ESTUDO FLUIDODINÂMICO DE PARTÍCULAS DE AREIA EM UM MICROLEITO

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1 ESTUDO FLUIDODINÂMICO DE PARTÍCULAS DE AREIA EM UM MICROLEITO FLUID DINAMIC STUDY OF SAND PARTICLES IN A MICRO- BED Marlon Menezes Maciel Bindes (1) Moilton Ribeiro Franco Júnior (2) Adriano Assis Afonso (3) Resumo Esse trabalho teve como objetivo analisar a perda de carga em um microleito com partículas de areia através passagem de fluxo de ar. Foram encontrados perfis diferentes de perda de carga em função da velocidade superficial de gás para cada ponto de coleta. Os valores de velocidade mínima de fluidização (U mf ) obtidos quando os dados foram coletados dos pontos 1, 2 e 3 foram 0,15, 0,125 e 0,1 m s -1 respectivamente. Esse estudo traz à literatura da área de sistemas particulados, importantes resultados de testes fluidodinâmicos executados em um microssistema inédito e certamente contribuirá para uma melhor compreensão dos mecanismos de transporte associados aos sistemas de pequena escala. Palavras-chave: Microleito. Areia. Queda de pressão. Velocidade mínima de fluidização. Abstract This study aimed to analyse the pressure drop in a bed with sand particles through air passage. Different pressure drop profiles were outlined as a function of the superficial gas velocity for 3 different points. The minimum fluid velocity values (U mf ) obtained from points 1, 2 and 3 were 0.15, and 0.1 m s -1 respectively. This study brings to the particulate systems area literature, important results of fluid dynamics tests performed in a novel microsystem and certainly, this will contribute to a better understanding of the transport mechanisms associated with small-scale systems. Keywords: Micro-bed. Sand. Pressure drop. Minimum fluidisation velocity 1 Mestre em Engenharia Química pela Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: marlonbindes@hotmail.com. 2 Doutor em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas. Docente da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: moilton@ufu.br 3 Engenheiro Químico pela Universidade Federal de Uberlândia. Endereço eletrônico: adrianoaafonso@gmail.com De 23 a 27 de abril de Ciência & Tecnologia: Fatec-JB, Jaboticabal, v. 10, p , Suplemento.

2 1 Introdução Simpósio de Tecnologia Ambiental e de Biocombustíveis A compreensão do comportamento de partículas de areia submetidas a um fluxo de gás é significativamente importante nos processos industriais, especialmente na produção de gás natural (Wang et al., 2016). Quando uma corrente de gás ascendente é admitida na base de uma coluna contendo um material sólido inicia-se a interação gás-partícula, nesse momento as forças de fricção entre as partículas aumentam com o aumento da velocidade do gás e as partículas se movem para proporcionar uma resistência mínima ao fluxo de gás. Quando as forças de atrito se tornam suficientes para equilibrar o peso das partículas, a mistura gás-sólido se comporta como um fluido, nesse momento a velocidade mínima de fluidização U mf é alcançada e o leito é referido como fluidizado (Fatah, 2012). Nos sistemas gás-sólidos podem ocorrer diferentes regimes de operação dependendo de parâmetros como a velocidade da superficial do gás, propriedades das partículas bem como a geometria do leito (Hartge et al., 2009; Sant'anna et al., 2017). Do ponto de vista industrial, o monitoramento do fluxo de areia em tubulações tem sido desafiador para pesquisadores do mundo todo. Em princípio, as partículas de areia transportadas com o fluxo atingem a parede da tubulação gerando vibração, perda de carga e ocasionando a redução de eficiência do processo. Existe uma carência na literatura de trabalhos que abordem o comportamento fluidodinâmico de partículas em microssistemas. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi apresentar um estudo experimental que avalia o comportamento fluidodinâmico de partículas de areia em um microleito sob passagem de ar. 2 Material e Métodos A Figura 1 apresenta o leito empregado nos testes hidrodinâmicos, foi montado um sistema composto de um rotâmetro (Brooks R615B / P079), um manômetro (Wika, France), tubos de Silicone (Progress) de comprimento 2,35 m e 0,023 m de diâmetro, uma conexão T de PVC (Multitanks, International), um leito central de vidro (fabricado na ENSCL) de 0,52 m de comprimento e 0,0084 m de diâmetro interno, um bulbo de vidro (fabricado na ENSCL), um ciclone de vidro (fabricado na ENSCL), um recipiente de coleta de vidro (fabricado na ENSCL), duas conexões de tubo de vidro (fabricada na ENSCL) além de um medidor de vazão de gás universal Adm 2000 (Agilent Technologies). Foram feitos testes hidrodinâmicos para uma massa constante de areia variando a velocidade de fluxo de ar de 0,025 a 0,25 m s -1. A perda de carga da areia sob a passagem do fluxo de ar foi medida para os pontos 1, 2 e 3 conforme mostra a Figura 1. Para as análises de volume e densidade média foi usado o picnômetro II 1340 (Accupyc) e para a medida do tamanho de partícula foi usada difração a laser através do equipamento Granulomètre Laser LS (Coulter ).

3 Figura 1 sistema construído para os testes fluidodinâmicos com areia. 3 Resultados e Discussão As propriedades físico-químicas das partículas da amostra de areia usada nesse estudo foram medidas conforme apresenta a Tabela 1. Tabela 1 Propriedade físico-químicas da areia al Materi Volume Densidade Diâmetro médio média médio (cm 3 ) (g cm 3 ) (µm) Areia 0,59 2, Os valores da densidade média (2,67 g cm 3 ) e do diâmetro médio (300 µm) obtidos nesse trabalho para a areia estão próximos dos valores 2,65 g cm 3 e 300 µm respectivamente encontrados por Tebowei et al. (2018), os autores estudaram o transporte de areia em um tubo ondulado. A Figura 2 mostra os perfis de perda de carga para a areia em relação a velocidade superficial de ar que percola o microleito.

4 Figura 2 Perda de carga da areia em função da velocidade do ar para os pontos 1, 2 e 3. Pela Figura 2 inicialmente nota-se que para todos os perfis que há um aumento da perda de carga com o aumento da velocidade de do ar até um valor máximo de perda de carga e então observa-se uma redução desses valore para maiores velocidades. Isso se deve porque inicialmente a massa de areia oferece resistência a permeação do gás e essa resistência aumenta com o aumento da velocidade até que o ar consiga vencer a estagnação da camada de sólido na base da coluna. Verifica-se dentro da faixa de variação da velocidade do ar que o ponto 1 apresentou a maior perda de carga (25 Pa) a uma velocidade de ar igual a 0,15 m s -1. Isso pode ser explicado pois no ponto 1, o ar exerce a maior força para colocar as partículas de areia em movimento. Conforme esperado, no ponto 3 o fluxo de ar apresentou menor perda de carga e esse comportamento se deve porque nesse ponto o ar já tinha vencido grande parte da resistência proporcionada pela massa de areia presente na base do leito. Para esse trabalho, os valores de velocidade mínima de fluidização (U mf ) encontrados quando foram coletados dados dos pontos 1, 2 e 3 foram 0,15, 0,125 e 0,1 m s -1 respectivamente. Esses valores de velocidade podem ser entendidos como a velocidade mínima necessária para que o sistema ar-areia seja considerado um fluido. Pérez et al. (2017) estudaram o comportamento fluidodinâmico de uma mistura de partículas de areia com 2% de bagaço de cana de açúcar e obtiveram a velocidade mínima de fluidização de aproximadamente 0,18 m s - 1, esse valor de velocidade está muito próximo daquele obtido no ponto 3 por esse trabalho 0,15 m s -1.

5 4 Conclusões Simpósio de Tecnologia Ambiental e de Biocombustíveis Com o conjunto de experimentos foi possível traçar os perfis de perda de carga em função da velocidade de ar para três pontos em um microleito. Esses perfis foram importantes para determinar o comportamento da areia em um microssistema. Observou-se que o ponto mais a base da coluna (ponto 1) apresentou a maior perda de carga do leito (25 Pa) a uma velocidade superficial de 0,15 m s -1 e isso foi devido a maior resistência para colocar a massa de areia em movimento inicialmente. 5 Agradecimentos/ Apoio financeiro Os autores agradecem ao CNPq, ao UCCS (Centre de catalyse et de Chimie du solide), à Ecole Centrale de Lille e também à Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille. Referências FATAH, N. Technologie des Solides Divises p HARTGE, E.-U. et al. CFD-simulation of a circulating fluidized bed riser. Particuology, v. 7, n. 4, p , 2009/08/01/2009. ISSN Disponível em: < >. PÉREZ, N. P. et al. Fluid dynamic study of mixtures of sugarcane bagasse and sand particles: Minimum fluidization velocity. Biomass and Bioenergy, v. 107, p , 2017/12/01/ ISSN Disponível em: < >. SANT'ANNA, M. C. S. et al. Analyzing the fluidization of a gas-sand-biomass mixture using CFD techniques. Powder Technology, v. 316, p , 2017/07/01/ ISSN Disponível em: < >. TEBOWEI, R. et al. Investigation of sand transport in an undulated pipe using computational fluid dynamics. Journal of Petroleum Science and Engineering, v. 162, p , 2018/03/01/2018. ISSN Disponível em: < >. WANG, K. et al. Vibration sensor approaches for the sand detection in gas sand two phases flow. Powder Technology, v. 288, p , 2016/01/01/ ISSN Disponível em: < >