Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina Grande, v.3, n.1, p.7-12, 2001
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FLUIDODINÂMICA DE UMA MISTURA DE PARTÍCULA EM LEITO FLUIDIZADO
F. R. Nascimento1, A. P. S. Gomes1, M. M. Almeida2 e G. F. Silva3
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo o estudo da fluidodinâmica de uma mistura milho/areia numa câmara
de leito fluidizado. No estudo foi verificado o efeito da fração ponderal do milho e da temperatura de
operação na velocidade e na porosidade mínima de fluidização da mistura. O sistema consta de um
câmara de leito fluidizado, um soprador, um aquecedor, dois rotâmetros de alta e baixa vazão, um
manômetro para medida da queda de pressão no leito e termopares para medida das temperaturas na
entrada e no interior da câmara. Os experimentos realizados consistiram em determinar a queda de
pressão com a vazão do ar crescente e decrescente para diferentes frações de milho e diferentes
temperaturas de operação. O aumento da fração de milho favorece a elevação da velocidade mínima
de fluidização da mistura e conseqüentemente aumenta a porosidade do leito. O aumento da
temperatura favorece a diminuição da velocidade mínima de fluidização com a fração de milho
constante.
Palavras Chave: produtos agrícolas, secagem, leito fluidizado, milho.
FLUIDODYNAMIC OF ONE PARTICLE MIXTURE IN FLUIDIZED BED
ABSTRACT
This work has as objective the study of the fluidodynamics of a maize/sand mixture, treated as a fluid,
in a chamber of fluidized bed. In the study the effects of the ponderal fraction of the maize and that of
the operating temperature in the speed were verified as well as the minimum porosity of fluidization
of the mixture. The system consists of a chamber of fluidized stream bed, a puffer, a heater, two
rotameters of high and low outflow, a manometer for measuring the fall of pressure in the stream bed
and thermocouples for measuring the temperatures in the input and the output of the chamber. The
carried through experiments consisted of determining the fall of pressure with the outflow of
increasing and decreasing air for different fractions of maize and different operating temperatures. The
increase of the maize fraction favors the rise of the minimum speed of fluidization of the mixture and
consequently it magnifies the porosity of the stream bed. The increase of the temperature favors the
reduction of the minimum speed of fluidization with the fraction of constant maize.
Keywords: agricultural products, drying, fluidized bed, maize.
INTRODUÇÃO
A utilização de processos inadequados
para a preservação da qualidade de produtos
agrícolas que serão submetidos à armazenagem por
um determinado período até a sua comercialização,
proporciona um elevado percentual de perdas, o
que acarreta grandes prejuízos para o agricultor
(Mourand et al. 1992; Gomide, 1983).
Freqüentemente a secagem artificial é
empregada para este propósito, exercendo total
influência sobre as características nutricionais e
organolépticas do produto tratado. Secadores em
leito fluidizado destacam-se por apresentarem
grande eficiência em virtude da alta mobilidade e
intensa mistura dos sólidos, que promovem, por
sua vez, altíssimas taxas de transferência de calor e
massa, assim como uma uniformidade de
temperatura no interior do leito (Almeida, 1993).
_______________________________
1
Alunos de Iniciação Científica
Professor do DQ/CCT/UE
Professor do DEQ/CCET/UFS, DEQ/CCET/UFS, Cidade Universitária, Jd. Rosa Elze, São Cristóvão-SE, CEP: 49.100-000,
Fax: (79)212.6684, Email: [email protected].
2
3
8
A fluidização de sólidos vem sendo
bastante utilizada nos processos industriais onde se
consegue um contato sólido-fluido mais eficiente.
A ampla utilização desse mecanismo de contato
deve-se, principalmente, a alta mobilidade e
intensa mistura dos sólidos que proporcionam, por
sua vez, altíssimas taxas de transferência de calor e
massa, e uma uniformidade de temperatura no
interior do leito (Coulson & Richardson,1968;
Geldart, 1983).
A determinação da velocidade e da
porosidade mínima de fluidização de um leito
constituído por uma mistura de partículas difere de
um leito homogêneo uma vez que a variação da
queda de pressão no leito com o aumento da
velocidade superficial do gás é diferente (Cheung
et al. 1968; Kunii & Levenspiel, 1969; Rowe &
Nienow, 1975; Tambourgi & Pereira, 1984; Wen
& Yu, 1966).
A fluidização de partículas com diâmetros
acima da faixa ideal para o processamento da
operação é usualmente melhorada pela adição de
partículas finas, onde a velocidade mínima de
fluidização se reduz. O presente trabalho refere-se
à avaliação fluidodinâmica do sistema binário
milho/areia com o objetivo de estudar a secagem
de grãos de milho por flotação num leito
fluidizado.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
O diâmetro da partícula (dp) e a massa
específica ( ) dos componentes milho/areia foram
determinados em laboratório e são mostrados na
Tabela 1.
Tabela 1. Características do materiais
Componentes
(g/cm3)
dp (mm)
Milho
1,20
7,50
Areia
2,66
0,16
O milho utilizado, do tipo destinado à
ração animal, foi adquirido no comércio de
Aracaju. Para os ensaios de secagem, este foi
umidificado, até aproximadamente 50% de
umidade inicial.
Equipamento
Nos ensaios fluidodinâmicos e de secagem
foi utilizado o sistema composto por uma coluna
de vidro de 45 cm de altura e 6,5 cm de diâmetro,
contendo uma cesta metálica de coleta e um
distribuidor na base, constituído de duas telas de
arame e um papel de filtro colocado entre as duas
com porosidade suficiente para que a perda de
carga se torne desprezível e evite a passagem de
partículas finas através dos orifícios. Foi utilizado
um ventilador de 1 CV e na sua linha foram
colocados um sistema de aquecimento e dois
rotâmetros, um para baixas e outro para altas
vazões. Na entrada da coluna foi inserido um
termopar. As tomadas de queda de pressão foram
feitas por meio de uma sonda móvel no interior da
coluna. O sistema experimental é mostrado na
Figura 1.
LEGENDA
6
5
1,2,3 - Termopares;
4
7
4- Câmara de leito fluidizado
(Coluna de vidro de 45cm de
altura e 6,5 cm de diâmetro
interno);
5,6- Rotâmetros para altas e baixas
vazões de ar;
7- Manômetro diferencial (Líquido
manométrico: água).
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Figura 1. Sistema de leito fluidizado
Procedimento Experimental
A Tabelas 2 e 3 mostram a variação da
velocidade (Vmf) e porosidade mínima de
Fluidodinâmica
fluidização (
Os ensaios para a fluidodinâmica
consistiram em determinar a queda de pressão
formada com a vazão crescente e decrescente do ar
e a expansão do leito com a vazão crescente para
diferentes frações de milho variando a temperatura
operacional.
A velocidade mínima de fluidização foi
obtida em cada ensaio a partir das curvas
características de queda de pressão, construídas
para velocidades superficiais decrescentes do ar,
utilizando o mesmo método aplicado para um
componente puro.
A porosidade mínima de fluidização foi
determinada a partir das curvas obtidas através do
gráfico ln(U/Umf)
pela variação da perda de
carga produzida com a elevação da velocidade
superficial do ar.
temperatura de operação, respectivamente.
A fração de milho fixada na análise do
efeito da temperatura na fluidodinâmica, foi
representada por aquela em que a operação ainda
transcorreu de forma definida, levando-se em conta
as condições operacionais do equipamento
utilizado. Durante os experimentos foi observado
que, para frações de milho mais elevadas, as curvas
representativas da operação apresentavam um
comportamento irregular nas condições de leito
totalmente fluidizado, possuindo características de
uma pistonagem.
Secagem
O estudo da secagem foi realizado com
duas vazões do ar de entrada no secador (838 e 390
cm3.s-1), temperatura de 70 °C e fração de 23% de
milho para análise destas condições.
Os componentes foram misturados em um
recipiente e introduzidos na cesta, de massa
conhecida, contida na câmara do secador nas
condições pré-estabelecidas. Após o equilíbrio da
temperatura foi retirada a cesta da câmara e feita a
pesagem inicial do milho retido nesta. A cada
quinze minutos foi realizada uma nova pesagem
dos grãos de milho, procedendo desta mesma
forma até atingir o equilíbrio. No final da secagem
foi determinada a massa seca do produto através de
uma estufa a 105 C por 24 horas. Com os dados
obtidos da variação da umidade com o tempo
foram construídas as curvas de secagem.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Dos resultados obtidos nos ensaios
relativos ao estudo da fluidodinâmica do sistema
milho/areia, observou-se que, embora não
houvesse uma variação significativa da porosidade
mínima de fluidização, a velocidade correspondente variou de forma diretamente proporcional à
fração e inversamente à temperatura.
mf
) em função da fração de milho e
Tabela 2. Variação da velocidade e porosidade
mínima de fluidização em função da
fração de milho mantendo a temperatura de operação a 30oC
X (%)
Vmf (cm/s)
9,0
17,0
23,0
29,0
33,0
4,33
4,75
4,95
5,78
6,12
mf
(%)
37,0
35,0
34,0
36,0
Tabela 3. Variação da velocidade e porosidade
mínima de fluidização com a
temperatura de operação mantendo a
fração de milho de 23%
T (oC)
Vmf (cm/s)
30,0
45,0
65,0
85,0
4,95
4,08
3,35
3,00
mf
(%)
34,0
35,0
33,0
37,0
Nas Figuras 2, 3 e 4 são mostrados o efeito
da fração de milho na porosidade mínima de
fluidização, o efeito da fração de milho na
velocidade mínima de fluidização e o efeito da
temperatura de operação no sistema milho/areia.
Dos ensaios realizados com a secagem foi
verificado que as curvas características possuíam
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secagem para o milho na temperatura de 70oC para
as vazões do ar de alimentação de 838cm3/s e
390cm3/s.
um comportamento semelhante, tendendo para um
mesmo ponto de equilíbrio. Com a elevação da
vazão de ar as taxas de secagem tornaram-se mais
elevadas, não sendo observados regimes de taxa
constante. Na Figura 5 são mostradas as curvas de
0 .6
mf
0 .5
0 .4
Xf =
9,0%
X f = 1 7,0%
X f = 2 3,0%
X f = 3 3,0%
0 .3
0 .0
2.0
4 .0
6.0
8 .0
V /V m f
Figura 2. Efeito da fração de milho na porosidade mínima de fluidização
12.0
P(cmH2O)
8.0
4.0
Xf = 9,0%
Xf = 17,0%
Xf = 23,0%
Xf = 29,0%
Xf = 33,0%
0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
V (cm/s)
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Figura 3. Efeito da fração de milho na velocidade mínima de fluidização
12.0
10.0
)2
O
H
m
c(
P
8.0
6.0
4.0
T = 30 o C
T = 45 o C
2.0
0.0
5.0
Figura 4. Efeito da temperatura de operação
10.0
1 5.0
20.0
25.0
V (cm/s)
para o sistema milho/areia
50.0
Q = 838 cm3/s
Q = 390 cm3/s
40.0
U (%)
30.0
20.0
10.0
0.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Tempo (h)
Figura 5. Curvas de secagem do milho natemperatura de 70oC
CONCLUSÕES
O aumento da fração de milho favorece a
elevação da velocidade mínima de fluidização da
mistura em virtude do milho possuir uma
velocidade mínima maior que a da areia.
O aumento da fração de milho diminui a
porosidade mínima de fluidização com também a
porosidade do leito.
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O aumento da temperatura favorece a
redução da velocidade mínima de fluidização
devido ao peso das partículas do leito diminuir.
O aumento da temperatura favorece o
aumento da porosidade mínima de fluidização para
mistura milho/areia.
A vazão do ar de entrada na câmara do
leito fluidizado influencia na taxa de secagem,
reduzindo o tempo de secagem do milho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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granulares. v.1, São Paulo, 1983.
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Tambourgi, E.B.; Pereira, J.A.F.R. Distribuição
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Escoamento em Meios Porosos-ENEMP, 12,
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Coulson, J.M.; Richardson, J.F. Tecnologia
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Geldart, D. Gas fluidization technology, John
Wiley & Sons, Inc. New York, 1986.
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