aula fluidizaçao

O LEITO FLUIDIZADO

USADO PELA PRIMEIRA VEZ POR WINCKLER (1922)

 REDUÇÃO DA RESISTÊNCIA EXTERNA :

 REDUÇÃO DA RESISTÊNCIA INTERNA

%

5

1

0









Ce

k

FL

Ce

Cs

fe

1

2







DcCs

FL

c

 OS REATORES DE LEITO FLUIDIZADO CATALÍTICOS OU

NÃO, SÃO USADOS NA INDÚSTRIA A MAIS DE 60 ANOS

AS PRINCIPAIS APLICAÇÕES SÃO:

 COMBUSTÃO DO CARVÃO  INCINERAÇÃO DE REJEITOS

 RECUPERAÇÃO DE CLORO POR OXIDAÇÃO DO GÁS

CLORÍDRICO

O

H

Cl

O

HCl

₂

2

₂

2

₂

4







(Processo Shell-Deacon)

 POLIMERIZAÇÃO DE ETENO E PROPILENO (Processo Unipol)

VANTAGENS:



Poder usar um catalisador sob forma de partículas

finas

(Redução da limitação interna)



Consegue uma boa turbulência

(Redução da limitação externa)

O LEITO FLUIDIZADO APRESENTA: 

Uma boa isortemicidade

ausência de pontos quentes (hot-spot), a transferência de calor é eficiente

 A possibilidade de subs do catalisador durante a operação para regeneração

DESVANTAGENS

Expansão do leito alta

( necessidade de volumes altos do reator)

Possibilidade de arraste das partículas

Como escolher o tipo de reator G/S a usar em

escala industrial?

A escolha do reator depende de vários

fatores, os principais são:

A velocidade da reação

A estabilidade do catalisador

O produto procurado

ESQUEMA DA ESCOLHA DO REATOR CATALÍTICO

Gás/Sólido

VELOCIDADE DE REAÇÃO LENTA PARTÍCULAS GRANDES LEITO FIXO RÁPIDA PARTÍCULAS FINAS

LEITO FIXO NÃO PODE SER USADO

DESATIVAÇÃO DO CATALISADOR

DESATIVAÇÃO DO CATALISADOR

SEM CIRCULAÇÃO DO SÓLIDO LENTA OU DESPREZÍVEL

PRODUTO INTERMEDIÁRIO PROCURADO

LEITO FLUIDIZADO EM VÁRIOS ESTÁGIOS

NÃO LEITO FLUIDIZADO

DESATIVAÇÃO DO CATALISADOR

DESATIVAÇÃO RÁPIDA

RECIRCULAÇÃO DO SÓLIDO

PRODUTO INTERMEDIÁRIO PROCURADO

LEITO FLUIDIZADO RÁPIDO OU LEITO TRANSPORTADO

(PISTÃO)

LEITO FLUIDIZADO COM SÓLIDO CIRCULANTE

(P.A)

TRÊS TIPOS DE FLUIDIZAÇÃO

Fluidização Líquido/Sólido

(fluidização homogênea)

Fluidização Gás/Sólido

(fluidização heterogênea)

Fluidização Gás/Líquido/Sólido

(fluidização trifásica)

Tipo de montagem de fluidização

Válvula Bomba Zona de homogeneização Leito fluidizado

Ln P: PERDA DE CARGA

HISTERESIS

Fenômeno de canais preferenciais

A Ln u_sf (velocidade superficial do fluido) Leito fluidizado Leito fixo B C u_mf P_mf V I

A) Leito fixo

C) Fluidização Agregativa das bolhas (bubbling)

D) Fluidização pistonada E) Fluidização Turbulenta F) Fluidização Rápida

B) Fluidização do leito Uaf

Líquido: Particulado

Gás :rara

GRÃO DO CATALISADOR



_{s :}

Massa específica do sólido que forma o

catalisador



3



m

kg





s p _i





_{ 1}



_{p :}

Massa específica aparente do grão do catalisador

S

_{p :}

Àrea superficial específica

( BET)

kg

m

2

FORMA E DIMENSÃO DO GRÃO

Em geral, para qualquer partícula, esférica ou não, nós definimos o diâmetro médio assim:

= G (soma dos volumes das partículas contidas por unidade de volume do reator)/ L (soma das superfícies externas das partículas por unidade de volume do reator)

1

d

S V G d    1









V

1

POR DEFINIÇÃO, NÓS TEMOS:

(sem unidades)

Onde: Fração de vazios no reator

Superfície total externa das partículas por volume do reator (m2_/m3₎







S

a

_s

Finalmente, temos:





S

a

G

d

₁



1





n

V

d







6

3 2

_n

S

d







2 3 s



Temos também:

n= número de grãos por unidade de volume do reator

COEFICIENTE DE ESFERICIDADE OU FATOR DE FORMA

Onde:

= (Superfície de uma esfera/ superfície da partícula

s



Na fluidização, a definição adaptada é a seguinte:

i i

t

x

d







1

100

 

_i i

f

t

x



Vazão de massa das partículas de diâmetro inferior ou igual até sobre a massa total das partículas

A distribuição de massa

é geralmente fácil de obter-se experimentalmente

x

_i xi(%) xi

{

xi2

2

1 i i i

t

t

t







t_i (m)

 

_i

i

f

t

a



i i i i

a

t

a

t

d











₂3 1 1

d

O DIÂMETRO PODE SER DETERMINADO TAMBÉM A PARTIR DA DISTRIBUIÇÃO ACUMULADA NUMÉRICA

a

_i = vazão do número das partícula de diâmetro inferior ou igual a até sobre o número total das partículas

A: Fluidização fácil ou do tipo agregativa B: Fluidização fácil ou tipo particulada

C: Fluidização praticamente impossível por causa das forças de superfície entre grãos serem muito elevadas (farinha)

D: Fluidização possível mas de qualidade não boa (grão do trigo) Diâmetro médio (m) (GELDART, 1973) DIFÍCIL FÁCIL FÁCIL INSTÁVEL D B A C 100 1000 10 2000 200 5000 2000 500

Uma vez verificada as condições de fluidização,

TRÊS

grandezas devem ser determinadas:

 Velocidade superficial mínima de fluidização U_mf

 Velocidade superficial de arraste das partículas U_e

 Expansão do leito (  )em função de U_sf

(Velocidade superficial do fluido)

Dificuldades de modelização e extrapolação

CONCEITOS FÍSICOS DA DISPESÃO FLUIDO/SÓLIDO

* Velocidade mínima de fluidização ocorre quando :

A força de atrito do fluido = peso aparente das partículas

Equilíbrio

:

:

:

P A A

P

P

F







F

A



A

P



Força de atrito Força de

Peso das partículas

P









g

L

P

f P T















1

P_T: Perda de carga total no leito L : Altura do leito



_P : Massa específica das partículas



_f : Massa específica do fluido



: Porosidade do leito





LSg





LSg

S

P

_T





_P









_f







1

1

Vs VR (1)























g

L

P

P

g

L

P

P

Sg

L

S

P

P

mf f P mf T T mf mf f P T T mf mf f P T T











































1

1

1

2 1 2 1 2 1







g

L

P

mf f P mf T















1









P mf f mf mf P mf f mf mf mf T

d

u

B

d

u

A

L

P

2 3 2 3 2

1

1























A partir de (11), nós temos: Equação de Ergun (1952) A = 150 e B =1,75 (12) (2)





















































f p mf f mf f P mf f mf mf f P f P f P mf f mf mf f P f P mf f mf mf mf f P f mf f P mf f P f P mf f mf mf P mf f mf mf mf P

d

u

B

d

u

A

d

g

d

u

B

d

d

u

A

d

g

d

d

u

B

d

u

A

g

f











































































2 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 3 2 3 2

1

1

1

1

1

1

1

1

1









































₂ 3 3

1

em mf em mf mf

R

B

R

A

Ar













A partir de (1) e(2)

f P mf f em

d

u

R











5

,

24

1650

1

3 3







mf mf mf

B

A







(15)

R_em: número de Reynolds da partícula no mínimo de fluidização

Wen et al. (1966)

(16)

(17)

Desse modo (14) fica:







1

3

,

6

10

1



7

,

33



5 1/2







Ar

x

R

_em

Finalmente:

Equação(19)







5

3



1/ 2

2

3, 6 10

33, 7

(1

P

f

f

P

)

1

f

mf

P

f

f

x

gd

u

d



 











_





















1650

Ar

R

_em







f

g

d

u

_mf P P f







1650

2





5

,

24

2

Ar

R

_em







f f P P mf

g

d

u







5

,

24

2





Se R

_em

< 20

Se R

_em

> 1000

(20) (21)

Na Fluidização

G/L



log

1



356

,

0

0

,

1



₁₀





_P mf

d



( relação de LEVA (1959) )

D

_p

em



m

g

d

g

d

d

u

C

_{D f} E P _P P _f P

6

6

4

2

3 3 2 2













_



















f D P f P E

C

d

g

u











3

4

2

Determinação da velocidade de arraste: u

_E

Temos o balanço das forças sobres a partícula esférica de diâmetro d_P

Força de arraste

Peso da partícula Força de Arquimedes

Depois da simplificação temos:

et D

R

C



24

6 , 0

5

,

18

et D

R

C



44

,

0



D

C

 REGIME DE STOKES

 REGIME DE ALLEN

 REGIME DE NEWTON

2

0



R

_et



500

2



R

_et



5

10

2

500



R

_et



x





f p f P t

d

g

u







18

2









6 , 0 4 , 0 6 , 1 4 , 1 0,07 f f f P P t g d u









 





f P f P t

d

g

u











3

,

03

Regime de stockes

2

0



R

_et



500 2  R_et  5 10 2 500 R_et  x LEI DE STOKES

Regime de Allen

Regime de Newton

LEI DE ALLEN LEI DE NEWTON

t

sf

mf

u

u

u





90

10





mf t

u

u

10

5





mf sf

u

u

t

Mf

u

u



As condições hidrodinâmica de funcionamento do reator são:

n f i sf

u

u





C P t i

D

d

u

u



₁₀



10

log

log

EXPANSÃO DO LEITO FLUIDIZADO

Caso de Sistema (LIS)

Relação de Richardson-Zaki

Com:

Onde:

















C P

D

d

n

4

,

65

20

03 , 0

18

4

,

4































_et C P

R

D

d

n

01 , 0

18

4

,

4































_et C P

_R

D

d

n

1 , 0

4

,

4





R

_et

n

4

,

2



n

f p t f et

d

u

R





2

,

0



et

R

1 2 , 0  R_et 

200

1



R

_et



500

200



R

_et



500



et

R

Com Fluidização (G/S)