1 - leito fluidizado e bombas (final)

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Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Química Disciplina ENGD03 Relatório: Leito Fluidizado Gás-Sólido e Determinação da Curva de Bombeamento Professor(a): Flávia Cunha Autores: Débora Caldas George Amorim Leandro Jader Tarlen Santana Tacísio Reis

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Page 1: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Universidade Federal da Bahia

Escola Politécnica

Departamento de Engenharia Química

Disciplina ENGD03

Relatório: Leito Fluidizado Gás-

Sólido e Determinação da Curva de

Bombeamento

Professor(a): Flávia Cunha

Autores: Débora Caldas

George Amorim

Leandro Jader

Tarlen Santana

Tacísio Reis

Salvador – BahiaSetembro de 2011

Page 2: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Sumário

1 Introdução...........................................................................................................................2

2 Objetivo...............................................................................................................................2

2.1 Leito fluidizado gás-sólido.......................................................................................2

2.2 Bombas......................................................................................................................2

3 Fundamentação teórica....................................................................................................2

3.1 Leito fluidizado gás-sólido.......................................................................................2

3.2 Bombas......................................................................................................................5

4 Materiais e Métodos..........................................................................................................7

4.1 Leito fluidizado gás-sólido.......................................................................................7

4.1.1 Materiais..............................................................................................................7

4.1.2 Método.................................................................................................................7

4.2 Bombas......................................................................................................................8

4.2.1 Materiais..............................................................................................................8

4.2.2 Método.................................................................................................................9

5 Resultados e discussões..................................................................................................9

5.1 Leito fluidizado gás-sólido.......................................................................................9

5.2 Bombas....................................................................................................................14

6 Conclusão...........................................................................................................................18

7 Referências......................................................................................................................19

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Page 3: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

1 Introdução

Relatório referente às práticas Leito Fluidizado Gás-Sólido e Determinação da

Curva de Bombeamento, realizadas pelo grupo G5 no dia 23 de agosto de 2011 no

Laboratório de Engenharia Química, localizado no 2° andar da Escola Politécnica, sob

supervisão da professora substituta Flávia Cunha, no âmbito da disciplina Laboratório

de Engenharia Química – ENGD03. Este relatório é composto por sete partes:

introdução, objetivo, fundamentação teórica, materiais e métodos, resultados,

conclusão e referências.

2 Objetivo

2.1 Leito fluidizado gás-sólidoA prática de fluidização tem como objetivo a construção experimentalmente da

curva característica de fluidização a partir dos dados de vazão volumétrica de ar e a

queda de pressão no leito e determinar os principais parâmetros do processo de

fluidização, como velocidade e perda de carga de mínima fluidização e comparar

então com as correlações conhecidas na teoria.

2.2 BombasJá a prática de bombeamento tem como objetivo a construção de gráficos de

curva de bomba e de curva do sistema para determinação do ponto de operação.

3 Fundamentação teórica3.1 Leito fluidizado gás-sólido

A fluidização baseia-se fundamentalmente na circulação de sólidos juntamente

com um fluido (gás ou líquido) impedindo a existência de gradientes de temperatura,

de pontos muito ativos ou de regiões estagnadas no leito. Assim, proporciona também

um maior contato superficial entre sólido e fluido, favorecendo a transferência de

massa e calor.

A eficiência na utilização de um leito fluidizado depende do conhecimento da

velocidade mínima de fluidização, que acontece no ponto, onde a força para o

deslocamento das partículas se iguala ao peso destas, também chamado de ponto de

fluidização mínima. Abaixo desta velocidade, o leito não fluidiza, ou seja, a força

aplicada não desloca as partículas; e muito acima dela, os sólidos são carregados

para fora do leito.

Em processos industriais, as aplicações referentes à fluidização estão

associadas, mais comumente, ao regime de leito fluidizado, possuindo ampla

utilização em processos de secagem, transporte, aquecimento e adsorção.

2

Page 4: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

A Figura 1 representa o comportamento típico de uma curva de fluidização, no

qual se vê a queda de pressão no leito em função da velocidade superficial do fluido. A

curva de fluidização permite se identificar cinco regiões que caracterizam o processo.

Figura 1: Curva característica da fluidização

A saber:

REGIÃO OA: Leito fixo. A queda de pressão é proporcional a velocidade superficial.

REGIÃO AB: Início da expansão do leito. A porosidade do leito aumenta e a queda

de pressão aumenta lentamente.

REGIÃO BC: Devido ao aumento da porosidade, a queda de pressão diminui.

REGIÃO CD: Região de leito fluidizado

REGIÃO DE: Começa a existir arraste das partículas. No ponto E, a porosidade é

próxima de 1.

A Figura 1 é representativa da curva de ida, ou seja, da curva de expansão do

leito, que ocorre quando a velocidade do fluido é aumentada. Quando o processo

inverso ocorre, isto é, a contração do leito, a curva é levemente transladada para a

direita, conforme se observa na Figura 2.

Figura 2: Deslocamento da curva de volta em comparação com a de ida.

Esse deslocamento acontece porque, na expansão, existe uma perda de carga

para a ruptura do leito, enquanto na contração essa perda deixa de existir.

Num leito fluidizado, a força total do fluido sobre as partículas deve ser igual ao

peso efetivo do leito, ou seja, a força correspondente a queda de pressão multiplicada

pela área de secção transversal deve ser igual a força gravitacional exercida pelas

3

Page 5: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

partículas menos a força de empuxo correspondente ao fluido de deslocamento. Essa

relação é apresentada na equação 1 e representa a queda de pressão em leito

fluidizado de partículas uniformes, sendo somente utilizada a partir do ponto de

fluidização mínima até o transporte pneumático.

∆ PLmf

=(1−εmf ) (ρ s−ρF ) g (1)

À equação acima denominamos de equação clássica da fluidização ou

equação do ponto mínimo, sendo,

Lmf = altura do leito para mínima fluidização;

εmf = porosidade de mínima fluidização;

S = massa especifica das partículas sólidas;

F = massa específica do fluido;

g = aceleração da gravidade.

A porosidade do leito pode ser determinada através da seguinte forma:

ε=V fluido

V fluido+V só lido

=V total−V s ó lido

V total

(2)

Quando um fluido está passando por um leito de partículas a certa  velocidade,

a queda de pressão (perda de carga) do fluido através do leito é também descrita pela

Equação de Ergun:

(3)

Sendo,

dp: diâmetro da partícula;

μ  : viscosidade do fluido;

ρ  :  densidade do fluido;

ε     : porosidade do leito na mínima fluidização;

Lmf   : altura do leito na mínima fluidização;

∆ Pmf·: queda de pressão do fluido através do leito na mínima fluidização;

vs    :  velocidade superficial média;

Para se determinar a velocidade mínima de fluidização, utilizamos a correlação

de Pavlov apresentada a seguir:

ℜmf=Ar

1400+5,22.√Ar

(4)

4

Page 6: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Sendo,

ℜmf=ρ .V mf .D p

μ

(5)

Ar=ρ. (ρs− ρ)

μ2.D p

3 . g

(6)

Alternativamente, podemos utilizar a correlação de Wen-Yu para o cálculo do

Reynolds de mínima de fluidização:

ℜmf=(33,72+0,0408. Ar )1/2−33,7 (7)

3.2 Bombas

As bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao

líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às

condições de processo. Elas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem

parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética, ou ambas.

Isto é, elas aumentam a pressão do liquido, a velocidade, ou ambas essas grandezas.

As bombas centrífugas são aquelas em que a energia fornecida ao líquido é

primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em

energia de pressão. A energia cinética pode ter origem puramente centrífuga ou de

arrasto, ou mesmo uma combinação das duas, dependendo da forma do impelidor.

Elas operam com vazão constante, são muito utilizadas na indústria (manutenção

barata, baixo custo inicial e flexibilidade de aplicação), permitem bombear líquidos com

sólidos em suspensão, é constituída em duas partes carcaça e rotor.

As curvas características são as curvas que traduzem o funcionamento das

bombas, frutos das experiências dos fabricantes, que fazem a bomba vencer diversas

alturas com diversas vazões, verificando a potencia absorvida e a eficiência da bomba

Para as curvas das bombas, utilizaremos a equação 8, obtida da aplicação da

equação de energia entre os níveis nos tanques que está sendo esvaziado e o

enchido:

AMT=( PD−PS

ρg )+(ZD−Z S )+f (Q ) (8)

Sendo,

PD = pressão de descarga;

PD = pressão de sucção;

ρ = massa específica do líquido de trabalho;

5

Page 7: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

g = aceleração da gravidade;

ZD = altura do nível do tanque esvaziando em relação ao eixo da bomba;

ZS = altura do nível do tanque enchendo em relação ao eixo da bomba;

f(Q) = perda de carga, que depende da vazão;

Denominamos por curva do sistema uma curva que mostra a variação da altura

manométrica com a vazão, ou seja, mostra a variação da energia por unidade de peso

que o sistema solicita em função da vazão. O procedimento para determinar a curva

do sistema é feito da seguinte forma:

1. Fixam-se arbitrariamente varias vazões, estando entre estas, a vazão zero e a

vazão com a qual desejamos que o sistema operasse;

2. Calculam-se então as alturas manométricas correspondentes as vazões

anteriormente fixadas;

3. De posse dos pares de valores (Q, H) resta-nos apenas locar os pontos e

constituir uma curva.

Se colocarmos as curvas do sistema no mesmo gráfico onde estão as curvas

características da bomba, obteremos o ponto normal de trabalho na interseção da

curva QxH da bomba com a curva do sistema. Existem várias formas para alterar o

ponto de trabalho e deslocar o ponto de interseção das curvas QxH da bomba e do

sistema. Como fatores que modificam a curva do sistema, dentre eles estão:

Natureza do líquido bombeado;

Temperatura do liquido bombeado;

Nível de líquido (alturas estáticas de sucção e descarga);

Pressões dos reservatórios de sucção ou descarga;

Características das tubulações e acessórios das linhas de sucção e descarga;

E os entre os fatores que interferem nas curvas características, temos:

Efeito da mudança da rotação nas curvas características;

Efeito da mudança de diâmetro externo do impelidor nas curvas características;

Efeito da natureza do liquido nas curvas características;

Efeito do tempo de serviço nas curvas características;

As bombas são associadas em série e em paralelo. A associação de bombas

em série é uma opção quando, para a vazão desejada, a altura manométrica do

sistema é muito elevada, acima dos limites alcançados por uma única bomba. Já a

associação em paralelo é fundamentalmente utilizada quando a vazão desejada

excede os limites de capacidade das bombas adaptáveis a um determinado sistema.

Na realidade, o uso de bombas associadas, particularmente em paralelo, oferece

vantagens adicionais como flexibilidade e segurança operacionais.

6

Page 8: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Numa associação em série, a descarga de cada bomba é conectada a sucção

da seguinte, de modo que, a vazão do sistema associado é limitada pela bomba de

menor vazão, ou no caso, de bombas iguais, a vazão do sistema será igual à vazão de

uma bomba, enquanto que a altura manométrica desenvolvida será a soma da altura

manométrica desenvolvida por cada unidade. A curva característica do conjunto é

obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as alturas

manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão.

Numa associação em paralelo, a curva característica do conjunto de bombas

em paralelo é obtida se somando as vazões correspondentes aos mesmos valores de

altura manométrica.

4 Materiais e Métodos

4.1 Leito fluidizado gás-sólido

4.1.1 Materiais

O aparato experimental requerido para realização desta prática está

esquematizado na Figura 3. O sistema é composto de válvulas reguladoras de

pressão (V1 e V2), válvula tipo agulha (V3), rotâmetro (R), manômetro diferencial tipo

tubo em “U” confeccionado em vidro usando H2O como fluido manométrico (M) e o

reator de leito fluidizado (LF). O sólido utilizado foi o painço, de massa 128g.

Figura 3: Aparato experimental

7

Page 9: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

4.1.2 Método

O sistema para execução do experimento já estava montado, contendo o sólido

a ser fluidizado e a válvula de pressão já tinha sido regulada, a fim de que a pressão

imposta fosse de aproximadamente 2kgf/cm². A válvula que regulava a vazão de ar foi

sendo aberta progressivamente até que alguns grãos de painço começaram a

apresentar pequenos movimentos, indicando assim a velocidade mínima de

fluidização.

Determinada a vazão de mínima fluidização, estabeleceram-se os valores de

vazão que seriam avaliados durante a prática. Foram tomados pontos, de 0,5 em 0,5

m³/h, na condição de leito fixo (antes da mínima fluidização) e na região de fluidização

propriamente dita (após a mínima fluidização).

Para obtenção da curva característica de fluidização, estabeleceu-se a vazão

0,7 m³/h no sistema e determinou-se a altura do leito e a altura da coluna de água

(perda de carga no leito) para esta situação. Em seguida, aumentou-se a vazão e,

para cada valor pré-estabelecido, determinaram-se também estes parâmetros (altura

do leito e da coluna de água). Nesta etapa, avaliou-se a expansão do leito (curva de

ida).

Posteriormente repetiu-se este procedimento, tendo início na máxima vazão de ar

estabelecida para curva de ida e reduziu progressivamente este valor até a vazão 0,7

m³/h. Nesta etapa avaliou-se a contração do leito (curva de volta). Por fim,

despressurizou-se o sistema.

4.2 Bombas

4.2.1 Materiais

O esquema simplificado para esta prática está representado na Figura 4.

8

Page 10: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Figura 4: Vista lateral e frontal do aparato experimental

Como mostrado, o sistema é composto por 4 bombas centrífugas, 1 rotâmetro,

medidor de pressão de sucção e de descarga em cada bomba, além de estruturas que

formam as redes de passagem de água (joelhos, “T’s” e tubulação).

4.2.2 Método

4.2.2.1 Bombas operando isoladamente

Ligaram-se todas as bombas e abriram-se todas as válvulas para drenar

o ar, sendo fechadas em seguida, com apenas B1 operando e atuando na

válvula para controlar a vazão de água até chegar à vazão máxima. Em

seguida foram escolhidos 6 pontos de vazão incluindo o de vazão máxima.

Para cada ponto de vazão de água foram anotados os valores de pressão na sucção

e na descarga de cada bomba.

O mesmo procedimento foi feito para as outras três bombas (B2, B3 e B4).

4.2.2.2 Bombas operando em série

Foram ligadas as bombas B1 e B2. Atuando na válvula, se chegou a vazão

máxima em que a associação em série das bombas poderia fornecer. Em seguida

foram escolhidos 6 pontos de vazão incluindo a de vazão máxima. Para cada ponto de

vazão de água foram anotados os valores de pressão na sucção e na descarga de

cada bomba.

O mesmo procedimento foi feito pra associação em série das bombas B3 e B4.

4.2.2.3 Bombas operando em paralelo

Foram ligadas as bombas B1 e B3. Atuando na válvula chegou-se a vazão

máxima em que a associação em paralelo das bombas poderia fornecer. Em seguida

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Page 11: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

foram escolhidos 6 pontos de vazão incluindo a de vazão máxima. Para cada ponto de

vazão de água foram anotados os valores de pressão na sucção e na descarga de

cada bomba.

O mesmo procedimento não pôde, entretanto, ser repetido para a associação

em paralelo das bombas B2 e B4, pois a bomba 2 apresentou problemas.

5 Resultados e discussões

5.1 Leito fluidizado gás-sólido

Inicialmente, coletaram-se ou calcularam-se os dados relativos ao fluido, ar, ao

leito formado por painço e à geometria do tubo, como mostrado a seguir na tabela 1. A

temperatura considerada foi de 28°C, ressaltando que esse foi um dado suposto, uma

vez que o grupo esqueceu de se fazer a medida na hora do experimento, podendo,

assim, ser uma importante fonte de erro.

Tabela 1: Dados básicos do experimento de fluidização

Variável Valor UnidadeAltura do leito (fixo) 0,102 m

Diâmetro do leito (Dc) 0,053 mÁrea da seção 0,002206 m²

Massa de sólido 0,128 kgDiâmetro da partícula (dp) 0,0018 m

densidade da partícula 1200 kg/m³Viscosidade do ar 0,00002 kg/(m.s)

densidade do ar 3,44 kg/m³

Gravidade 9,81 m/s²

Os valores experimentais de vazão, altura de leito e altura da coluna de água

estão dispostos nas tabelas 2 e 3, representando, respectivamente, a expansão e

contração do leito.

Tabela 2: Valores de vazão, altura de leito e da coluna de água na etapa de expansão do leito (curva de ida)

Tipo Vazão de ar (Nm³/h) Altura L (cm) ΔP (mm H2O)Leito fixo 0,7 10,20 5,0

1,2 10,20 5,51,7 10,20 6,02,2 10,20 6,52,7 10,20 7,0

Mínima fluidização 3,2 10,20 10,5Fluidização 3,7 10,20 17,0

4,2 10,20 23,0

10

Page 12: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

4,7 10,50 31,05,2 11,50 38,0

Vazão máxima 5,7 13,00 43,0

Tabela 3: Valores de vazão, altura de leito e da coluna de água na etapa de contração do leito (curva de volta)

Tipo Vazão de ar (Nm³/h) Altura L (cm) ΔP (mm H2O)Vazão máxima 5,7 13,00 43,0

Fluidização 5,2 12,00 43,04,7 10,50 43,04,2 10,20 43,03,7 10,20 39,0

Mínima fluidização 3,2 10,20 33,0Leito fixo 2,7 10,20 27,0

2,2 10,20 23,01,7 10,20 19,01,2 10,20 15,00,7 10,20 11,0

Para a obtenção da curva característica de fluidização, é necessária a

obtenção da velocidade superficial a partir das vazões medidas de ar. A relação

utilizada é expressa pela equação 9.

V=QA

= Q

π∙ DC2 /4

,onde DC=0,053m (9)

Tabela 4: Valores de velocidade superficial e da razão da perda de carga pela altura

atingida pelo painço na etapa de expansão do leito (curva de ida) Altura L (cm) ΔP (mm H2O) ΔP/L Velocidade (m/s)

10,20 5,0 0,049019608 0,088136118

10,20 5,5 0,053921569 0,151090488

10,20 6,0 0,058823529 0,214044858

10,20 6,5 0,06372549 0,276999229

10,20 7,0 0,068627451 0,339953599

10,20 10,5 0,102941176 0,402907969

10,20 17,0 0,166666667 0,465862339

10,20 23,0 0,225490196 0,528816709

10,50 31,0 0,295238095 0,591771079

11,50 38,0 0,330434783 0,654725449

13,00 43,0 0,330769231 0,717679819

Tabela 5: Valores de velocidade superficial e da razão da perda de carga pela altura

atingida pelo painço na etapa de contração do leito (curva de volta)

Altura (cm) ΔP (mm H2O) ΔP/L Velocidade (m/s)

13,00 43,0 0,033076923 0,717679819

11

Page 13: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

12,00 43,0 0,035833333 0,654725449

10,50 43,0 0,040952381 0,591771079

10,20 43,0 0,042156863 0,528816709

10,20 39,0 0,038235294 0,465862339

10,20 33,0 0,032352941 0,402907969

10,20 27,0 0,026470588 0,339953599

10,20 23,0 0,02254902 0,276999229

10,20 19,0 0,018627451 0,214044858

10,20 15,0 0,014705882 0,151090488

10,20 11,0 0,010784314 0,088136118

Por fim, construiu-se a curva característica da fluidização, mostrado na Figura 5 a seguir, tanto para a ida quanto para a volta:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

0.45

Curva característica da fluidização para etapa de expansão e de contração do leito

IdaVolta

Velocidade superficial (m/s)

ΔP/L

(cm

H20/

Cm)

Figura 5: Curva característica da fluidização para etapa de expansão e de contração do leito

Para a efetuação dos cálculos de queda de pressão e dos parâmetros

envolvidos neste cálculo, deve-se, primeiramente, optar pela curva mais satisfatória.

Pela teoria, o pico da curva de ida deveria ser maior do que o da curva de volta, o que

pode ser explicado pelo fato de na ida, a vazão ter que ser suficiente pra colocar as

partículas em movimento, ou seja, deve-se vencer a força de atrito entre as partículas,

o que resulta numa maior perda de carga.

O experimento realizado pelo grupo não apresentou, no entanto, essa curva de

expansão desejada. Esse erro pode ter sido causado pelo fato do grupo ter sido o

primeiro a realizar essa prática nesse semestre, ou, até mesmo, por não ter esperado

o manômetro se estabilizar, resultando assim numa leitura incoerente.

No entanto, mesmo a curva de expansão apresentando menor queda de

pressão, a curva de contração do leito apresenta um regime de leito fixo mais linear,

12

Page 14: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

quando comparada à curva de expansão, devendo, portanto, ser utilizada nos

cálculos.

O valor da velocidade mínima de fluidização e da queda de pressão mínima de

fluidização logo antes do pico, ou seja, quando as partículas estão quase

completamente acomodadas, correspondem aos valores de: 0,4029 m/s e 0,3235

cmH2O/cm.

Esses parâmetros obtidos experimentalmente, também podem ser previstos

teoricamente. Inicialmente, encontra-se o valor do número de Arquimedes, dado

anteriormente pela equação 6:

Ar=3,44×(1200−3,44)×0 ,0018³×9,81

(2×10−5 )2=588734,5

Em seguida, usou-se desse valor para a obtenção do número de Reynolds,

dado pela correlação de Pavlov, expresso pela equação 4:

ℜmf=588734,5

1400+5,22×√588734,5=108,9189

Por fim, encontra-se o valor da mínima velocidade de fluidização através da

equação 5:

V mf=108,9189×2×10−5

3,44×0,0018=0,351805m /s

Outra forma de cálculo da velocidade superficial mínima de fluidização é

calculando Reynolds através da correlação de Wen-yu, dado pela equação 7:

ℜmf=[ (33,7 )2+0,0408×588734,5 ]0,5−33,7=124,9066

V mf=124,9066×2×10−5

3,44×0,0018=0,403445m /s

Observa-se que, usando a correlação de Wen-Yu, a velocidade mínima de

fluidização apresentou uma discrepância menor em relação ao experimental (0,14%)

do que usando a correlação de Pavlov (12,68%).

Além da velocidade mínima de fluidização, pôde-se determinar a queda de

pressão mínima para fluidização através do cálculo da porosidade para mínima

fluidização (equação 2), aplicada ao balanço de forças (equação 1) e à correlação de

Ergun (equação 3):

ε=0,5260

Aplicando ao balanço de forças:

∆ Pmf

Lmf

=(1−0,5260 )× (1200−3,44 )×9,81=5564,042 Pam

13

Page 15: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

Aplicando a equação de Ergun usando as velocidades superficiais de mínima

fluidização:

1. Experimental:

∆ Pmf

Lmf

=150.2 .10−5 .(1−0,526 )2×0,40290,5263×0,00182

+1,75.3,44.(1−0,526 )×0,40292

0,5263×0,0018=2344,43 Pa

m

2. Calculada por Pavlov:

∆ Pmf

Lmf

=150.2 .10−5 .(1−0,526 )2×0,3518050,5263×0,00182

+1,75.3,44.(1−0,526 )×0,3518052

0,5263×0,0018=2047,08 Pa

m

3. Calculada por Wen-Yu:

∆ Pmf

Lmf

=150.2 .10−5 .(1−0,526 )2×0,4034450,5263×0,00182

+1,75.3,44.(1−0,526 )×0,4034452

0,5263×0,0018=2347,5 Pa

m

Calculando as discrepâncias para esse parâmetro, obtiveram-se os seguintes

valores, organizados na tabela a seguir:

Tabela 7: Discrepância para valores da queda de pressão na volta

Método Discrepância (%)Balanço de força 75,37Vmf experimental 26,10Vmf por Pavlov 35,47

Vmf por Wen-Yu 26,01

Observando a tabela acima, percebe-se que o método mais eficaz para cálculo

da queda de pressão foi o de Ergun, utilizando a correlação de Wen-Yu, para calcular

a velocidade, apresentando ainda assim relativa discrepância.

O principal fator para essa discrepância é a dificuldade na leitura da vazão,

uma vez que ela estabilizava em valores diferentes do desejado, o que interfere nos

cálculos teóricos. Outro fator, como falado anteriormente, foi a possível leitura

inadequada do manômetro, que talvez não tenha atingido o ponto de equilíbrio durante

a prática. Além disso, o grupo não verificou a temperatura durante a prática, supondo

essa como sendo 28°C, esse feito pode ter também contribuído na discrepância. Além

disso, houve uma dificuldade em determinar exatamente o ponto em que ocorria a

mínima fluidização, o que leva a um erro da vazão experimental de mínima fluidização

e da altura experimental de mínima fluidização, o que pode ter ocasionado o cálculo

de valores dos parâmetros divergentes das condições desejadas.

14

Page 16: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

5.2 BombasCom os valores de pressão de sucção e descarga em cada bomba para cada

valor de vazão, a variação de pressão na bomba (ΔP) foi calculada e convertida de

forma que se adequasse ao Sistema Internacional de Unidades. A Altura Manométrica

Total (AMT) foi calculada de acordo com a equação 8, considerando a temperatura de

25°C e a gravidade igual a 9,81 m/s². Os valores de AMT são expressos em metro de

coluna de água (m.c.a.). Os dados na tabela 8 foram usados para avaliar o

comportamento individual da bomba 1.

Tabela 8: Dados de pressão de sucção e descarga para a bomba 1

Q (m³/h) Psuc (bar) Pdesc (bar) ΔP (bar) ΔP (kg/(m.s²)) AMT (m.c.a.)

3,7 -0,1 1,0 1,1 110000,0 11,263,2 0,0 1,2 1,2 120000,0 12,292,7 0,0 1,3 1,3 130000,0 13,312,2 0,0 1,4 1,4 140000,0 14,341,7 0,0 1,5 1,5 150000,0 15,361,2 0,0 1,6 1,6 160000,0 16,38

De forma semelhante, as tabelas 9, 10 e 11 a seguir representam o

comportamento individual das bombas 2, 3 e 4, respectivamente.

Tabela 9: Dados de pressão de sucção e descarga para a bomba 2

Q (m³/h) Psuc (bar) Pdesc (bar) ΔP (bar) ΔP (kg/(m.s²)) AMT (m.c.a.)3,7 -0,6 0,4 1,0 100000,0 10,243,2 -0,5 0,7 1,2 120000,0 12,292,7 -0,4 1,0 1,4 140000,0 14,342,2 -0,2 1,2 1,4 140000,0 14,341,7 -0,2 1,4 1,6 160000,0 16,381,2 -0,1 1,5 1,6 160000,0 16,38

Tabela 10: Dados de pressão de sucção e descarga para a bomba 3

Q (m³/h) Psuc (bar) Pdesc (bar) ΔP (bar) ΔP (kg/(m.s²)) AMT (m.c.a.)3,7 -0,1 1,0 1,1 110000,0 11,263,2 -0,1 1,1 1,2 120000,0 12,292,7 -0,1 1,2 1,3 130000,0 13,312,2 0,0 1,4 1,4 140000,0 14,341,7 0,0 1,5 1,5 150000,0 15,361,2 0,0 1,6 1,6 160000,0 16,38

Tabela 11: Dados de pressão de sucção e descarga para a bomba 4

Q (m³/h) Psuc (bar) Pdesc (bar) ΔP (bar) ΔP (kg/(m.s²)) AMT (m.c.a.)

15

Page 17: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

3,7 -0,6 0,6 1,2 120000,0 12,293,2 -0,4 0,8 1,2 120000,0 12,292,7 -0,3 1,0 1,3 130000,0 13,312,2 -0,2 1,2 1,4 140000,0 14,341,7 -0,1 1,4 1,5 150000,0 15,361,2 -0,1 1,5 1,6 160000,0 16,38

Para a curva do sistema, devem ser considerados os itens que fazem parte do

trajeto do fluido. O Quadro 1 mostra estes itens com os respectivos coeficientes de

resistência (K).

Quadro 1: Itens presentes no trajeto do fluido

Itens Quantidade ft K Le/D Le individual (m) Le agrupado (m)Entrada 1 - 0,78 34 0,68 0,68Saída 1 - 1 42 0,84 0,84Joelho 10 0,025 30*ft = 0,75 32 0,64 6,4Válvula globo

2 0,025 340*ft = 8,5 350 7 14

Válvula esfera

1 0,025 3*ft = 0,075 3,2 0,064 0,064

Total 21,98Na construção da curva do sistema, serão feitas as seguintes considerações:

A perda de carga no trecho com as bombas 1 e 2 será igual à perda de

carga no trecho com as bombas 3 e 4;

O tubo é liso e o rotâmetro também será assim considerado;

A perda de carga de cada bomba será igual à de um joelho de 90°;

Para a análise individual das bombas e para a associação em série,

cada ‘T’ será considerado um joelho de 90°, visto que o fluido

estagnado depois dele será a barreira q desvia a corrente;

Para o cálculo do fato de fricção será utilizado a equação de Churchill [Mattoa,

Edson Ezequiel, pág. 65]:

f=8 [( 8ℜ )12

+1

(A+B)0,9 ]112

(10)

Onde: A=[2,457∗ln( 1

( 7ℜ )0,9

+ 0,27∗εD )]

16

(11)

B=(37530ℜ )16

(12)

16

Page 18: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

De acordo com as Tabelas 8 até 11, a Figura 6 a seguir mostra a comparação

feita entre as quatro bombas, juntamente com a curva do sistema.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 402468

101214161820

H (m.c.a.) x Q (m³/h)

Bomba 1Bomba 2Bomba 3Bomba 4Sistema

Q (m³/h)

H (m

.c.a.

)

Figura 6: Comparação de comportamento das bombas

Percebe-se que as bombas possuem comportamento similar na faixa de vazão

apresentada, mesmo que a bomba 2 apresente o efeito de drooping, ou seja, a carga

na vazão zero é menor que a desenvolvida para outras vazões.

Na associação de bombas em série, a curva do sistema será a mesma já

representada anteriormente, visto que os itens que compõem o trecho do fluido são os

mesmos. A Figura 7 mostra o desempenho da associação em série das bombas 1 e 2

comparado ao de cada uma delas. A curva do sistema também está representada.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15

20

25

30

H (m.c.a.) x Q (m³/h)

Bomba 1Bomba 2SérieSistema

Q (m³/h)

H (m

.c.a.

)

Figura 7: Associação das bombas 1 e 2 em série

17

Page 19: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

De forma semelhante, a associação das bombas 3 e 4 tem o comportamento

mostrado na Figura 8 a seguir.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15

20

25

30

35

40

H (m.c.a.) x Q (m³/h)

Bomba 3Bomba 4SérieSistema

Q (m³/h)

H (m

.c.a.

)

Figura 8: Associação das bombas 3 e 4 em série

Na associação em paralelo, outra curva do sistema será determinada, pois há

adição de uma válvula globo, uma válvula esfera e aumento do comprimento na

tubulação. O Quadro 2 mostra os itens da associação em paralelo.

Quadro 2: Itens presentes no trajeto do fluido com associação em paralelo

Itens Quantidade ft K Le/D Le individual (m) Le agrupado (m)Entrada 1 - 0,78 34 0,68 0,68Saída 1 - 1 42 0,84 0,84

T 1 0,025 20*ft = 0,5 21,5 0,43 0,43Joelho 9 0,025 30*ft = 0,75 32 0,64 5,76

Válvula globo 3 0,025 340*ft = 8,5 350 7 21Válvula esfera 2 0,025 3*ft = 0,075 3,2 0,064 0,128

Total 28,84

A Figura 9 a seguir mostra o comportamento da associação em paralelo das

bombas 1 e 3, juntamente com a nova curva do sistema.

18

Page 20: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 502468

101214161820

H (m.c.a.)x Q (m³/h)

Bomba 1Bomba 3ParaleloSistema

Q (m³/h)

H (m

.c.a.

)

Figura 9: Associação das bombas 1 e 3 em paralelo

Para as bombas 2 e 4, não foi possível fazer a associação em paralelo, pois a

bomba 2 apresentou vazamento.

6 ConclusãoNo que concerne à parte de fluidização, foi construída a sua curva

característica a partir dos dados de vazão volumétrica de ar e a queda de pressão no

leito com painço. A determinação dos principais parâmetros do processo de

fluidização, tais como velocidade e perda de carga de mínima fluidização, foi feita

graficamente tomando como base a curva de contração (curva de volta), por esta se

apresentar mais linear no regime de leito fixo.

Os erros associados a esse experimento sofrem influência significativa da

dificuldade da leitura dos dados de pressão e, principalmente, na leitura dos dados de

altura do leito, tanto no leito fixo quanto no leito fluidizado, pois, devido ao tamanho e à

leveza das partículas, a verificação da altura do leito foi dificultada por não haver um

‘menisco’ de forma nítida para tal leitura e, com isso, a curva característica do sistema

passa a possuir erros que afetaram alguns resultados.

Por fim, os erros encontrados mostram que a correlação de Wen-Yu é a mais

adequada para o sistema que foi estudado visto que a mesma possui o menor valor de

erro experimental.

Em relação à parte de bombas, foram geradas as curvas das bombas

individuais, em serie e em paralelo. Observou-se q o comportamento individual da

19

Page 21: 1 - Leito Fluidizado e Bombas (Final)

bomba 2 foi diferente das outras, possivelmente refletindo problemas de vazamento

apresentados posteriormente pela mesma. Na associação das bombas em serie a

altura manométrica permaneceu próximo da soma das alturas individuais de cada

bomba como previsto pela teoria. Na associação em paralelo a vazão resultante

permaneceu próximo da soma das vazões individuais de cada bomba.

De acordo com a Figura 1 presente no roteiro de prática, o ponto 1 é o ponto

de encontro das curvas da bomba e do sistema na Figura 6 deste relatório, o ponto 2

está presente nas Figuras 7 e 8, e o ponto 3 encontra-se na figura 9. Vale ressaltar

que algumas considerações feitas foram cruciais para os resultados encontrados e

que a associação em paralelo aumentou pouco a vazão, de forma que não é tão

indicado em alguns casos reais.

7 Referências[1] LUPORINI, S.; Roteiro de atividade experimental: Leito fluidizado gás-sólido,

Laboratório de Engenharia Química I, Departamento de Engenharia Química, UFBA,

2009.

[2] LUPORINI, S.; SUÑE, L.; Operações Unitárias da Indústria Química I, Apostila do

curso, Departamento de Engenharia Química, UFBA, 2002.

[3] MOREIRA, R. F. P. M.; SOARES, J. L. Bombas. Disponível em:

<http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/bombas.htm>. Acesso em: 01 set. 2011.

[4] MATTOS, Edson Ezequiel de; FALCO, Reinaldo de. Bombas industriais. 2.ed. Rio

de Janeiro: Interciencia, 1998.

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