ANÁLISE COMPARATIVA DOS PARÂMETROS FLUIDODINÂMICOS DE SEMENTES DE PAINÇO EM LEITO DE JORRO CÔNICO E CONVENCIONAL

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1 ANÁLISE COMPARATIVA DOS PARÂMETROS FLUIDODINÂMICOS DE SEMENTES DE PAINÇO EM LEITO DE JORRO CÔNICO E CONVENCIONAL Lidiane Diniz do NASCIMENTO Universidade Federal do Pará, Discente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Museu Paraense Emílio Goeldi -lidiane1610@gmail.com Lorena Gomes CORUMBÁ Universidade Federal do Pará, Discente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais Sandra Cristina dos Santos ROCHA Osvaldir Pereira TARANTO Universidade Estadual de Campinas, Docente da Faculdade de Engenharia Química. Cristiane Maria Leal COSTA LênioJosé Guerreiro de FARIA Universidade Federal do Pará, Docente da Faculdade de Engenharia Química RESUMO:O leito de jorro é aplicado em processos de extração de corante natural, pirólise, entre outras. O estudo da fluidodinâmica das partículas é importante para determinar os parâmetros operacionais velocidade de jorro mínimo (U jm ), queda de pressão estável (ΔP S ) e máxima (ΔP Máx ). No Brasil o painço (Setaria italica) é destinado principalmente à alimentação de animais, no entanto, desempenha um importante papel na agricultura e alimentação de populações em países em desenvolvimento. Sementes de painço com 13,85% de umidade foram submetidas ao estudo fluidodinâmico utilizando duas configurações de leito de jorro: cônico (cargas de 500, 800, 1100 e 1400 g) e convencional (cargas iguais a 1300, 1700 e 2100 g). Os valores de U jm, ΔP S e ΔP Máx foram obtidos experimentalmente e por meio de correlações empíricas disponíveis na literatura. Foi observado que ambas as configurações forneceram regimes estáveis e que os parâmetros quantificados cresceram com o aumento no valor da carga de material. Para o leito cônico, as alturas iniciais do leito estão na faixa de 8 a 14 cm, resultando em quedas de pressão máxima em torno de 470 à 1100 Pa, enquanto no leito convencional, as quedas de pressão são superiores (5600 a 7100 Pa) e as alturas de leito fixo estão entre 20 e 25 cm. Portanto, foi verificado que as sementes de painço apresentaram comportamento fluidodinâmico satisfatório nas duas configurações de leito utilizadas e que a correlação de Choi e Meisen (1992) se mostrou adequada na predição dos valores da U jm, tanto para o leito de jorro cônico, quanto para o convencional. Palavras-chave: painço, fluidodinâmica, leito de jorro. Área temática: Fenômenos de transporte e sistemas particulados. 1. INTRODUÇÃO O leito de jorro pode ser aplicado na extração de corante natural (BARROZO; SANTOS; CUNHA, 2013), pirólise (FERNANDEZ-AKARREGI et al., 2013) e para o recobrimento de partículas (da Rosa e Rocha, 2013). Avaliar o comportamento fluidodinâmico das partículas é importantepara determinar os parâmetros operacionais velocidade de jorro mínimo (U jm ), queda de pressão estável (ΔP S ) e máxima (ΔP Máx ), uma vez que determinam a menor vazão de gás que propicia o jorro, a potência máxima a ser fornecida pelo soprador e a potência consumida durante a operação, respectivamente. O painço (Setaria italica) é uma das espécies pertencentes ao seu gênero com maior potencial econômico (PROTA, 2013), sendo utilizado na alimentação humana nos países em desenvolvimento (PAWAR; MACHEWAD, 2006) e direcionado à alimentação de animais e no uso como forragem de pasto em nações desenvolvidas. É observado que ainda existe uma escassez de informações com relação à sua utilidade, de maneira que estudos da aplicação de processos relacionados ao beneficiamento do produto, como por exemplo a avaliação preliminar do 451

2 comportamento fluidodinâmico, podem contribuir para fins de produção agrícola, alimentício, secagem, recobrimento entre outros. 2. OBJETIVOS Este trabalho apresenta uma análise comparativa dos parâmetros fluidodinâmicos velocidade de jorro mínimo (U jm ), queda de pressão estável (ΔP S ) e máxima (ΔP Máx ) obtidos experimentalmente e por meio de correlações empíricas disponíveis na literatura, para duas diferentes configurações de leito de jorro: cônico e convencional. 3. METODOLOGIA 3.1 Aquisição do material e equipamento experimental Sementes de Setaria italica foram adquiridas no comércio varejista de Belém-Pará e armazenadas em um refrigerador a uma temperatura de 6 C. Os ensaios experimentais foram realizados à temperatura ambiente (28 C) em dois diferentes leitos. Primeiramente, foi utilizado um leito de jorro cônico com uma base cônica de 0,12 m, ângulo de 60, diâmetro de entrada de ar (D i ) de 0,03 m, diâmetro interno igual a 0,2 m e altura da coluna de 0,5 m. Os dados experimentais, necessários para a construção das curvas fluidodinâmicas, foram coletados por meio de um instrumento virtual construído com o auxílio do software LABVIEW TM 8.6. Todos os procedimentos em leito cônico foram executados na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), no Laboratório de Fluidodinâmica e Secagem (LFS). Os ensaios em leito de jorro convencional foram realizados na Universidade Federal do Pará (UFPA), no Laboratório de Secagem e Recobrimento de Partículas, utilizando um leito de base cônica de 0,15 m de altura, ângulo de 60 e diâmetro de entrada do ar (D i ) de 0,0254 m. A coluna cilíndrica apresentava 0,8 m de altura e diâmetro interno (D c ) de 0,16 m, de tal forma que a relação D i /D c foi de 0,16. Os valores necessários para a construção das curvas de queda de pressão versus velocidade do ar foram obtidos por meio de manômetros diferenciais de tubo em forma de U, nos quais os fluidos manométricos eram mercúrio, tetracloreto de carbono e água destilada, ligados as tomadas de pressão na linha, na placa de orifício e no leito, respectivamente. 3.2 Ensaios fluidodinâmicos e obtenção dos parâmetros no leito de jorro Os testes fluidodinâmicos foram obtidos realizando medidas de vazão crescente (ida) e decrescente (volta) do ar de entrada, com suas respectivas quedas de pressão na linha, no leito e na placa de orifício. Mediu-se a velocidade de jorro mínimo baseada na curva decrescente, uma vez que é mais reprodutiva do que a curva crescente, pois esta é mais suscetível a possíveis variações, ocasionadas por exemplo, devido à compactação ao carregar o leito. Para o leito de jorro cônico foram utilizadas cargas de sementes iguais a 500, 800, 1100 e 1400 g, enquanto que no leito de jorro convencional utilizou-se cargas de 1300, 1700 e 2100 g. A partir dos dados experimentais obtidos, foram construídos os gráficos de queda de pressão em função da velocidade superficial do gás, conforme descrito por Mathur e Epstein (1974) e então obtiveram-se os parâmetros experimentais de velocidade de jorro mínimo (U jm ), queda de pressão estável (ΔP S ) e máxima (ΔP Máx ). Estes parâmetros operacionais foram comparados com os valores teóricos estimados por meio de correlações empíricas sumarizadas nas Tabela1 e 2. Em seguida, foi calculado o desvio relativo, conforme mostra a Equação 1. Equação (1) 452

3 Correlação Tabela 1 - Correlações empíricas para o leito de jorro Configuração do leito Equação Velocidade de jorro mínimo (U jm ) Markowski e Kaminski (1983) cônico (2) Choi e Meisen (1992 ) cônico e convencional (3) Gorshtein e Mukhlenov (1964) Mathur e Gishler (1955) cônico (4) convencional (5) Ogino et al (1993) convencional (6) Queda de pressão máxima (ΔP Máx ) Olazar et al (1993) cônico (7) Kmiec (1980) cônico (8) Manurung (1964 olazar 1994) Asenjo et al. (1977) convencional (9) convencional (10) 453

4 Correlação Tabela 1 - Correlações empíricas para o leito de jorro (continuação) Configuração do leito Equação Queda de pressão estável (ΔP S ) Manurung (1964 ) cônico (11) Pallai e Nemeth (1969) convencional (12) Olazar et al. (1993) convencional (13) 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os parâmetros fluidodinâmicos são determinados com o objetivo de verificar as melhores condições relacionadas à dinâmica das partículas. Esses índices são geralmente considerados como indicativos do comportamento dinâmico do leito e podem ser explorados como uma forma de monitorar o processo (COSTA, 2010). 4.1 Comportamento fluidodinâmico das sementes de painço As Figuras 1 e 2 mostram o comportamento da curva de ΔP L x velocidade decrescente do ar, para o leito de jorro cônico (cargas de 500, 800, 1100 e 1400g) e convencional (1300, 1700 e 2100 g). Foi verificado regime de jorro estável para todas as massas de semente de painço utilizadas e as curvas obtidas estão de acordo com o que foi descrito por Mathur e Epstein (1974).Os valores correspondentes à velocidade de mínimo jorro, queda de pressão máxima e estável, cresceram com o aumento no valor da carga de material (Figuras 1 e 2), o que está de acordo com a literatura e também foi observado por Cordeiro e Oliveira (2005) e Santana (2011), utilizando extrato de folhas de Maytenun ilicifolia e sementes de linhaça, respectivamente. Figura1 Comportamento fluidodinâmico em função da diminuição da velocidade do ar em leito cônico g 800g 1100g 1400g 500 ΔP L (Pa) ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 velocidade (m/s) 454

5 Figura 2 Comportamento fluidodinâmico em função da diminuição da velocidade do ar em leito convencional g 1700 g 2100 g ΔP (Pa) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 velocidade (m/s) Ao analisar a Figura 1 nota-se que para as cargas de 500 e 800g o colapso do jorro é praticamente instantâneo, estabelecendo-se então o leito fixo. Porém, após o mínimo jorro, ainda é possível observar uma fase intermediária e posteriormente o estabelecimento do leito fixo para as cargas de 1100 (próximo a velocidade de 0,12 m/s e queda de pressão no leito na faixa entre 470 a 520 Pa) e 1400g (numa velocidade em torno de 0,14 m/s e queda de pressão entre 520 a 630 Pa). Tal comportamento está associado ao aumento da carga (e proporcionalmente à altura do leito de sementes), o que possivelmente promove mudanças na dinâmica das partículas na região do jorro interno. 4.2 Parâmetros operacionais do leito de jorro cônico e convencional A Tabela 1mostra os parâmetros experimentais e teóricos (obtidos pelas correlações) do leito de jorro cônico para as diferentes cargas avaliadas. Tabela 1 Parâmetros experimentais e teóricos para o leito de jorro cônico Massa(g) (m/s) experimental 4,14*/0,09** 5,47*/0,12** 6,28*/0,14** 7,43*/0,16** Altura do leito estático (cm) (m/s) Eq. 2* 5,14 5,72 6,25 6,72 Desvio Relativo (%) 24,22 4,65 0,51 9,45 (m/s) Eq. 3** 0,12 0,15 0,18 0,21 Desvio Relativo (%) 23,76 20,67 25,04 24,57 (m/s) Eq. 4* 5,11 5,92 6,71 7,49 Desvio Relativo(%) 23,48 8,25 6,86 0,75 (Pa) experimental (Pa) Eq ,47 938, , ,95 DesvioRelativo(%) 48,67 17,23 40,22 24,37 (Pa) Eq ,29 969, , ,57 Desvio Relativo(%) 53,12 20,99 45,24 30,58 (Pa) experimental (Pa) Eq ,50 165,97 228,19 297,15 Desvio Relativo(%) 65,16 52,58 39,95 25,71 *Calculado com base no diâmetro de entrada.** Calculado com base no diâmetro da coluna. 455

6 Para o estudo fluidodinâmico, e considerando-se que em procedimentos experimentais erros aceitáveis não devem ser superiores à 30%, é observado pela Tabela 1, que o modelo de Makowski e Kaminski (1983) (Equação 2) para a forneceu desvios extremamente satisfatórios para as cargas de 800, 1100 e 1400 g, correspondendo a 4,65; 0,51 e 9,45%, respectivamente. O modelo proposto por Choi e Meisen (1992), Equação 3, resultou em desvios em torno de 20% para todas as cargas avaliadas. A correlação empírica de Gorshtein e Mukhlenov (1964) (Equação 4) forneceu resultados satisfatórios para todas as massas de sementes testadas. Durante o cálculo da o modelo, proposto por Olazar et al. (1993), que corresponde à Equação 7, foi satisfatório para as cargas de 800 e 1400 g (17,23 e 24,37%, respectivamente) e ao usar o modelo de Kmiec (1980), Equação 8, resultou em desvios aceitáveis apenas para a carga de 800 g (20,99%). A é um parâmetro influenciado, entre outros fatores, pela compactação inicial do leito. Com relação a, com exceção do que foi observado para a carga de 1400 g utilizando a correlação de Manurung (1964) (Equação 11), os demais desvios foram insatisfatórios. Almeida e Rocha (2002) ao avaliar a para diferentes cargas, por meio das correlações de San José et al. (2006) e Pallai e Nemeth (1969), encontraram desvios nas faixas entre 70,9 a 111,5% e 88,4 a 129,4%, respectivamente. Os parâmetros experimentais e teóricos do leito de jorro convencional são mostrados na Tabela 2. A equação proposta por Mathur e Gishler (1955), representada pela Equação 5, é um dos modelos mais utilizados para a determinação de velocidade de jorro mínimo ( e ajustou bem os valores encontrados neste trabalho, de tal forma que seus desvios para as diferentes cargas não foram superiores à 6%. O modelo de Choi e Meisen (1992) ( Equação 3), também resultou em desvios satisfatórios para as cargas de 1300, 1700 e 2100 g, com desvios relativos iguais à 15,1; 16,13 e 15,58%, respectivamente. Os valores teóricos para a foram todos satisfatórios, pois estiveram abaixo ou na faixa de 30%. Tabela 2 Parâmetros experimentais e teóricos para o leito de jorro convencional Massa (g) (m/s) experimental 16,5*/0,41** 19,72*/0,45** 18,71*/0,47** Altura do leito estático (cm) (m/s) Eq. 5** 0,3983 0,4265 0,4448 Desvio Relativo(%) 2,85 5,23 5,35 (m/s) Eq. 3** 0,3481 0,3774 0,3967 Desvio Relativo(%) 15,10 16,13 15,58 (m/s) Eq 6** 0,3813 0,4377 0,4766 Desvio Relativo(%) 6,9 2,73 1,40 (Pa) experimental (Pa)Eq , , ,34 Desvio Relativo(%) 41 42,4 36,83 (Pa) Eq , , ,09 Desvio Relativo(%) 28,06 33,05 28,95 (Pa)experimental (Pa) Eq ,77 711, Desvio Relativo(%) 28,28 20,99 18,99 (Pa) Eq , , ,44 Desvio Relativo (%) 27,7 13,53 17,14 *Calculado com base no diâmetro de entrada.** Calculado com base no diâmetro da coluna. 456

7 No leito cônico, as alturas iniciais do leito estão na faixa de 8 a 14 cm, resultando em quedas de pressão máxima em torno de 470 à 1100 Pa, enquanto no leito convencional, as quedas de pressão são superiores (5600 a 7100 Pa) e as alturas de leito fixo estão entre 20 e 25 cm. O aumento da altura do leito estático, ocasionado pelo aumento da carga de sementes, resultou em parâmetros de maior magnitude no leito de jorro convencional, quando comparado ao leito cônico. Resultados mostrando diferenças no comportamento entreas correlações são comuns quando se trata de análises empíricas, as quais envolvem tanto similaridades geométrica e dinâmica entre os sistemas, como também influência das faixas de propriedades físicas dos materiais utilizados nos experimentos, além da precisão na obtenção dos parâmetros experimentais (ALMEIDA; ROCHA, 2002). 5. CONCLUSÕES As sementes de painço apresentaram comportamento fluidodinâmico satisfatório nas duas configurações de leito utilizadas (jorro cônico e convencional). Os valores dos parâmetros experimentais (, ΔP máx e ΔP S ) no leito de jorro convencional foram superiores ao observado no leito cônico. A correlação de Choi e Meisen (1992) se mostrou adequada na predição dos valores de, tanto para o leito de jorro cônico, quanto para o convencional, com desvios relativos em média de 23,51 e 15,60%, respectivamente. Modelos empíricos são restritos as condições de geometria do leito, características da partícula e condições do fluido utilizado. Dessa maneira, utilizar condições experimentais, que estejam fora das especificações impostas pelas equações teóricas aplicadas, resulta elevados valores de desvio relativo. NOMENCLATURA Ângulo do cone ( ) Ar Número de Arquimedes (adim.) Densidade bulk (kg/m 3 ) Massa específica da partícula (kg/m 3 ) D c Diâmetro da partícula (m) Diâmetro da coluna (m) Massa específica do ar (kg/m 3 ) D i Diâmetro de entrada do gás (m) µ Viscosidade do fluido kg/m.s Aceleração da gravidade (m/s 2 ) ΔP máx Porosidade inicial do leito (adimensional) Queda de pressão máxima (Pa) Altura do leito estático (m) Número de Reynolds no jorro mínimo (adimensional) ΔP S Queda de pressão estável (Pa) raio da coluna (m) ΔP L Queda de pressão no leito (Pa) U jm Velocidade de jorro mínimo (m/s) REFERÊNCIAS ALMEIDA, C.; ROCHA, S. C.. Fluid-dynamics of broccoli seeds in fluidized and spouted beds. Scientia Agricola, v. 59, n. 4, p , BARROZO, M. A. S.; SANTOS, K. G.; CUNHA, F. G. Mechanical extraction of natural dye extract from Bixa orellana seeds in spouted bed. Industrial Crops and Products, v. 45, p , fev

8 CHOI, M.; MEISEN, A. Hydrodynamics of shallow, conical spouted beds. Canadian Journal of Chemical Engineering, v. 70, p , CORDEIRO, D. S.; OLIVEIRA, W. P. Technical aspects of the production of dried extract of Maytenus ilicifolia leaves by jet spouted bed drying. International journal of pharmaceutics, v. 299, n. 1-2, p , 11 ago COSTA, C. M. L. Caracterização e análise experimental do recobrimento de sementes de Jambu (Spilanthes oleracea) em leito fluidizado. [s.l: s.n.]. DA ROSA, G. S.; ROCHA, S. C. DOS S. Use of vinasse to produce slow-release coated urea in spouted bed. The Canadian Journal of Chemical Engineering, v. 91, n. 3, p , 7 mar FERNANDEZ-AKARREGI, A. R.. et al. Design and operation of a conical spouted bed reactor pilot plant (25kg/h) for biomass fast pyrolysis. Fuel Processing Technology, v. 112, p , ago GORSHTEIN, A. E.; MUKHLENOV, I. P. Hydraulic Resistence of a Fluidized Bed in a Cyclon without a Grate. Critical Gas Rate Corresponding to the Beginning of Jet Formation. Zhurnal Prikladnoi Khimii, v. 37, p , MATHUR, K. B..; EPSTEIN, N. Spouted Beds. New York: Academic Press, p. 304 p PAWAR, V. D.; MACHEAD, G. M. Processing of Foxtail Millet for Improved Nutrient Availability. Journal of Food Processing and Preservation, v. 30, n. 3, p , jun PROTA. Plant Resources of Tropical Africa. Disponível em: < Acesso em: 16 set SANTANA, E. B. Análise Experimental do Comportamento Fluidodinâmico e de Secagem de Sementes de Linhaça (Linum usitatissimum L.) em Leito de jorro,