Fluidização

Introdução

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; proporcionando 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 em primeiro lugar do conhecimento da velocidade mínima de fluidização. Abaixo desta velocidade o leito não fluidiza; e muito acima dela, os sólidos são carregados para fora do leito.

Leito fluidizado geralmente refere-se a um leito de sólidos finamente divididos através dos quais um passa-se um gás ou um líquido e este se comporta num estado intermediário entre um leito estático e um em que os sólidos estejam suspensos num fluxo gasoso, assim como ocorre no transporte pneumático.

A formação do leito fluidizado se dá quando um fluxo adequado de gás inicia o percurso por entre um leito material acarretando a fluidização. Primeiras bolhas deste gás passam por entre o leito de material criando uma condição de rápida mistura, ou turbulência.

Utilizam-se leitos fluidizados para processos de secagem em indústrias, como do cloreto de sódio e carbonato de sódio, o tratamento de resíduos industriais, a queima de enxofre e pirita na produção de ácido sulfúrico e na queima de biomassa e carvão mineral, na gaseificação de carvão e produção de energia elétrica em termoelétricas.

Desenvolvimento

Descrição de Leito Fluidizado

A fluidização é uma operação em que as partículas sólidas são transformadas em um líquido através de suspensão em um gás ou líquido.

Se um fluido passa subindo através de um leito de partículas finas, ocorre uma baixa vazão, o fluido apenas passa pelos espaços entre as partículas ali paradas. Este é um leito fixo. Com um aumento na vazão do fluido, as partículas começam a se distanciar e ocorre uma pequena vibração e movimentações em regiões restritas, recebendo neste estado o nome de leito expandido.

Quando a vazão é maior do que anteriormente, chega-se ao momento em que todas as partículas são suspensas pelo fluxo ascendente do gás ou líquido. Neste ponto as forças de atrito entre as partículas e o fluido equilibram o peso das partículas. A queda de pressão, através de qualquer seção no leito, torna-se igual ao peso do fluido e das partículas nesta seção. O leito é considerado como sendo fluidizado e é denominado como leito fluidizado incipiente ou um leito na mínima fluidização.

Em sistemas líquido-sólido, o aumento da vazão acima da velocidade mínima de fluidização, resulta em uma fluidização suave, com expansão progressiva do leito. Grandes instabilidades na vazão são expandidas pouco a pouco e permanecem pequenas, e a heterogeneidade, não são observadas sob condições normais. Este leito é chamado de leito fluidizado particulado, leito fluidizado homogêneo ou suave. Em sistemas gás-sólido, este leito pode ser observado somente em condições especiais de partículas muito finas com gás de elevada massa específica e a altas pressões.

Geralmente, os sistemas gás-sólido comportam-se de maneira diferente. Com um aumento da vazão acima da mínima fluidização, é observada uma grande instabilidade do leito, com formação de bolhas e canais preferenciais de gás. Vazões maiores provocam uma maior violência nas agitações e o movimento dos sólidos torna-se mais enérgico.

Além disso, o leito não expande muito, mantendo o seu volume próximo ao volume na condição de mínima fluidização. Este leito é chamado de leito fluidizado agregativo, leito fluidizado heterogêneo ou leito fluidizado borbulhante. Em casos mais raros, sistemas líquido-sólido se comportam como leitos borbulhantes. Isto ocorre quando um sólido muito denso é fluidizado com um líquido de baixa densidade. Tanto o leito fluidizado gasoso como o líquido são considerados como sendo leitos fluidizados de fase densa, contanto que a superfície do leito seja claramente definida.

Em sistemas gás-sólido, bolhas de gás se unem e aumentam conforme vão subindo no leito. Em um leito bastante profundo e de diâmetro pequeno, elas podem se tornarem grandes o suficiente para expandir-se pela coluna. Este comportamento é conhecido como slugging ou slugs axiais. No caso de partículas grandes, a porção do leito acima das bolhas é empurrada para cima, como um pistão; partículas caem para o slug de baixo, e conforme vão subindo, estas porções de sólidos desaparecem. Após este tempo outros slugs se formam, e o movimento vacilante instável é repetido. Este é o chamado slug completo.

Quando partículas finas são fluidizadas a uma vazão de gás suficientemente alta, a velocidade terminal dos sólidos é excedida, a superfície superior do leito desaparece, suspensões de partículas tornam-se mais firmes e a formação de bolhas passa a se apresentar instável, onde se observa um movimento turbulento de agrupamentos de sólidos e vazios de gás de vários tamanhos e formas. Este é o leito fluidizado turbulento. Com um aumento na velocidade do gás, os sólidos são arrastados do leito com o fluido. Neste estado tem-se um leito fluidizado disperso.

Na fluidização turbulenta ou de fase leve, grandes quantidades de partículas são arrastadas, impedindo operações em estado onde as partículas estão paradas. Para operações em estado estacionário neste modo de contato, as partículas arrastadas tendem a ser coletadas em ciclones e retornadas ao leito. Em leitos fluidizados turbulentos, ciclones pequenos podem ser ajustados. Este sistema é muitas vezes chamado de leito fluido. Por outro lado, a taxa de arraste é muito grande em leitos fluidizados de fase leve, que usualmente necessitam de grandes ciclones coletores na saída do leito. Este sistema é chamado de leito fluidizado rápido.

Para a boa operação de leitos fluidos e fluidizados rápidos, a recirculação dos sólidos constante e uniforme, através de dispositivos de coleta dos sólidos, é extremamente importante. Estes leitos são chamados de leitos fluidizados circulantes.

O leito de jorro representa um modo de contato em que comparativamente sólidos de tamanhos uniformemente maiores são movimentados pelo gás. Nesta operação, uma velocidade alta de jorro do gás atravessa o leito de sólidos, transportando partículas para o topo do leito. Os sólidos restantes movem-se lentamente em contracorrente com o gás em torno do