Para o projeto de coluna LFC experimental, há necessidade de complemento da metodologia utilizada, na etapa anterior, levando em conta parâmetros construtivos e limitações dos equipamentos. A primeira complementação, cruza a queda de pressão do sistema com a curva de carga de sopradores comerciais.
Página 106 O cálculo de perda de carga total é baseado nas características dos tipos de partículas ensaiados e altura de nível de leito.
A segunda etapa, envolve cuidados com a parte construtiva de forma que fique fiel a simulação realizada no capítulo anterior. O material especificado para a coluna foi resina, para que um operador possa certificar os regimes desenvolvidos. Para controlar o regime de fluidização, um variador de frequência foi instalado no motor do soprador, permitindo corrigir a injeção de ar na coluna.
A terceira etapa, zela pela conservação do inventário de massa através da malha circulante. A circulação dos sólidos conta com um ciclone e um selo mecânico. A selagem é realizada através de uma válvula não-mecânica chamada válvula L. Se formato do tipo L, permite que as partículas se acomodem no joelho do L, selando a parte circulante e priorizando o escoamento de ar pela coluna. Após a separação da mistura ar-sólidos, o material é empacotado na parte vertical da válvula L. Para evitar que o material acumule na válvula L, injetores laterais de ar empurram o material assentado no joelho de volta para a coluna.
4.1.1 Caracterização de partículas
As partículas selecionadas para os ensaios de quantificação de regimes de fluidização são classificadas nos grupos B e D de Geldart. Esta classificação possui baixa força de coesão entre partículas e pode ser facilmente fluidizável nos regimes borbulhante, turbulento, rápido e o transporte pneumático. O critério de escolha foi baseado na semelhança com partículas de carvão, sob o ponto de vista da facilidade de fluidização.
A Tabela 5 apresenta resultados de medições laboratoriais para três tipos de partículas. A intenção de usar três diferentes tipos de partículas é de avaliar a capacidade dos quantificadores de regimes, baseado nas invariantes do caos de séries temporais de flutuação de pressão, de serem influenciados pelas propriedades físicas das partículas. A esfericidade das partículas foi negligenciada como parâmetro significativo na interação fluido-partícula.
Tabela 5 - Medições da massa específica e porosidade de leito empacotado para o vidro 355 µm, areia 1,0 mm e areia 1,2 mm.
Massa específica [kg/m³] Porosidade de leito empacotado
Vidro 355 µm 2440 ± 30 0,416 ± 0,003
Areia 1,0 mm 2570 ± 20 0,436 ± 0,004
Areia 1,2 mm 2600 ± 40 0,481 ± 0,005
4.1.2 Perda de carga total
Para contabilizar a perda de carga total da bancada experimental, foram calculadas as perdas de carga nos trechos reto, curva, coluna de fluidização com 8 cm de leito e ciclone, na faixa de velocidades suficientes para desempenhar os regimes de fluidização.
A perda de carga (em mmca) do trecho reto é estimada aplicando o método de Moody-Rouse e o diagrama de Moody, através da Equação 47, onde, 𝛾 é o peso específico do ar (11,77 N/m³), 𝑓 = 0,038 é o fator de atrito, 𝐿 é o comprimento da tubulação, 𝐷 é o diâmetro da tubulação e 𝑣̅ é a velocidade média do ar de entrada (0 a 6,59 m/s).
Página 107 𝑅𝑒 =𝜌𝑣̅𝐷𝜇 ∆𝑃𝑡𝑟𝑒𝑐ℎ𝑜 = 𝛾 ∙ 𝑓 ∙𝐷 ∙𝐿 𝑣̅ 2 2𝑔 ∙ 0,102 Equação 47
A perda de carga (em mmca) da curva pode ser estimada de forma semelhante ao trecho reto, usando a Equação 48, onde 𝑓 = 0,03 e 𝐿𝑒𝑞 é o comprimento equivalente da curva 90º.
𝑅𝑒 =𝜌𝑣̅𝐷𝜇
∆𝑃𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎 = 𝛾 ∙ 𝑓 ∙𝐿𝐷 ∙𝑒𝑞 𝑣̅ 2
2𝑔 ∙ 0,102
Equação 48
Para a previsão de perda de carga na coluna, foi estabelecida por simulação numérica considerando 8 cm de altura de leito e diâmetro de partícula de 1,2 mm (maior partícula ensaiada). Através de ensaios, numa faixa de velocidade de entrada de ar capaz de desenvolver os regimes de fluidização, uma correlação analítica 5ª ordem pode ser ajustada (𝑅2= 0,98) e representada conforme a Equação 49, onde a queda de pressão (mmca) foi relacionada com a vazão do ar de entrada (m³/min).
∆𝑃𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎 = 9,0426𝑞5 − 103,01𝑞4 + 430,18𝑞3 − 786,53𝑞2 + 572,22𝑞
+ 0,2927 Equação 49
Por fim, a estimativa da perda de carga de um ciclone de geometria padrão (𝑎 = 0,095, 𝑏 = 0,03, 𝑠 = 0,13, ℎ = 0,17, 𝐷 = 0,11, 𝐷𝑒 = 0,05, 𝐻 = 0,3 e 𝐷𝑏 = 0,05), sugerido por Maurício et al. [179], pode ser dado, conforme Equação 50. O procedimento adotado calcula a perda de carga (em mmca) em função da vazão (m³/min) para uma faixa de velocidade de entrada do ar que desenvolvem os regimes de fluidização (0 a 6,59 m/s)
∆𝑃𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑛𝑒 = 36,16𝑞2 − 3,5578𝑞 + 6,5901 Equação 50
A Figura 64 apresenta o resultado do estudo de perda total numa bancada de leito fluidizado circulante, considerando um leito de 8 cm e partículas de 1,2 mm de diâmetro. A figura apresenta a contribuição de perda de carga de cada trecho (reto, curva, coluna e ciclone), destacando o ciclone como acessório de maior consumidor de energia de pressão (linha com marcador triangular do gráfico superior da Figura 64). O gráfico inferior, apresenta a relação entre as curvas de carga do soprador e a perda de carga total do sistema, no qual se cruza na vazão que o regime de transporte é desempenhado. Assim, a faixa de operacional de pressão e vazão, é suficiente para realização de estudos de quantificação regimes de fluidização numa coluna LFC.
Página 108 Figura 64 - Metodologia adotada para o cálculo de perda de carga total de coluna LFC experimental.
Portanto, um soprador comercial com pressão máxima de 800 mmca e vazões até 5 m³/min foi utilizado para injeção de ar de entrada na coluna LFC experimental. Para alturas de leito acima de 12 cm, o ponto de equilíbrio entre a carga do soprador e a perda de carga total do sistema reduz para velocidades em que apenas os regimes borbulhantes e turbulento podem ser desenvolvidos.
4.1.3 Construção de coluna
A construção da coluna foi baseada, fielmente, na simulação numérica. Assim como na simulação numérica é possível avaliar qualitativamente, através do pós-processamento (animações), um regime de fluidização, a coluna experimental foi especificada com material transparente de resina, 0,11 m de diâmetro interno, 1,1 m de altura e 50 mm de parede.
Um soprador injeta ar o no sistema através de um trecho reto, uma curva, um tela de retenção de leito, a coluna e um ciclone. Nesta banca, o distribuidor de ar da coluna é uma fina tela (1,0 mm) com orifícios de 150 µm (menor do que a menor partícula 355 µm) com única função de sustentar o leito. A distância de trecho reto e suavidade da curva 90º são considerados satisfatórios para manter o escoamento do completamente desenvolvido (distribuído) quando entra em contato com o leito.
O gradiente de pressão imposto pelo soprador é controlador por um variador de frequência (inversor, conforme indicado na Figura 68) capaz de controlar a velocidade do soprador, e consequentemente, o gradiente sobre o sistema.
Além do material transparente, a coluna é reforçada com um trecho de aço para melhorar a rigidez com os acoplamentos mecânicos como o ciclone, conforme a Figura 65. O topo coluna possui uma tampa para limpeza da parede e acesso para remoção de leito através de aspiradores de pó.
As tomadas de pressão são espaçadas em 9 cm, distribuídas ao longo até 10 cm abaixo (para desprezar os efeitos de saída em T da coluna, vide Figura 65) do ponto de saída, no topo da coluna. O volume de posicionamento das tomadas representa a região de interesse de medição, onde são desempenhados os regimes de fluidização.
ΔPcoluna
ΔPcurva
ΔPtrecho
Página 109 A malha circulante experimental inicia com um pescoço, ciclone, trecho reto vertical (downer) e selo mecânico (válvula L) para o retorno do material sólido a coluna (vide Figura 65). A mistura gás-partícula que deixa a coluna pelo topo é separada no ciclone, fazendo com que a fase gasosa saia pela saída superior, enquanto a fase sólida desce para o downer, até o joelho da válvula L.
Figura 65 - Comparativo entre coluna LFC numérica e bancada experimental de leito fluidizado circulante.
Existem vários tipos de selagem mecânica para leitos fluidizados através de válvulas não-mecânicas. A válvula L é uma destas válvulas não mecânicas por que sem partes móveis pode controlar o fluxo de sólidos.
4.1.4 Válvula L
A válvula L é o componente que fecha a malha circulante, encerrando o arranjo para a conservação do inventário de massa, conforma a Figura 66. No joelho da válvula L o material sólido se assenta e através de um fluxo lateral de ar (vide Figura 66), o material sólido é arrastado de volta para coluna.
O posicionamento da aeração ou fluidização lateral de uma válvula L é forte dependente de sua geometria e das características das partículas [180] [181]. O assentamento do material no joelho sela a
Página 110 coluna e a malha circulante. O arrasto lateral deve ser capaz de vencer a contrapressão da coluna e drenar todo material assentado na parte vertical da válvula L.
Figura 66 - Montagem de malha circulante, destacando a selagem mecânica a partir da válvula L.
Um ensaio preliminar, preenchendo a parte vertical da válvula L com areia, mostrou que o pescoço de interligação com a coluna ficou grande, exigindo fluxo de ar lateral com alta energia de pressão para devolver o material assentado para a coluna. Dentre as diversas injeções laterais, a primeira, de baixo para cima, foi utilizada (vide Figura 66) conectado a um compressor. A unidade compressora associado a filtros de remoção umidade e válvula agulha, permitiram um ajuste de arrasto suficiente para promover uma circulação contínua do material (conservação do inventário de massa).