projeto do distribuidor de ar de fluidizado · literatura x cesfamb perda de carga no leito perda...
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Objetivo
• Projetar o distribuidor de ar de um
gaseificador em Leito Fluidizado, tendo
como ferramenta o software de simulação
CeSFaMB (Comprehensive Simulator for
Fluidized and Moving Beds).
Introdução • Projeto SATC/FINEP – “Gaseificação de Carvões
Brasileiros Aplicado à Geração Termelétrica e Produção
de Combustíveis.”
• Objetivo primário do projeto: Obtenção de gás de Baixo
Poder Calorífico.
Aproximadamente 27% das jazidas
de carvão disponíveis no Brasil hoje,
estão localizados nos municípios da
região sul catarinense, cuja principal
camada de carvão é a camada Bonito.
Figura 1 – Mapa de localização das jazidas de carvão no Brasil.
Fonte: modificado de DNPM (1986).
Leito Fluidizado
Circulante
• Apresenta em geral maior taxa de conversão
de carbono, quando comparado ao Leito
Fluidizado Borbulhante e ao Leito Fixo;
•Possui maior eficiência do processo, quando
bem operado;
•Menores taxas de emissões de poluentes
atmosféricos;
•Maior flexibilidade na aplicação dos
combustíveis.
Fundamentação
Teórica
Figura 2 – Tecnologia adotada.
Fonte: do autor.
Tipos de
distribuidores de ar
Figura 3 - (a) placa perfurada, (b) placa porosa, (c) tuyère tipo direcional (“directional nozzle”), (d) tuyère tipo “simple
nozzle”, bocal ou flauta, (e) placa perfurada côncava, (f) placa com grelhas, (g) tuyère tipo “bubble cap” e (h) tuyère tipo “slit
nozzle”
Fonte: (Basu, 2006).
Tipo
distribuidor Vantagens Desvantagens
Placa
perfurada
Simples fabricação, baixo custo de fabricação,
facilidade de modificações (diâmetro do orifício,
ampliação ou redução) e facilidade de limpeza.
Limita a área disponível
para orifícios, ou seja,
limita a velocidade de
injeção.
Distribuidor
tipo tuyère
Permite grande flexibilidade em áreas de injeção
sem sacrificar o diâmetro de cada orifício e ou a
perda de carga no distribuidor. Permite variar o
número e diâmetro de orifícios para ajustar a
velocidade média de injeção do gás através de
orifícios bem como a perda de carga total no
distribuidor.
Alto custo de
fabricação,
dificuldade de
modificação,
dificuldade de
limpeza, presença de
regiões estagnadas.
Tabela I - Comparativo entre os tipos de distribuidores
Fonte: (Karry e Werther, 2003; Kunii e Levenspiel, 1991).
Metodologia
Figura 4 - Esquema do gaseificador com os dados utilizados no dimensionamento do distribuidor (destaque do distribuidor).
Fonte: de Souza-Santos (2011).
Metodologia
Seqüência 1
Seqüência 3
Seqüência 4
Seqüência 2
Figura 5 - Interface do CeSFaMB.
Fonte: do autor.
• 1,0 < ∆Pd < 4,0 kPa
• 30 < Vor < 90 m/s
Não uniforme Uniforme
Figura 6 - Fluidização e borbulhamento não uniforme e uniforme.
Fonte: Basu (2006).
Resultado
Figura 7 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios
(mm) e do diâmetro dos tuyères (mm).
Fonte: do autor.
Resultado
Figura 8 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios
(mm) e do número de tuyères
Fonte: do autor.
Resultado
Figura 9 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do diâmetro dos orifícios
(mm) e do número de orifícios por tuyère.
Fonte: do autor.
Resultado
Figura 10 - Perda de carga no distribuidor e velocidade de ar nos orifícios do tuyère em função do número de orifícios
por tuyère e do número de tuyères.
Fonte: do autor.
Resultados
Diâmetro
dos orifícios
Número de
orifícios por
tuyère
Diâmetro dos
tuyères
Número de
tuyères
Seqüência 1 3 a 4 mm - 15 a 25 mm -
Seqüência 2 3 a 4 mm - - Não influenciou
Seqüência 3 2,5 a 3,5 mm 3 a 5 - -
Seqüência 4 - 8 a 12 - 80 a 100
Resultado 3,0 mm 8 20 mm 104
∆Pd = 3,76 kPa;
∆Pb = 0,71 kPa;
Uor = 37,051 m/s;
ηfrio = 18,23%;
ηquente = 25,20%
Conversão de carbono = 38,53%
Tabela II – Resultados das simulações.
Fonte: do autor.
1. Estrangulamento seguido de expansão da
corrente de gás entre o plenum e a entrada
na flauta;
2. Perda ao longo da flauta;
3. Estrangulamento da corrente de gás ao
passar da flauta para o orifício seguido de
expansão ao sair do orifício para o
interior do reator (mandatória até certo
diâmetro de orifício)
1
3
2
Figura 11 – Perda de carga no distribuidor.
Fonte: do autor.
Literatura x
CeSFaMB
Perda de
Carga no
leito
Perda de
Carga no
distribuidor
Velocidade
através dos
orifícios
Diâmetro dos
orifícios
CeSFaMB 0,710 kPa 3,76 kPa 37,051 m/s 3,0 mm
Literatura (de Souza-Santos, 2010;
Kunii e Levenspiel, 1991;
Basu, 2006; Saxena e
outros, 2009)
0,764 kPa 3,767 kPa 37,051 m/s 3,0 mm
Comparação 6,9 % 0,19% 0,00% 0,00%
Tabela III – Comparativos dos dados encontrados no simulador, com a literatura encontrada
Fonte: do autor.
Projeto
Figura 12 – Prato metálico.
Fonte: do autor.
Projeto
Figura 13 – Tuyère ou flauta.
Fonte: do autor.
Projeto
Figura 14 – Distribuidor de gás tipo tuyère.
Fonte: do autor.
Projeto
Figura 15 – Possibilidade de fabricação dos orifícios. a) saída do gás horizontal, b) saída do gás com inclinação de 45º,
c) comprimento do jato.
Fonte: do autor.
Figura 16 – Comprimento do jato.
Fonte: Kunii e Levenspiel, 1991.
Seleção material
Resistência à tração (N/mm2): 665;
Limite de escoamento (N/mm2): 315;
Dureza Rockwell: B 85;
Temperatura de solubilização (ºC): 1040 à 1065.
Aço inox AISI 310
Figura 17 – Gráficos ilustrando o efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas.
Fonte: Chiaverini (2005)
Conclusões A metodologia adotada permitiu a determinação de:
Dimensões do Distribuidor de Ar;
Diâmetro dos orifícios: ângulo de escorregamento de
sólidos;
Diâmetro dos tuyères;
Isolamento do distribuidor;
Comprimento do jato;
Os valores calculados pela literatura apresentam erros
inferiores a 10%;
Necessidade de validação experimental como
seqüência dos estudos.
Agradecimentos Apoio financeiro: SATC, CNPq, FINEP e FAPESC;
Auxílio na elaboração deste artigo: Eduardo Gonçalves Reimbrecht, Thiago
Fernandes de Aquino, profa. Araí Augusta Bernárdez Pécora e prof. Márcio Luiz de
Souza-Santos (CeSFaMB)
Bibliografia
1.Basu, P. Combustion and Gasification in Fluidized Beds. Edição: Taylor & Francis, p. 496, 2006.
2.Chiaverini, V. Aços e ferros fundidos. 7ª. São Paulo, SP, p. 576, 2005.
3.de Souza-Santos, M. L. CeSFaMB® - Comprehensive Simulator of Fluidized and Moving Bed Equipment
(Manual Series 40,www.csfmb.com). 2011.
4.de Souza-Santos, M.L. Solid Fuels Combustion and Gasification. CRC Press, p. 508, 2010.
5.Karry, S.B.R & Werther, J. Gas Distributor and Plenum Design in Fluidized Beds. In: Handbook of
Fluidization and Fluid-Particle Systems. Yang, W.-C. (editor). Marcel Dekker, New York, p.155-170, 2003.
6.Kunii, D., & Levenspiel, O.. Fluidization Engineering. 2nd ed. John Wiley, New York, p. 491, 1991.
7.Oka, S. N. Fluidized Bed Combustion. New York: Marcel Dekker, p. 616, 2004.
8.Saxena, S. C., Sathiyamoorthy, D. & Sundaram, C.V.. Design principles and characteristics of distributors in
gas-fluidized beds. In: Advances in Transport Processes. Vol. 2., p.241-296, 2009.
9.Sinnot, R. K., Chemical Engineering Design. In: Coulson & Richardson´s Chemical Engineering. Vol. 6.
Butterworth-Heinemann Ltda. p. 730-739, 1997.
10.Smoot, L. D., & Smith, P. J.. Coal Combustion and Gasification. New York: Plenum Press, p. 464, 1985.
11.Williams, A., Pourkashanian, M., Jones, J.M. & Skorupska, N.. Combustion and Gasification of Coal. p.
336, 2000.
12.Yang, W.-C. Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems. 2003.
