Engenharia/Engeineerring 125 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DE PARÂMETROS DE FLUIDIZAÇÃO

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1 Engenharia/Engeineerring 5 DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DE PARÂMETROS DE FLUIDIZAÇÃO SILVA, M. B. da ; TOMAIN, L. F. Doutor em Engenharia Mecânica, Univeridade Federal do Triângulo Mineiro UFTM, Uberaba (MG), bacciuftm@gmail.com Graduando em Engenharia de Alimento, Faculdade Aociada de Uberaba, Uberaba (MG), tomain@gmail.com RESUMO: O objetivo dete trabalho é apreentar uma análie fluidodinâmica de um leito fluidizado, utilizando-e partícula ólida de diferente caracterítica em leito de área de ecção tranveral retangular. O dado experimentai foram obtido em um leito fluidizado fixo, de ecala laboratorial, medindo 85 x 77 x 550 mm. A fluidodinâmica foi etabelecida pela medida da perda de preão no leito e vazõe de ar crecente e decrecente. O valore de perda de preão máxima e de velocidade de mínima fluidização foram obtido a partir do gráfico de perda de preão x velocidade do ar. Toda a grandeza da variávei etudada nete trabalho foram determinada experimentalmente e o valore encontrado foram comparado ao correpondente valore obtido por equaçõe empírica retirada da literatura. O reultado obervado confirmam a previõe do comportamento que e obtém teoricamente. PALAVRAS-CHAVE: Leito fluidizado. Partícula. Fluidodinâmica. EXPERIMENTAL DETERMINATION OF FLUIDIZATION PARAMETERS ABSTRACT: The aim of thi work i to analyze particle of different characteritic in order to tudy fluid dynamic condition in a fluidized bed of rectangular cro ection area. The experimental data were oberved and captured by the ue of different olid particle in a bed of olid 85 x 77 x 550 mm in cro ection area. The fluid dynamic condition of the bed were etablihed by preure drop value when fluid flow increae and decreae inide the bed. The value of maximum preure drop and minimum fluidization velocity were oberved by the plot of preure drop x fluid flow velocity. The variable tudied in thi work were experimentally determined and the value obtained were compared to the empirical correlation preent in literature. The reult confirmed the prediction of behavior that i obtained theoretically. KEY WORDS: Fluidized bed. Particle. Fluid dynamic. INTRODUÇÃO Uma da caracterítica da operação de fluidização é a diveridade de regime fluidodinâmico obtido ao e variar a velocidade de admião do fluido e a dimenõe do leito. A velocidade de mínima fluidização é um importante parâmetro obtido ao e aumentar a velocidade de alimentação do fluido até atingir uma condição na qual toda a partícula ólida etão na condição meno compacta poível, porém exitindo ainda o contato entre a partícula. Neta condição, a força de atrito (arrato) entre o fluido e a partícula ólida e o empuxo contrabalançam o peo da partícula. A perda de preão, atravé de qualquer eção no leito, torna-e igual ao peo aparente da partícula ólida por unidade de área da eção do leito. Ete método de contato apreenta caracterítica incomun, que ão bem utilizada na engenharia tanto em proceo fíico como químico. O proceo fíico incluem ecagem, mitura, granulação, recobrimento, aquecimento e refriamento. Leito fluidizado atualmente ão uado comercialmente para ecar materiai como minerai triturado, areia, polímero, produto farmacêutico, fertilizante e produto critalino. Em proceo químico é utilizado o leito fluidizado gáólido na gaeificação, craqueamento e pirólie, poi apreenta eficiente tranferência de calor, facilitando o controle da reaçõe. O etudo da fluidização envolve a avaliação de parâmetro fluidodinâmico como a velocidade do ar e a poroidade do leito. Ete parâmetro ão obtido a partir do levantamento da curva caracterítica de perda de preão em função da velocidade uperficial do fluido. Tai parâmetro ão eenciai para o dimenionamento de equipamento em leito fluidizado (CUNHA, 004). A relação entre a perda de preão no leito e a velocidade do fluido, denominada de curva fluidodinâmica, apreentada na FIG., é o método experimental empregado para obtenção da velocidade de mínima fluidização para a operação de fluidização (McCABE; SMITH; HARRIOTT; 00). De acordo com Ribeiro (005), o comportamento apreentado na FIG., pode er decrito por regiõe bem definida. A região AB correponde a um leito fixo, onde a partícula ólida permanecem em repouo uma obre a outra; a perda de preão aumenta à medida que a velocidade aumenta. No ponto B inicia-e a fluidização, a uperfície uperior do leito torna-e plana e horizontal e a partícula dentro do leito podem mover-e lentamente, reetruturando-e. Com o aumento da velocidade do fluido, a perda de preão etabiliza-e e permanece contante. FAZU em Revita, Uberaba, n.7, p. 5-9, 00

2 6 Engenharia/Engeineerring Quando a velocidade do fluido diminui a partir do ponto C, uma nova curva CDE é obervada. Eta diferença reulta de variaçõe no epaço vazio do leito fixo. preão do leito e da velocidade de mínima fluidização QUEDA DE PRESSÃO B D C ESFERICIDADE Empacotamento Deno A E 0. Empacotamento Normal Empacotamento Leve VELOCIDADE FIGURA : Comportamento de um leito fluidizado. O ponto de mínima fluidização repreenta a tranição entre o etado de leito fixo e leito fluidizado. A velocidade que correponde a eta tranição é conhecida como velocidade de mínima fluidização e é um parâmetro enível à forma, ao tamanho e à denidade da partícula ólida (RIBEIRO, 005). Neta condição, a força de arrato (atrito) com o empuxo equilibra o peo da partícula. Nete momento, regitra-e o início da fluidização. Ete parâmetro torna-e importante para cálculo de projeto em engenharia, endo obtido experimentalmente ou por correlaçõe empírica exitente na literatura. Segundo KUNII e LEVENSPIEL (987), um método para e obter a velocidade de mínima fluidização é por meio da compoição da perda de preão do leito ao igualar-e ao peo aparente do leito por unidade de área da eção tranveral. No ponto de mínima fluidização, tem-e que a poroidade é ε = εmf e a equação de Ergun para a perda de preão no leito fluidizado erá dada por: POROSIDADE DO LEITO FIGURA : Poroidade em tamanho uniforme, camada aleatória. Fonte: KUNII e LEVENSPIEL(987). Para a etimativa deta variávei, KUNNI e LEVENSPIEL (987) apreentam alguma correlaçõe propota por divero pequiadore, decrita a eguir: φ. εmf () εmf φ. εmf () = = 4 P ( ε ) = 50. H ε µ. Vo. ( φ. dp) ( ε ) ρ. Vo +,75.. ε φ dp. De acordo com KUNII e LEVENSPIEL (987), o diâmetro da partícula é uma importante caracterítica que e deve levar em conideração ao e operar leito fluidizado. Exitem vário método para e obter eta variável, dede método direto, como a medida atravé do uo de paquímetro ou micrômetro, até método indireto que dependem do movimento Browniano. Exite uma relação entre poroidade do leito e a efericidade da partícula, como motra a FIG.. Ete trabalho foi conduzido com o objetivo de avaliar experimentalmente o comportamento da perda de () MATERIAL E MÉTODOS O enaio experimentai dee trabalho foram realizado na UIP (Unidade Indutrial de Proceamento) de Carne, localizado no NEEA (Núcleo de Excelência em Engenharia de Alimento) da FAZU Faculdade Aociada de Uberaba, Uberaba, MG. O equipamento experimental apreentado na FIG. foi projetado e contruído na Oficina Acadêmica da FAZU. É compoto por um leito de ecção tranveral retangular de dimenõe 85 x 77 x 550 mm, ligado a um compreor de ar (SCHULZ 50, 5hp, 0 ft /min) por uma tubulação de 9,05 mm de diâmetro. Para a realização do enaio foi intalada uma válvula de agulha para regulagem da vazão de ar e um medidor de orifício de,7 mm de diâmetro para medição dea vazão. Para a tomada de preão FAZU em Revita, Uberaba, n.7, p. 5-9, 00

3 Engenharia/Engeineerring 7 utilizou-e de tubo em U, graduado e preenchido com mercúrio, ligado ao medidor de orifício e ao leito por meio de mangueira de ilicone. Onde: a : Maior diâmetro da partícula. b : Diâmetro intermediário da partícula. c : Menor diâmetro da partícula. Inicialmente colocou-e no leito uma quantidade de partícula até atingir a altura de 0 mm. Abriu-e a válvula para alimentação do ar e mediram-e o valore de perda de preão no medidor de orifício. O valore de perda de preão obtido no medidor de orifício foram utilizado na Equação (5) para quantificar a velocidade do ar (AMBROSIO-UGRI; TARANTO, 00). FIGURA : Equipamento experimental de leito fluidizado utilizado nete trabalho. Utilizou-e de cinco tipo de partícula de diferente caracterítica, endo ela: grão de arroz; grão de trigo; emente de orgo; efera de vidro; efera de plático. Uando-e aleatoriamente dez grão de cada partícula, mediram-e a trê dimenõe (comprimento, largura e epeura) com o auxílio de um micrômetro. Utilizou-e a Equação (4) para determinar o valore de efericidade (McCABE; SMITH; HARRIOTT, 00). Efericidade é a área da uperfície da efera de memo volume que a partícula dividido pela área da uperfície da partícula. φ = (4) ( a. b. c) a RESULTADOS E DISCUSSÃO Onde: Q A Q ar orif ar = A orif. P. 4.( ) ρ β (5) : Vazão de ar : Área do orifício P : Perda de preão ρ : Denidade do ar diâmetro do orifício β = diâmetro do tubo A variávei efericidade da partícula (φ S ) e poroidade do leito fixo (ε) ão inveramente proporcionai, ou eja, para maior φ obteve-e o menor valor de ε. A TAB. que é apreentada abaixo, motra o valore obtido para cada tipo de partícula utilizada nete trabalho. TABELA Valore obtido de Poroidade do leito e Efericidade da partícula. Partícula Efera de vidro Efera de plático Semente de orgo Grão de trigo Grão de arroz Poroidade do leito ε Efericidade da partícula Kunii e Levenpiel (987) 0,48 0,979 0,996 0,444 0,87 0,87 0,445 0,86 0,89 0,474 0,67 0,68 φ 0,57 0,488 0,50 FAZU em Revita, Uberaba, n.7, p. 5-9, 00

4 8 Engenharia/Engeineerring A partícula analiada apreentaram uma relação efericidade x poroidade que e aproxima muito do valore determinado pela literatura (reultado eperado). O reultado que aparecem na FIG. 5 motram que quanto maior a efericidade da partícula, menor erá a poroidade do leito, conforme comentado anteriormente. Também foi verificado que ocorre um aumento na diferença entre o reultado encontrado pela correlaçõe e o que pode er determinado a partir do diâmetro médio. Para melhor compreender a relação entre a perda de preão no leito e a velocidade, a FIG. 7 a eguir motra o reultado experimentai obtido com efera de vidro, comparando o que eria obtido pela Equação de Ergun. É poível obervar que há um comportamento emelhante entre ee doi reultado, embora haja diferença no valore obtido experimentalmente e pela Equação de Ergun. FIGURA 5: Curva Efericidade da partícula x Poroidade do leito. A FIG. 6 motra o reultado experimentai encontrado para toda a patícula analiada. Nota-e, atravé da análie da FIG. 6, que e obteve o memo comportamento da perda de preão em relação à velocidade do ar para toda a partícula avaliada, ao e variar a velocidade uperficial do ar na faixa de 0,4 m/ até,8 m/. FIGURA 7: Curva de perda de preão no leito fluidizado x velocidade do ar para efera de vidro. O memo foi realizado para toda a outra partícula mencionada no trabalho. Para o grão de trigo o reultado aparecem na FIG. 8. Novamente há diferença no valore obtido experimentalmente e aquele fornecido pela Equação de Ergun. Ma o comportamento da curva é também emelhante. Atravé da análie do comportamento da partícula avaliada, nota-e uma contante diferença entre o reultado obtido experimentalmente e aquele obtido pela Equação de Ergun. Eta diferença entre o reultado é eperada, uma vez que a Equação de Ergun apreenta erro pertinente a uma correlação matemática. Também há incerteza relacionada à medida experimentai, formação de bolha e canai preferenciai que dificultam a tomada de preão. A utilização de partícula de diâmetro e de denidade não uniforme contribui para uma fluidização de má qualidade. FIGURA 6: Reultado experimentai de perda de preão x velocidade do ar no leito. FAZU em Revita, Uberaba, n.7, p. 5-9, 00

5 Engenharia/Engeineerring 9 FIGURA 8: Perda de preão no leito fluidizado x velocidade do ar para grão de trigo. CONCLUSÃO Com a realização dete trabalho foi poível verificar que a condiçõe fluidodinâmica de um protótipo de leito fluidizado foram determinada a partir de medida experimentai de fácil determinação, o que jutifica a contrução de um equipamento para a aquiição de dado experimentai. Foram utilizada partícula de diferente caracterítica para o etudo da condiçõe fluidodinâmica no leito fluidizado, e no final do etudo foi poível verificar o comportamento da perda de preão no leito com o aumento da velocidade de admião do ar. Em relação ao reultado obervado para a condiçõe fluidodinâmica do experimento, a correlaçõe encontrada na literatura forneceram atifatória repreentaçõe, principalmente a equação de Ergun, válida para leito fixo, largamente utilizada para etudo de fluidização. A variávei etudada nete trabalho, a velocidade do gá, a perda de preão no leito, a poroidade do leito e a efericidade da partícula foram determinada experimentalmente, e o reultado confirmaram a previõe do comportamento da fluidização previto pela equação de Ergun. O reultado aqui obervado jutificam uma melhoria na bancada experimental para o etudo de outra operaçõe com a partícula, tai como o aquecimento do ar de entrada para o etudo da ecagem no leito fluidizado. REFERÊNCIAS AMBROSIO-UGRI, M. C. B.; TARANTO, O. P. Etudo da caracterítica fluidodinâmica do leito fluidizado pulado rotativo. Anai do XXX Congreo Braileiro de Sitema Particulado ENEMP. São Carlo: UFSCar, p. CUNHA, R. L. G. Caracterização fluidodinâmica do recobrimento de celuloe microcritalina em leito fluidizado f. Diertação (metrado) FAZU em Revita, Uberaba, n.7, p. 5-9, 00