mesmas, circulante denota que existe um sistema para separação dessas partículas e outro para o
retorno delas ao leito. Nesse sistema se usa a fluidização rápida na base do leito. O ciclone dipleg é
bastante utilizado por possuir um standpipe como tubo de descarga de sólidos (underflow). Esses
ciclones devem ser bem dimensionados, já que se isso não ocorrer, a eficiência de coleta é
prejudicada e há a conseqüente perda de material, GRACE et al. (1997).
5
Segundo GRACE et al. (1997) standpipe é um tubo por onde os sólidos escoam em fase
densa ou diluída. Seu objetivo é transferir os sólidos de uma região de pressão mais baixa para uma
de pressão mais alta. Essa transferência se torna possível pela ação da força da gravidade (os sólidos
se acumulam na base) desde que haja um escoamento contracorrente de gás em relação aos sólidos,
na base do standpipe. Portanto esse sistema permite que os sólidos vençam gradientes negativos de
pressão. A Figura 2.3 mostra o esquema de um leito fluidizado circulante que possui como sistema
de recirculação um ciclone e uma válvula do tipo loop seal
Figura 2.3 Esquema de um leito fluidizado circulante.
2.5. Método do desvio padrão da pressão no leito
Analisa os desvios padrão das medidas de queda de pressão no leito. Esse método não
interrompe a operação de fluidização, sendo mais adequado às unidades industriais. O desvio
padrão da pressão no leito é uma função linear em relação à velocidade superficial do gás e umf
ocorre quando esse desvio é nulo, essa linearidade é válida para valores de u0 < 2,5umf, Puncochar
et al (1984).
2.6. Método da queda de pressão no leito
Analisa a queda de pressão no leito durante a desfluidização. Esse método é bastante
utilizado, porém não é aplicável a uma unidade industrial sem a necessidade da interrupção do
processo de fluidização.
Nesse método convencional os valores de umf são determinados analisando-se a curva de
queda de pressão relacionada à velocidade do gás de fluidização (u0). A intersecção da linha de leito
fixo com a linha horizontal representa a velocidade de fluidização completa (ufc). Para partículas
finas uma outra curva, entre as linhas de leito fixo e fluidização completa é observada e indica a
velocidade de fluidização incipiente (uic), Richardson (1971).
3.DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
3.1. Caracterização fluidodinâmica das partículas
6
Os dois métodos experimentais (QP e DP), anteriormente citados, foram utilizados. Os
resultados obtidos foram comparados a algumas correlações para previsão desse parâmetro: Ergun
(1952), Wen e Yu (1966) e Grawel e Saxena (1980).
As Figuras 3.1, 3.2, 3.3, mostram os resultados experimentais para as velocidades de mínima
fluidização, utilizando-se o método da queda de pressão no leito e o método do desvio padrão da
pressão no leito. Os resultados são apresentados para as partículas EV1, EV2, FCC,
respectivamente.
(a)
(b)
Figura 3.1: Caracterização da condição de mínima fluidização para EV1: (a) Método da
queda de pressão no leito, (b) Método do desvio padrão da pressão no leito.
(a)
(b)
Figura 3.2: Caracterização da condição de mínima fluidização para EV2: (a) Método da
queda de pressão no leito, (b) Método do desvio padrão da pressão no leito.
(a)
(b)
Figura 3.3: Caracterização da condição de mínima fluidização para FCC: (a) Método da
queda de pressão no leito, (b) Método do desvio padrão da pressão no leito.
7
As velocidades incipientes e de fluidização completa também apresentam o mesmo
comportamento em relação ao diâmetro médio dos materiais. Os dois métodos apresentam
resultados bastante distintos entre si, sendo que o método da queda de pressão apresentou resultados
superiores aos do método do desvio padrão. Os valores de velocidades de mínima fluidização
obtidos nas figuras e os previstos pelas três correlações utilizadas são mostrados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Resultados e valores
QP
DP
Materiais
(m/s)
(m/s)
EV1
0,0197
0,0045
EV2
0,0162
0,0043
FCC
0,0176
0,0034
para as velocidades de mínima fluidização
Ergun
Wen e
Grewal e Saxena
(m/s) Yu (m/s)
(m/s)
0,0008 0,0008
0,0010
0,0008
0,0007 0,0007
0,0026 0,0026
0,0030
3.2. Sistema de fluidização Circulante
As partículas utilizadas foram caracterizadas determinando-se experimentalmente as quedas
de pressão ao longo do leito em função da velocidade de fluidização.
Os métodos experimentais utilizados na obtenção dos dados foram os métodos da queda de
pressão no leito e o método do desvio padrão da pressão no leito. As Figuras 3.4, 3.5, 3.6 mostram
os resultados obtidos experimentalmente para as velocidades de fluidização, utilizando os métodos
citados anteriormente. Os resultados são apresentados para as partículas EV1, EV2 e FCC
respectivamente.
EV2 - Queda de Pressão em relação a
velocidade de escoamento
EV1- Queda de Pressão em relação a
velocidade de escoamento
5
7
6
5
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
15
Perda Carga (in WC)
17
19
21
1
23
3
5
7
9
11
13
Perda Carga (in WC)
Vmf (m/s)
15
17
19
21
23
Vmf (m/s)
Figura 3.4 Queda de Pressão da partícula EV1. Figura 3.5 Queda de Pressão da Partícula EV2.
FCC - Queda de Pressão em relação a
velocidade de escoamento
5
4
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11
13
Perda Carga (in WC)
15
17
19
21
23
Vmf (m/s)
Figura 3.6 Queda de Pressão da Partícula FCC.
8
Os experimentos foram realizados em um período de tempo aproximadamente de 5 minutos
onde foram obtidos os dados de queda de pressão e desvio padrão em função de uma determinada
velocidade. Através das Figuras 3.4, 3.5, 3.6, podemos analisar através dos gráficos o
comportamento das partículas de acordo com cada valor de velocidade analisada.
Para a Esfera de Vidro EV1 observa-se que no experimento realizado que para o leito
fluidizado circulante os dados que se aproximam de uma condição ideal, ou seja, condição em que a
queda de pressão e o desvio padrão permanecem constantes, condição necessária para que se avalie
um leito fluidizado circulante. Temos que para a EV1 a velocidade que mais se aproxima de uma
condição ideal de circulação foi para v = 3,7 m/s, pois para essa velocidade foram verificadas
pequenas variações na queda de pressão ao longo do leito, como pode ser verificado pela Figura
3.4.
Enquanto que para a partícula EV2 apresentou um comportamento constante para varias
medidas de velocidade, conseguindo em determinadas velocidades a condição ideal para circulação,
onde a queda de pressão permaneceu constante em toda extensão do leito. Fato este que pode ser
verificado através da Figura 3.5 em podemos verificar a pequena variação da queda de pressão.
Já o comportamento do FCC verificou-se pontos em que a queda de pressão foi constante
apenas para baixas velocidades de fluidização v = 2,6 m/s apresentando pontos em que a queda de
pressão manteve-se constante. Pode ser verificado também na análise da Figura 3.6 que para valores
de velocidades mais altas o FCC não apresenta um comportamento ideal, onde há uma grande
oscilação na queda de pressão.
4. AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente aos meus pais, Antônio Eni de Oliveira e Silvia Maria P. F. de
Oliveira, pelo incentivo e dedicação com meus estudos;
Agradeço aos meus amigos que sempre me apoiaram;
Agradeço ao meu orientador, Carlos Henrique Ataíde, pelo apoio dado na construção desse
trabalho;
Agradeço a mestranda, Cássia Regina Cardoso, pela colaboração na construção desse
trabalho;
Agradeço ao Aluno de Iniciação Cientifica, Dorcínio Fiúza Gomes Neto, pela colaboração e
auxilio na realização desse trabalho;
Agradeço ao funcionário, Anísio, pela contribuição prestada na idealização de projetos para
o desenvolvimento desse trabalho;
Agradeço ao CNPq pelo incentivo e dedicação com o desenvolvimento de pesquisas.
5. REFERÊNCIAS
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Institution of Chemical Engineers, v. 78, p.991, 2000.
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121, p.190, 2001.
9
CORTES, C. E GIL, A., Modeling the Gas and Particle Flow Inside Cyclone Separators. Progress
in Energy and Combustion Science, v. 33, p. 409, 2007.
GRACE, J. R., KNOWLTON, T. M e AVIDAN, Circulating Fluidized Bed, Blackie Academic and
Professional (Chapman & Hall), London (England), 1997. 608 p.
KIM, S. W. e KIM, S. D., Effects of particle properties on solids recycle in loop-seal of a
circulating fluidized bed, Powder Technology, v. 124, n. 1-2, p. 76-84, 2002.
KUNNI, D. e LEVENSPIEL, O. Fluidization Engineering, second edition, Butterworth-Heinemann
Series in Chemical Engineering, Newton MA (USA), 1991. 491 p.
LI, H., HONG, R. E WANG, Z., Fluidizing ultrafine powders with circulating fluidized bed.
Chemical Engineering Science, v. 54, p.5609, 1999.
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ROMEO, L. M. e VELLILA, J., Velocity measurements in pfbc cyclone separator systems dip legs
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WANG, J., BOUMA, J. H. e DRIES H., An experimental study of cyclone dipleg flow in fluidized
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Dekker (CRC), Inc., New York (USA), 2003.1868 p.
ASPECT HIDRODYNAMICS OF BED FLUIDIZED CIRCULATING
T. J. P. de Oliveira1; C. H. Ataide2
1-Graduation of Chemical Engineer FEQ/UFU
2-Docent Faculty of Chemical Engineer – Universidade Federal de Uberlândia
Av. João Naves de Ávila, 2121 – Campus Santa Mônica – Bloco K
CEP: 38400 902 – Uberlândia (MG) – Brasil
Telefone: (0-xx-34) 3239 4249 ramal 211 – Fax: (0-xx-34) 3239 4189
Email: [email protected]
Abstract: A system of fluidization circulating is composed by a bed of fast fluidization, a separator
of gas-solid, a standpipe and a recycle system. The particles are moved by these components
continuously. One of the most important variables operational in the Project of one unity of
fluidization is the determination of the minimum speed of the fluidization that is the least speed in
which all the particles are lifted by the gas. The principal objective of this work is determined
experimentally an umf of some particles like glass spheres and FCC. The proceeding to determine
the umf consists in obtaining the point in which the fall of pressure reduces with the increase of the
superficial speed of the gas in the entry. The data obtained through the fluctuation of the pressure
in the bed were prosecuted and analyzed in a computed with the help of the software LabView
version 6.1 experimental techniques allowed these data to analyze in the determination of umf of
particles from the small diameters.
Keywords: Fine particles, hydrodynamics, minimum fluidization, entrainment, cyclone dipleg
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