TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Aula 20: 01/06/2012 Escoamento em leitos porosos • • • • • • Lei de Darcy Porosidade, Diâmetro equivalente Equação de Blake-Kozeny Equação de Burke-Plummer Equação de Ergun Leitos fixos e fluidizados 1 1. Lei de Darcy Henry Darcy em 1856 demonstrou que a velocidade média (v) de um fluido newtoniano quando escoa em regime laminar dentro de um leito poroso é proporcional ao gradiente de pressão e inversamente proporcional à distância percorrida. (P) v f leito K L v = velocidade média do fluido no leito poroso K = constante que depende das propriedades do fluído e do leito poroso (-P) = queda de pressão através do leito L = percurso realizado no leito poroso 2 A equação de Darcy também pode ser escrita da seguinte maneira: (P) v f leito B f L B = coeficiente de permeabilidade, que depende apenas das propriedades físicas do leito poroso μf = viscosidade do fluído. 3 2. Equação de Poiseuille Explica o escoamento em regime laminar de um fluido newtoniano dentro de um tubo. P 32 v 2 L D Onde: ∆p é a o gradiente de pressão (N/m2) v é a velocidade do fluido no tubo (m/s) D é o diâmetro do tubo (m) L é o comprimento do tubo (m) µ é a viscosidade do fluido (Pa.s) D (P) v 32 L 2 Colocando a equação em termos da velocidade média do fluido no tubo: 4 Comparando as equações: Poiseuille Darcy modificada (P) D (P) v canal B 32 L L tortuoso 2 vno tubo Considerando o “canal tortuoso” como um tubo, relaciona-se as duas equações e obtém-se uma expressão para “B” : D2 B k D2 32 k = f(, Dp, Φp, etc.) Logo, é necessário uma equação “mais robusta”. 5 3. Dedução de um modelo para descrever a passagem de um fluido em um leito particulado Quais são as variáveis que atuam no escoamento de um fluido newtoniano em um leito de partículas sólidas rígidas? Precisamos de uma equação para descrever como varia a velocidade do fluido com a pressão aplicada, a distância percorrida (altura do leito), a viscosidade e a densidade do fluido, o diâmetro das partículas e sua esfericidade, a porosidade do leito. Primeiro para leitos fixos e (P) v canal f ( , , , Dp , p , ) depois em leitos móveis L tortuoso (ou fluidizados) 6 Considerações para as equações que serão desenvolvidas a seguir: • Fluido Newtoniano • As partículas se distribuem de forma homogênea, o que permite a formação de canais de escoamento contínuos, uniformes e em paralelo • Um leito de percurso curto (L pequeno) 7 3.1. Porosidade Lembrando que em um leito poroso existem espaços vazios (zonas sem partículas). A porosidade () é definida como a razão entre o volume do leito que não está ocupado com material sólido e o volume total do leito. Volume vazio ε Volume total do leito v0 8 Volume vazio Volume totaldo leito v0 No caso do fluxo através do leito de partículas: s = densidade da partícula sólida f = densidade do fluido Fração Vazio Sólido ε (1 ε) Volume ε (SL b ) (1 ε) (SL b ) Massa m V ε (SL b )ρf (1 ε) (SL b )ρs 9 Equação pra correlacionar a porosidade com as densidades do leito, das partículas e do fluido: mtotal leito Vtotal (densidade aparente) massa total = massa de sólidos + massa de fluido mtotal (1 ε) (SL b ) s ε (SL b )f Vtotal SL b Substituindo os termos, tem-se: leito (1 ) s f leito s ( f s ) v0 leito s f s [1] 10 3.2. Volumes no leito SLb volume total do leito SLb volume disponível para o fluxo(volume de vazios) (1 )SLb volume ocupado pelas particulas sólidas Volume total do leito Conjunto de partículas Volume = soma dos volumes unitários Leito particulado Volume total de vazios Volume total de sólidos 11 3.3. Relação entre “velocidade superficial” (fora do leito) do fluido e velocidade média do fluido no leito A vazão mássica do fluido fora do leito é igual a vazão dentro do leito: Balanço de massa m fora mleito f Q fora f Q leito f v0 S f vleito S v0 vleito [2] Quando o leito não tem partículas: Se a porosidade for 50%: v0 Área de vazios 1 0,5 vleito v0 vleito 2 v0 12 3.4. Diâmetro equivalente Como não se trata do escoamento em uma tubulação cilíndrica (pois tem-se um canal tortuoso), devemos usar o conceito de diâmetro equivalente e de raio hidráulico, cuja definição é: área transversal de fluxo Deq 4 RH 4 perimetro molhado v0 Multiplicando por (Lb/Lb) tem-se: volume disponível para o fluxo do fluido Deq 4 área de atrito entre o fluido e as partículas sólidas A área de atrito entre o fluido e as partículas sólida corresponde a área externa das partículas sólidas. 13 volume disponível para o fluxo do fluido Deq 4 área de atrito entre o fluido e as partículas sólidas Sabemos que: SLb volume disponível para fluxo(volume de vazios) (1 )SLb volume ocupado pelas particulas sólidas Se as é a área superficial por unidade de volume sólido: no de partículas área externa de uma partícula sólida as o n de partículas volume de uma partícula sólida Área de atrito = volume ocupado pelas partículas sólidas x as Substituindo essas relações no “Deq” acima tem-se: SLb Deq 4 1 SLb as Deq 4 1 as 14 Deq 4 1 as Para partículas esféricas tem-se: área superficial do sólido as volume do sólido D 6 as 3 Dp D 2 p 6 4 D p Deq 6 1 p [3] 15 3.5. Leito particulado fixo A perda de pressão no leito particulado é obtida com o Balanço de Energia: ^ Ef P1 v12 Wˆ P2 v22 z1 z2 f g 2g g f g 2g g v0 L E f 2 fF D f eq.canal P ^ 2 vleito [4] Substituindo fF para fluido Newtoniano em regime laminar tem-se: 16 16 fF Re Deq.canal vleito f f P f 32Lvleito f D eq.canal [5] 2 f 16 P f 1 2 ( P) [6] vleito Deq.canal 32 f L 32Lvleito f D eq.canal 2 v0 vleito f [2] 4 D p [3] Deq 6 1 Substituindo [3] e [6] em [2], obtém-se: Equações [7] e [8] válidas para partículas esféricas, fluido Newtoniano em regime laminar. (P) v0 2 72 (1 ) f L D 2 p 3 [7] ou 72 f Lvo 1 2 P [8] 2 3 Dp 17 Regimes de escoamento Número de Reynolds 4 D p Deq 6 1 f .v f leito.Deq.canal Re f v0 vleito Substituindo Deq [3] e vleito [2] em Re tem-se: 4 Dp v0 f Re 6 (1 ) f [9] Definição do regime do fluxo de fluido: Laminar quando Re < 10 Turbulento quando Re > 100 18 3.5.1. Regime Laminar 72 Lvo 1 P 2 3 Dp 2 De [8] Os dados experimentais revelam que o valor da constante (72) em [8] geralmente é maior, como mostra a equação abaixo: Equação de Blake-Kozeny; válida para <0,5 e Re<10 150 Lv0 1 P 2 3 Dp 2 19 Laminar Fator de Fanning k1 fF Re Turbulento f F k2 Re 20 3.5.2. Regime Turbulento Para o regime turbulento pode propor-se: fF k Agora, substituindo [2] e [3] em [4] tem-se: v0 vleito [2] 4 D p [3] Deq 6 1 L E f 2 fF D f eq.canal P ^ P Equação de Burke-Plummer (k=0,583) vleito2 [4] 3 k f v02 L 1 Dp 3 1,75 f v L 1 [10] P 3 Dp 2 0 21 Somando os dois regimes (laminar de Blake-Kozeny e turbulento de a equação geral de Ergun Burke-Plummer ), tem-se que descreve a queda de pressão de um fluido deslocando-se em um leito poroso fixo: 150 f v0 L 1 2 1,75 f v02 L 1 [11] P 2 3 3 Dp Dp Rearranjando tem-se: P Dp 150 1 , 75 2 f v0 L 1 Re 3 [12] 22 3.6. Partículas não esféricas A equação de Ergun [11] inclui a esfericidade quando as partículas não são esféricas. Para isso, o diâmetro da partícula é multiplicado pela esfericidade (phi): 150 f v0 L 1 2 1,75 f v02 L 1 P [13] 2 2 3 3 p Dp p Dp 23 4. Resposta ao fluxo superficial (velocidade v0 do fluido) Baixa velocidade O fluido não possui uma força de arraste suficiente para se sobrepor a força da gravidade e fazer com que as partículas se movimentem: Leito fixo. Alta Velocidade Se o fluido tem alta força cinética, as forças de arraste e empuxo superam a da gravidade e o leito se expande e se movimenta: Leito fluidizado. P e o aumento da velocidade superficial v0 Enquanto se estabelece a fluidização o P cresce, depois se mantém constante. Comprimento do leito quando aumenta v0 A altura (L) é constante até que se atinge o estado de fluidização depois começa a crescer. 24 5. Fluidização A fluidização 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 L2 2 L1 1 Sem fluxo Com fluxo arrastadas junto com o fluido. http://www.youtube.com/watch?feature=fvwp&NR=1&v=3_ILu2Ye8gQ http://www.youtube.com/watch?v=e5u9oW-PSy0&feature=related 25 A fluidização é empregada em: • Secagem • Mistura • Revestimento de • • • • • partículas Aglomeração de pós Aquecimento e resfriamento de sólidos Congelamento Torrefação de café Pirólise Vantagens da Fluidização: Alta mistura dos sólidos (homogeneização rápida) A área superficial das partículas sólidas fica completamente disponível para transferência de calor e de massa 26 5.1. Etapas da fluidização OA: Aumento da velocidade e da queda de pressão do fluído; AB: O leito está iniciando a fluidização; BC: Com o aumento da velocidade, há uma queda leve da pressão devido à mudança repentina da porosidade do leito; CD: O log(-∆P) varia linearmente com log(v) até o ponto D. D∞: Após o ponto D, as partículas começam a ser carregadas pelo fluído e perde-se a funcionalidade do sistema. Transporte pneumático Leito fluidizado vmf = velocidade mínima de fluidização Leito fixo va = velocidade de arraste 27 Exemplo da aplicação de fluidização em resfriamento de sólidos Saída de ar Entrada de sólidos quentes Água quente Água fria Entrada de ar Leito fluidizado distribuidor Entrada de ar Saída de sólidos frios http://www.youtube.com/watch?v=CGXr_GKhksE&feature=related 28 5.2. Tipos de fluidização (A) Fluidização particulada: Ocorre quando a densidade das partículas é parecida com a do fluido e o diâmetro das partículas é pequeno. Video sobre fluidização particulada: http://www.youtube.com/watch?v=waohqAsKCxU&feature=related 29 (B) Fluidização agregativa: Ocorre quando as densidades das partículas e do fluído são muito diferentes ou quando o diâmetro das partículas é grande. Video sobre fluidização agregativa: http://www.youtube.com/watch?v=NXJhjhQFBNk&NR=1 http://www.youtube.com/watch?v=8n78CDI3GoU&feature=related 30 5.3. 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: S L1 (1 1 ) S L2 (1 2 ) volume de sólidos no leito fixo volume de sólidos no leito fluidizado [14] S S L2 (1 1 ) L1 (1 2 ) L2 2 L1 1 31 Sem fluxo Com fluxo 5.4. 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). Fp 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). Fe Logo, Fp + Fe = Fg Fg http://www.youtube.com/watch?v=nGovDPNvSDI&feature=related 32 Sabe-se que Fe Fp Fp P. S Fg msólidos g p SL(1 ) g Fe m fluido deslocado g f SL(1 ) g Fazendo L Fp + Fe = Fg tem-se: P ( p f )(1 ) g L [15] Fg 33 5.4.1. vmf para regime laminar Para esse regime, a parte final da equação de Ergun [13] é insignificante em relação à primeira, logo temos: (1 ) 2 f (1 ) f 2 P 150 2 3 2 v0 1,75 v0 3 L p Dp p Dp Rearranjando com a equação [15] tem-se: vmf 2 3 ( ) p f 1 p mf g.Dp2 150 (1 mf ) f [16] 34 5.4.2. vmf para regime turbulento Para esse regime, a parte inicial da equação de Ergun [13] é insignificante em relação à segunda, logo temos: (1 ) 2 f (1 ) f 2 P 150 2 3 2 v0 1,75 v0 3 L p Dp p Dp Rearranjando com a equação [15] tem-se: vmf p f 3 0,756 g p ( mf ) Dp f 1/ 2 [17] 35 5.5. Porosidade mínima de fluidização Para determiná-la, usam-se as seguintes relações: mf Vvazios mf Vleito mf Vleito mf Vtotal de partículas sólidas Vleitomf Experimentalmente: p . 3 mf 1 14 36 Exercícios de Fluidização 37 Ex. 1: Um leito fluidizado possui 80 kg de partículas de diâmetro 60 µm ( = 0,8) e densidade 2500 kg/m3. O diâmetro do leito é 40 cm e a altura mínima de fluidização é 50 cm. O fluido ascendente é ar ( = 0,62 kg/m3), que flui em regime turbulento no leito. Calcule: (a) A porosidade mínima de fluidização. (b) A perda de carga na altura mínima de fluidização. (c) A velocidade mínima de fluidização (a) Volume de sólidos = 80kg / 2500 kg/m3 = 0,032 m3. Para uma porosidade de 0 (1= zero), a altura do leito considerando apenas sólidos seria de: L1=Volume/Área=0,032m3/0,1256m2=0,2548 m Usando [14] tem-se: S L1 (1 1 ) S L2 (1 2 ) 0,2548m(1 0) 0,5m(1 2 ) 2 0,49 No início da fluidização, o leito possui 49% de seu volume ocupado com ar e os 51% restantes com partículas sólidas Também poderia ser resolvido por: mf Vvazios mf Vleito mf Vleito mf Vtotal de partículas sólidas Vleito mf 38 (b) De [15] tem-se: P ( p f )(1 mf ) g Lmf P 0,50(2550 0,62)(1 0,49)9,8 6246Pa Na altura mínima de fluidização, a perda de carga no leito poroso será de 6,3kPa (c) De [13] tem-se: 150 f vmf Lmf 1 2 1,75 f vmf2 Lmf 1 P 2 2 3 p Dp mf p Dp mf3 vmf _______m / s Quando o fluido atingir Vmf se iniciará a fluidização do leito. 39 4 Dp v0 f Re 6 (1 ) f f f Dp vmf v0 vmf 0,175 Re ? Tipo de escoamento Consistência? 40 Exercício 2: Velocidade mínima de fluidização Partículas sólidas possuindo diâmetro de 0,12mm, esfericidade de 0,88 e densidade de 1000kg/m3 irão ser fluidizadas com ar a 2 atm e 25ºC (=1,84.10-5 Pa.s; =2,37kg/m3). A porosidade mínima de fluidização é 0,42. Com essas informações encontre: (a) A altura mínima de fluidização considerando a seção transversal do leito vazio de 0,30m2 e que o leito contém 300kg de sólidos. (b) Encontre a queda de pressão nas condições de fluidização mínima. (c) Encontre a velocidade mínima de fluidização (a) Volume de sólidos = 300kg / 1000 kg/m3 = 0,3 m3 Para uma porosidade de 0 (1= zero), a altura do leito considerando apenas sólidos seria de: L1=0,3m3/0,3m2=1m Usando [14] tem-se: S L1 (1 1 ) S L2 (1 2 ) L2 1m(1 0) 1,72m (1 0,42) No início da fluidização, o leito terá 1,72m 41 (b) De [15] tem-se: P ( p f )(1 mf ) g Lmf P 1,72(1000 2,37)(1 0,42)9,8 9753Pa Na altura mínima de fluidização, a perda de carga no leito será 9,7kPa (c) De [15](condições de mínima fluidização) em [13] (Ergun) tem-se: 9753Pa 9753Pa 150 f vmf Lmf 1 mf D 2 p mf 2 p 2 3 150(1,84.105 )vmf (1,72) 1 0,422 2 (0,88) (0,00012) 2 3 0,42 1,75 f vmf2 Lmf 1 mf p Dp mf 3 1,75(2,37)vmf2 (1,72) 1 0,42 0,88(0,00012) 0,423 Resolvendo tem-se: vmf = 0,00504 m/s Quando o fluido atingir 0,00504 m/s, a fluidização do leito será iniciada. 42 Exercício 3: Velocidade mínima de fluidização e expansão do leito Partículas sólidas possuindo diâmetro de 0,10mm, esfericidade de 0,86 e densidade de 1200kg/m3 irão ser fluidizadas com ar a 2atm e 25ºC (=1,84.10-5 Pa.s; =2,37kg/m3). A porosidade mínima de fluidização é 0,43. O diâmetro do leito é de 0,60m e contém 350kg de sólidos. Com essas informações encontre: (a) A altura mínima de fluidização. (b) Encontre a queda de pressão nas condições de fluidização mínima. (c) Encontre a velocidade mínima de fluidização. (d) Utilizando 4 vezes a velocidade mínima, estime a porosidade do leito. Itens (a), (b) e (c) são resolvidos da mesma maneira que o exercício anterior. Respostas: (a) 1,81m; (b) 12120Pa; 43 (c) 0,004374m/s. (d) De [15] em [13] (Ergun) tem-se: ( p f )(1 ) g 150 f v 1 D 2 p 2 p 2 3 150(1,84.105 )(4 * 0,004374) 1 (1200 2,37)(1 ) g (0,86) 2 (0,0001) 2 3 1,75 f v 2 1 p Dp 2 3 1,75(2,37)(4 * 0,004374) 2 1 0,86(0,0001) 3 Resolvendo tem-se: = 0,605 Quando o fluido atingir quatro vezes a velocidade mínima de fluidização, a porosidade do leito será de 0,605, ou seja, 60,5% do volume do leito ocupado com fluido e 39,5% do volume do leito ocupado com as partículas sólidas. 44 Exercício 4: Fluidização em um filtro de areia Para limpar um filtro de areia, ele é fluidizado à condições mínimas utilizando água a 24ºC. As partículas arredondadas de areia possuem densidade de 2550 kg/m3 e um tamanho médio de 0,40mm. A areai possui as seguintes propriedades: esfericidade de 0,86 e porosidade mínima de fluidização de 0,42. (a) O diâmetro do leito é 0,40m e a altura desejada do leito para as condições mínimas de fluidização é 1,75m. Calcule a quantidade de sólidos necessários (massa de areia). (b) Encontre a queda de pressão nessas condições, e a velocidade mínima de fluidização. (c) Utilizando 4 vezes a velocidade mínima de fluidização, estime a porosidade e altura do leito expandido. (a) 325,08kg Respostas: (b) 15418Pa; 0,00096 m/s (b) = 0,536; 2,16m 45