Publicação: Estudo experimental e de simulação da fluidodinâmica de um leito de jorro com tubo Draft
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
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Coorientador
Murata, Valeria Viana
Resumo
O leito de jorro tem sido utilizado em diversos processos como secagem, granulação,
polimerização catalítica, tratamento de resíduos e no revestimento de materiais. A justificativa
desta aplicação é atribuída ao excelente contato fluido-partícula e às características de
circulação dos sólidos. Apesar de sua extensa aplicação este equipamento possui algumas
limitações de ampliação de escala ( scale-up ), sendo necessário um melhor entendimento a
cerca de seu comportamento fluidodinâmico. Assim, o conhecimento de escoamento do fluido
e partículas no interior do leito de jorro é de grande interesse para o projeto deste
equipamento, embora a quantificação da movimentação dos sólidos seja de difícil medida,
mesmo em regiões de menor densidade como na região de jorro. Uma outra limitação
apresentada pela configuração convencional do leito de jorro é o curto-circuito das
partículas, ou seja, o retorno das partículas que estão na interface jorro-anular para a região de
jorro antes de percorrer toda a região anular. Este curto circuito provoca uma maior
distribuição de tempo de residência das partículas, tendo como conseqüência um produto
heterogêneo. Uma alternativa para contornar esta limitação é a introdução de um tubo central
(draft), que além de impedir este problema, pode alterar significativamente a fluidodinâmica
do leito, trazendo outras conseqüências relativas ao contato fluido-partícula. Na modelagem
fluidodinâmica computacional (CFD) de fluxos bifásicos gás-sólido a força de arraste é uma
das principais forças que atua nas partículas, tendo importante papel no acoplamento entre as
duas fases. Além disto, no leito de jorro, a fração de volume de sólidos pode variar de
praticamente zero até o valor máximo do limite de empacotamento, levando a um
comportamento muito mais complexo das forças de arraste do que em sistemas fluidizados
convencionais. Assim, é necessário um cuidado especial na escolha do modelo de arraste que
melhor descreve o fluxo multifásico estudado. Dentre os modelos de arraste analisados no
presente trabalho, o modelo de GIDASPOW et al. (1992) foi o que apresentou as melhores
concordâncias com dados experimentais na condição de jorro mínimo. Neste trabalho, os
perfis fluidodinâmicos característicos do leito de jorro com e sem tubo draft foram simulados
pela técnica de CFD, por meio de um Modelo Granular Euleriano Multifásico, utilizando
sementes de soja como material particulado. As curvas características simuladas de queda de
pressão em função da vazão de ar, para as diferentes configurações do leito de jorro
(convencional e com tubo draft situado à diferentes distâncias da base), foram comparadas
com os dados experimentais apresentando boa concordância. Além disto, foram obtidos perfis
simulados de porosidade na região de jorro e de velocidade da partícula na região anular para
vazão de ar 20% superior a condição de jorro mínimo experimental de cada configuração
(Q=1,2QJM
exp). Finalmente foi feita uma análise da influência da distância do draft à base
(Hd) sobre os perfis simulados de velocidade do ar nas regiões de jorro e anular para uma
mesma vazão de alimentação.
Abstract
The spouted bed has been used in several processes as drying, granulation, catalytic
polymerization, residues treatment and materials coating. This application is due to the
excellent fluid-particle contact and to the characteristics of the solids circulation. In spite of its
extensive application, the spouted bed has some scale-up limitations, so it s necessary a better
understanding about its fluid dynamic behavior. So, the knowledge of fluid and particles
flows inside the spouted bed is of great interest for this equipment project, although the
quantification of the solids motion is difficult to measure, even in regions of smaller density
as in the spout. Another limitation presented by the conventional configuration of the spouted
bed is the "short-circuit" of particles, in other words, the return of the particles that are in the
spout-annulus interface for the spout before traveling the whole annulus area. This shortcircuit
provokes a larger distribution of particles residence time, resulting in a heterogeneous
product. An alternative to outline this limitation is to introduce a central tube (draft) that
besides preventing this problem can also significantly alter the fluid dynamic of the bed,
bringing other relative consequences to the fluid-particle contact. In the Computational Fluid
Dynamic (CFD) modeling of two-phase gas-solid flows the drag force is one of the principal
forces that acts in the particles, and has an important paper in the coupling among the two
phases. Besides, in the spouted bed, the solids volume fraction can vary of practically zero to
the maximum value of the packing limit, taking to a much more compound behavior of drag
force than in conventional fluidized systems. So, it s necessary a special care in the choice of
the drag model that best describes the multiphase flows studied. Among the drag models
analyzed in the present work, the model of GIDASPOW et al. (1992) shows the best
agreements with experimental data in the minimum spout condition. In this work, the fluid
dynamics characteristic profiles of the spouted bed with and without draft tube were
simulated by the CFD technique, through a Multiphase Granular Eulerian Model, using
soybean seeds as particulate material. The characteristic curves of pressure drop in function of
the air flow simulated, for the different configurations of the spouted bed (conventional and
with tube draft located at different distances of the base), were compared with the
experimental data presenting good agreement. Besides, were obtained simulated profiles of
void in the spout area and of particle velocity in the annulus for air flows 20% higher than
experimental minimum spout condition of each configuration (Q=1,2QJM
exp). Finally was
made an analysis of the influence of the distance of the draft to the base (Hd) on the air
velocity simulated profiles in the spout areas and to annulus for a same feeding air flow.
Palavras-chave
Leito de jorro, Tubo Draft, Fluidodinâmica computacional (CFD), Spouted bed, Draft tube, Computational fluid dynamic (CFD), Processo de leito de jorro
Citação
VIEIRA NETO, José Luiz. Estudo experimental e de simulação da fluidodinâmica de um leito de jorro com tubo Draft. 2007. 121 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2007.