Relatório de IEQ- Fluidização PDF

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Professora Cristina Gaudêncio. Nota obtida: 15...

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UNIVERSIDADE DE COIMBRA FCTUC- FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA MIEQ- MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA QUÍMICA

Trabalho Laboratorial O processo de fluidização

Ana Rute da Silva Vieira Francisco Miguel Brandão Júlia Guimaraens Souza Ricardo Filipe Baptista Pinho

Coimbra, 30 de Dezembro de 2017

Resumo

Nesta atividade laboratorial, o principal objetivo foi, para além da realização do processo de fluidização gás-sólido, conhecer a atividade para que mais tarde se possa aplica-la, visto que este processo é utilizado em vários equipamentos da indústria química. Na fluidização gás-sólido, a introdução de ar comprimido e o aumento da velocidade de escoamento do fluido através do leito vai originar primeiramente a sua expansão, nesta primeira parte a fluidização é uniforme porque a velocidade de escoamento é relativamente baixa. Atingida a fluidização mínima, procedesse ao aumento progressivo da velocidade formando-se duas fases distintas: uma de emulsão e outra de bolhas. Diz se então que a fluidização é heterogénea. As características de fluidização dependem não só do fluido utilizado, mas também do tipo de enchimento do leito.

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Introdução teórica O processo de fluidização consiste na operação onde as partículas sólidas são transformadas em um estado intermediário, através da suspensão em um gás ou líquido, proporcionando a circulação desse sólido juntamente com um fluido. A porosidade é uma característica essencial na fluidização, pois possibilita o armazenamento de um fluido no material sólido. Portanto, esse processo tem como objetivo evitar regiões estagnadas no leito. A eficiência da fluidização depende do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. A qual é definida quando a pressão se torna igual ao peso do fluido e das partículas, assim o leito é considerado como fluidizado e se atinge a velocidade mínima para tal processo. Diante desse método, é possível observar inúmeros fenômenos físicos. A medida que o caudal aumenta, a velocidade de escoamento no leito aumenta. Como também, a velocidades muito baixas, o fluido percorre pequenos canais, perdendo energia e pressão. Além disso, o maior contato superficial entre sólido e fluido favorece a transferência de massa e de calor.

Equações necessárias para o experimento:

1: Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 + á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 2: Porosidade (𝜀 ) 𝜀=

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

3: Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑥 𝐿 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥 𝐿 − Á𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑥 𝐿 4: Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

𝜋 𝑥 (𝑑𝑖â𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜)2 4

5: Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 = 𝜋𝑟 2 6: 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =

𝑄 Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

6: Equação de Ergun 2 1,75(1 − ) 𝑓 𝑢𝑠 ΔP 150(1 − )2 𝑢𝑠 + = (𝑑𝑝 )2  𝑑𝑝 3 3 𝐿 Legenda - Q: caudal volumétrico

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Parte experimental

1. Anotamos a altura do leito e a medida dos tubos de pitot exterior à coluna com enchimento. 2. Abrimos cuidadosamente a válvula de ar comprimido. 3. Anotamos para cada posição escolhida no rotâmetro (de 1 em 1), a altura do leito fluidizado e a diferença de pressão no manómetro, até que o leito ficou completamente fluidizado. 4. Depois de atingirmos, no rotâmetro, a posição que manteve o leito totalmente fluidizado (diferença de pressão constante), começamos a fechar cuidadosamente a válvula. 5. Anotamos para cada posição escolhida no rotâmetro (de 1 em 1), a altura do leito fluidizado e a diferença de pressão no manómetro, até fecharmos a válvula completamente. 6. Anotamos a altura do leito, apos o fecho total da válvula.

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Legenda: 1-

3 4 5

2

Figura 1 - Esquema de montagem

3

2-

Sistema de ar comprimido Válvula de agulha

34-

Rotâmetro Coluna com enchimento

5-

Manómetro ar-água

6-

Tubos de pitot

Apresentação e discussão de resultados

0,140 m 0,015 m

0,295 m 0,370 m C = 0,05 m

Figura 2 - Esquema da disposição dos tubos de pitot

Os valores padrão que serão utilizados em cálculos futuros estão descritos na tabela 1, os valores alusivos às propriedades do fluído, ar, têm em conta a temperatura do meio de 20ºC. para o calculo do valor de c, recorremos ao esquema representado na figura 2.

Tabela 1 - Valores necessários a cálculos futuros

c (L) Densidade do ar – ρf Viscosidade do ar - μ Diâmetro interno Diâmetro medio das partículas - dp

0,05 m 1,2013 kg m-3 18,20 × 10 -6 kg/m.s 0,063 m 168,5 × 10 -6 m

Esfericidade - Φ 1 Porosidade do leito - ε 0,343 Comprimento dos tubos de pitot 0,295 m e 0,370 m

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1. Perda de carga por unidade de comprimento do leito em função da velocidade superficial de escoamento do fluido:

No Gráfico 1 podemos ver a representação gráfica dos valores obtidos quanto à perda de carga do leito em função da velocidade superficial de escoamento do ar, isto quando é realizado o aumento do seu caudal. Já no gráfico 2 podemos ver a representação gráfica dos valores obtidos quanto à perda de carga do leito em função da velocidade superficial de escoamento do ar, mas desta vez quando é realizado a diminuição do seu caudal. Nos gráficos também estão representadas as linhas que melhor se adequam aos valores obtidos experimentalmente. Em ambos os gráficos, a partir do ponto de fluidização, os valores da diferença de pressão tornam-se constantes tal como era de esperar após ter sido feito o estudo teórico da atividade laboratorial.

120

ΔP/L (Pa/m)

100 80 60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

Velocidade superficial de escoamento do fluido, us (m/s) Gráfico 1 - Perda de carga do leito em função da velocidade superficial de escoamento do ar com o aumento do seu caudal

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120

ΔP/L (Pa/m)

100 80 60 40 20 0 0

10

20

30

40

50

Velocidade superficial de escoamento do fluido, Us (m/s)

Gráfico 2 - Perda de carga do leito em função da velocidade superficial de escoamento do ar com a diminuição do seu caudal

2. Cálculo de perda de carga no leito através de equações adequadas e comparação destes resultados com os valores experimentais:

Tabela 2 – Valores perda de carga do leito através de equações adequadas.

Valor no rotâmetro 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Ensaio 1 ∆𝑷 Us (m/s) 𝑳 54,39 64,68 82,32 95,55 102,9 105,84 105,84 105,84 105,84 105,84

8,064516 11,82796 16,12903 19,35484 23,11828 30,64516 34,4086 38,17204 41,93548 45,69892

Ensaio 2 ∆𝑷 Us (m/s) 𝑳 49,98 73,5 86,73 91,14 105,84 105,84 105,84 105,84 105,84

8,064516 16,12903 19,35484 26,88172 30,64516 34,4086 38,17204 41,93548 45,69892

Ensaio médio ∆𝑷 Us (m/s) 𝑳 52,185 64,68 77,91 91,14 102,9 91,14 105,84 105,84 105,84 105,84 105,84

8,064516 11,82796 16,12903 19,35484 23,11828 26,88172 30,64516 34,4086 38,17204 41,93548 45,69892

Podemos observar, na Tabela 2, que mesmo com o aumento do valor no rotâmetro e consequente aumento da velocidade de escoamento, a partir do valor 10 a perda de carga do leito assume um valor constante, 105,84.

6

Tabela 3 - Valores da perda de carga através da equação de Ergun

Valor no rotâmetro 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Ensaio 1 ∆𝑷 𝑳

Ensaio 2 ∆𝑷 𝑳

× 106 × 106 × 107 × 107 × 107 2,59 × 107 2,91 × 107 3,23 × 107 3,54 × 107 3,86 × 107

6,81 × 106 1,36 × 107 1,63 × 107 2,27 × 107 2,59 × 107 2,91 × 107 3,23 × 107 3,54 × 107 3,86 × 107

6,81 9,99 1,36 1,63 1,95

∆𝑷 𝑳

6,81 9,99 1,36 1,63 1,95 2,27 2,59 2,91 3,23 3,54 3,86

× 106 × 106 × 107 × 107 × 107 × 107 × 107 × 107 × 107 × 107 × 107

A equação de Ergun traduz a dependência entre a perda de carga num leito fixo e a velocidade de escoamento do fluido envolvendo também outros parâmetros, e é aplicável quando o enchimento do leito tem a dimensão dp. Para elaboração da Tabela 3 utilizamos a equação de Ergun para calcularmos os valores da perda de carga. A fórmula representa-se da seguinte maneira: 2 ΔP 150(1 − )2 𝑢𝑠 1,75(1 − ) 𝑓 𝑢𝑠 = +  𝑑𝑝 3 3 𝐿 (𝑑𝑝 )2

L- Comprimento - Porosidade P- Perda de carga us - Velocidade superficial de escoamento do fluido ρf- Densidade do ar Φ- Esfericidade μ- Viscosidade do ar

Podemos notar, após a realização dos cálculos uma discordância entre os valores obtidos experimentalmente e os valores teóricos.

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NOTA: Em alguns casos não existem valores experimentais uma vez que concordamos em ocultá-los visto que existam anomalias na diferença de pressão.

3. Ponto de fluidização mínima

O ponto de fluidização mínima, isto é, o ponto a partir do qual a perda de carga do leito começa a assumir valores constantes ficando assim a denominar-se de leito fluidizado pode ser identificado na Tabela 2, seguidamente exposta.

Tabela 4 - Ponto de fluidização mínima

CRESCENTE 30,65 105,84

Us (M/S) ΔP/L (PA/M)

DECRESCENTE 30,65 105,84

Altura do leito (cm)

Altura do leito em função da velocidade superficial de escoamento do fluido: 23,6 23,4 23,2 23 22,8 22,6 22,4 22,2 22 21,8 0

10

20

30

40

50

Velocidade superficial de escoamento do fluido, Us (m/s) Gráfico 3 - Altura do leito em função da velocidade superficial de escoamento no ar com o aumento do seu caudal

8

23,6

Altura do leito (cm)

23,4 23,2 23 22,8 22,6 22,4 22,2 22 0

10

20

30

40

50

Velocidade superficial de escoamento do fluido, Us (m/s)

Gráfico 4 - Altura do leito em função da velocidade superficial de escoamento no ar com a diminuição do seu caudal

No Gráfico 3 podemos ver a representação gráfica dos valores obtidos quanto à altura do leito em função da velocidade superficial de escoamento no ar quando se procede ao aumento do seu caudal. Já no Gráfico 4 podemos ver a representação gráfica dos valores obtidos quanto à altura do leito em função da velocidade superficial de escoamento no ar quando se procede à diminuição do seu caudal. Nos gráficos também se encontram traçadas as linhas que melhor se adequam aos valores obtidos experimentalmente. Nestes gráficos, consoante o aumento da velocidade de escoamento podemos observar que ocorre também um aumento da altura do leito tal como já era esperado. Em ambos os gráficos podemos concluir que os valores discordantes onde ocorre a diminuição da altura do leito, quando deveria de ocorrer o oposto, podem ter sido originados pela formação de bolhas de ar que dificultaram a medição da altura do leito e deste modo originaram com que esta sofresse negligência.

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Conclusões

Diante do experimento do processo de fluidização, foi possível obter conhecimentos acerca desse processo, utilizando como enchimento esferas de vidro (balottini) e como fluido, foi utilizado ar previamente do sistema de ar comprimido. Portanto, após esse experimento, houve um esclarecimento acerca do comportamento dos sólidos no seu estado intermediário após o processo de fluidização. Além disso, foi possível observar os fenômenos físicos, como o aumento da velocidade de escoamento a medida que o caudal aumenta. Como também, a elevação da altura do leito a medida que a velocidade superficial de escoamento aumenta e, através dos cálculos, foi possível perceber que, a medida que a velocidade de escoamento aumenta, a perda de carga aumenta simultaneamente.

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