2.1 Sistemas fluidizados
2.1.1 Abordagem convencional de sistemas fluidizados
2.1.1.6 Classificação de partículas segundo resposta à fluidização
Através de observações cuidadosas do comportamento de partículas ao processo de fluidização, desde pós até partículas maiores, Geldart [62] encontrou quatro diferentes grupos e as organizou, segundo a diferença entre massa específica da partícula (sólido granular) e o agente fluidizante (geralmente gás) em função do diâmetro, conforme a Figura 4.
O grupo C da classificação de Geldart [62], são pós finos e coesivos. A fluidização é dificultada devido a forças entre as partículas dominarem face a as forças exercidas pelo gás. O comportamento típico deste tipo de pó, é a formação de canal preferenciais (processo de canalização) onde o leito de partículas não chega a fluidizar [63], conforma Figura 4. A Farinha e amido são exemplos típicos.
O grupo A da classificação de Geldart [62], são partículas aeráveis, com baixo diâmetro e/ou baixa massa específica (< ~1.400 kg/m³). Estes fluidizam facilmente, sofrendo a expansão do leito em baixas velocidades do gás de entrada e o estado de borbulhamento pode ser facilmente controlado em altas velocidades. Exemplos deste tipo são as partículas usadas como fluidos de craqueamento catalítico (FCC) [63], conforme a Figura 4.
O grupo B, da classificação de Geldart [62] são partículas parecidas com areia e massa específica entre 1.400 < 𝜌𝑠 < 4.000 kg/m³. Estes sólidos fluidizam bem e no regime borbulhante produzem bolhas rápidas e grandes [63], conforme a Figura 4.
O grupo D da classificação de Gerdart [62], são de partículas jorráveis, de grandes dimensões e massas específicas. Leitos de grandes profundidades são difíceis de fluidizar. Este tipo de partícula se comporta de forma estranha, provocando grandes explosões de bolhas ou formação de canais preferenciais (canalização), caso o distribuidor não seja uniforme [63], conforme a Figura 4. Exemplos deste tipo de partícula são grãos alimentícios (café, ervilha, etc.) e alguns minérios cozidos.
Página 17 Outros autores como Miyauchi et al. [64] identificaram, dentro das regiões classificadas por Geldart, sub-regiões para cada especificação de partícula, como areias, grãos, pós metálicos, entre outros. A classificação dos tipos de partículas conduz ao mapeamento dos estados de fluidização, considerando colunas com malha circulante, devido ao arrasto excessivo imposto pelos regimes turbulento, rápido e transporte pneumático (vide Figura 5).
A sequência dos regimes de fluidização para partículas do grupo C, da Figura 5, indicam a dificuldade, destas partículas, em fluidizar nos regimes expandido e borbulhante. Tal fato, está atribuído as forças de coesão interpartículas responsáveis um comportamento pistonado ou formação de golfos, característicos da fluidização turbulenta. Aumentado ainda mais a velocidade do gás de entrada é possível alcançar os regimes de fluidização rápido e de transporte pneumático.
A sequência das características de fluidização para partículas do grupo A, conforme a Figura 5, são presenças de expansão de leito e formação de bolhas. Neste tipo de partícula, ficam evidentes as velocidades de transição entre regimes. No regime expandido é verificada a expansão da altura do leito, a partir da velocidade de mínima fluidização, 𝑈𝑚𝑓. Com o aumento da velocidade do gás de entrada, aparecem as primeiras bolhas, marcando o início do regime borbulhante e na velocidade de mínimo borbulhamento, 𝑈𝑚𝑏, enquanto os graus de intensidade de bolhas estão em função do 𝑈𝑚𝑏. Aumentando da velocidade do gás de entrada, as bolhas eclodem, dando lugar a golfos e ejeção de materiais para fora da coluna. O movimento alternativo (sobe e desce) de porções do leito podem ser caracterizados pelo espectro de Fourier de pressão estática. O aumento ainda maior da velocidade do gás de entrada promove o regime rápido, caracterizado pelo escoamento núcleo-anelar, em que o arrasto de sólidos, desde da base até o topo da coluna, ocorre de forma diluída e ascendente pela parte central, e seu retorno, do topo para base, de forma densa e descendente pela parte anelar, também chamado de circulação interna. O último regime é o transporte pneumático, caracterizado pela ausência de circulação interna onde o arrasto ascendente pode ocorrer de forma diluída ou densa.
A sequência das características de fluidização para partículas do grupo B, conforme a Figura 5, a presença das bolhas ocorre próximo a velocidade de mínima fluidização, ou seja, quando 𝑈𝑚𝑓≈ 𝑈𝑚𝑏. A faixa de operação do regime expandido é estreita (ou nula) fazendo com que o leito de partículas do grupo B iniciem o regime borbulhante. A intensidade das bolhas pode variar linearmente com o excesso de velocidade o gás a partir da velocidade mínima de borbulhamento, 𝑈 − 𝑈𝑚𝑏. Os regimes turbulento, rápido e de transporte são semelhantes as partículas do grupo A. Como o grupo B são partículas mais pesadas, o alto consumo energético, geralmente, inviabiliza sua operação em transporte pneumático. A sequência das características de fluidização para partículas do grupo D, conforme a Figura 5, a expansão do leito é nula e as bolhas coalescem (fundem) rapidamente. Isto significa que partículas do grupo D, tendem a não apresentar regimes expandidos e comportamento borbulhante regular, saltando diretamente para o regime turbulento. Como este grupo trata de partícula muito pesada, o alto consumo energético, geralmente, inviabiliza a operação em regimes rápidos e de transporte. Outro fator impeditivo para a operação em regimes rápido e de transporte é o alto grau de colisões que esses regimes proporcionam, podendo danificar essas partículas, geralmente, grãos alimentícios.
Página 18 Figura 5 - Mapeamento da sequência de estados de fluidização e suas transições, para cada tipo de partícula na classificação de Geldart, face ao aumento da velocidade do gás de entrada. Adaptado de [63].
Portanto, a principal diferença entre os regimes fluidização na diversidade de classificação de Geldart é a faixa operacional do regime de fluidização que a velocidade de gás de entrada pode promover. Partículas do grupo C possuem faixas operacionais dos regimes expandido e borbulhante nulas, enquanto partículas do grupo D, podem possuir estreitas faixas de operacionais para o regime borbulhante.
A classificação do comportamento das partículas em diferentes regimes, motivou a proposição de diferentes tipos de mapas de fluidização com o propósito de tentar auxiliar no escalonamento de reatores e colunas de leito fluidizado.