TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I (Transferência de quantidade de movimento) Aula 22 – Transporte Pneumático

Transporte Pneumático Quando a vazão da fase fluida excede a velocidade de sedimentação livre das partículas, o leito fluidizado perde a sua identidade, pois as partículas sólidas são transportadas pela corrente do fluido. O transporte pneumático tem sua aplicação industrial destacada desde o início do Século XX, devido a algumas de suas características principais: Os baixos custos de manutenção e operação A grande variabilidade de produtos transportados A alta flexibilidade dos projetos, podendo haver o transporte vertical e/ou horizontal, além de diversos sistemas de alimentação de sólidos. O Transporte Pneumático se refere ao movimento de partículas sólidas em um fluxo de gás através de tubos horizontais e/ou verticais. Os transportadores pneumáticos podem ser usados para partículas que variam de pós finos a pelotas, com densidades aparentes de 16 a 3200 kg/m3.

Os materiais tipicamente transportados são: Alumina Óxido de alumínio Alimento para bebês Argila Barita Bauxita Bentonita Bórax Carbonato de cálcio Areia Cloreto de cálcio Negro de fumo Cimento Café (cru, torrado, moído) Detergente Feldspato Carvão Farinha Cinza Fluorita Gesso Óxido de ferro Caulim Calcário Magnésio Leite em pó Amendoim Resina de PVC Açúcar E muito mais! Um projeto adequado deverá prever o tipo de tubulação a ser utilizada, de acordo com o grau de abrasividade e corrosão possivelmente gerados pela composição dos materiais. O levantamento criterioso destas características poderá exigir do projeto a utilização de materiais resistentes como aço inox ou até mesmo PVC, sendo que os raios de curvatura deverão ser largos com a possibilidade de "chapas de desgaste" que propiciem sua substituição.

Transporte pneumático: fases densa e diluída O transporte pneumático em fase densa (alta pressão; >43psi) pode ser o método mais confiável e eficiente para a manipulação de uma grande variedade de sólidos secos a granel. A definição de transporte pneumático em fase densa significa uma pequena quantidade de ar para movimentar uma grande quantidade de sólidos a granel de forma pulsante em porções através da linha de transporte. Baixas velocidades são utilizadas (0,2-5,0 m/s). Video fase densa: http://www.youtube.com/watch?v=qSe1gWfEyIw&feature=related Video compressor: http://www.youtube.com/watch?v=rIqCkrCFSB0&feature=related

A baixa velocidade de transporte resulta em uma manipulação mais delicada dos sólidos altamente abrasivos que não toleram degradação. Para muitos materiais frágeis, granulares ou cristalinos, não existe processo mais adequado. Os sistemas pneumáticos em fase diluída (baixa pressão; 14psi) utilizam grande quantidade de ar para remover quantidades relativamente pequenas de material em uma suspensão a altas velocidades (10-30 m/s). Utilizam sopradores e/ou ventiladores. Video ventilador centrífugo: http://www.youtube.com/watch?v=9Q5uwubweqo&feature=fvst

Transportar em regime de fase diluída ou fase densa ? O engenheiro projetista tem quatro escolhas típicas para especificação de um sistema de transporte pneumático. 1. Operação de fase diluída a vácuo (sensíveis à distância comparado ao sistema de pressão, pois possui diferencial máximo de pressão ser de 5,5 a 6,0 psi) Operação de fase diluída sob pressão (alcançam um diferencial de pressão de 12 psi facilmente) 3. Operação de fase diluída a vácuo-pressão 4. Operação em regime de fase densa sob pressão A escolha entre operar em regime de fase diluída ou densa, depende tipicamente das propriedades dos sólidos. Por exemplo, a operação a uma velocidade mais baixa é comum para os produtos altamente abrasivos ou para aqueles que degradam facilmente.

Por simplicidade, uma classificação sugerida por Klizing et al (1997) é dada na tabela abaixo, onde tem-se valores para a razão entre vazão mássica do sólido e do fluído:

Dimensionamento de um transportador pneumático O projeto requer a análise das propriedades do material que deve ser transportado (tendência ao torreamento, a facilidade de fragmentação das partículas e quaisquer possibilidades do pó explodir com a mistura com oxigênio) e das condições operacionais, como as pressões, temperaturas, etc. Existem equações disponíveis para se utilizar no dimensionamento de equipamentos para transporte pneumático (veja por exemplo: Foust et al, 1982 p.571; Klizing et al, 1997), no entanto, a ampla variação das propriedades dos sólidos e as tendências de os sólidos se aglomerarem e aderirem às superfícies da parede, fazem com que o emprego destas equações seja problemático (exceto quando se trata de sólidos que escorrem livremente, com dimensões quase uniformes e elevada esfericidade). Os nomogramas mostrados adiante, juntamente com as tabelas adicionais, podem ser usados para um projeto inicial. As informações empíricas de projeto usadas no exemplo a seguir, assumem que o ar é o gás de arraste, mas para um projeto preliminar, estas cartas serão suficientes para outros gases, como nitrogênio.

Exemplo: Projetando um sistema de transporte pneumático de sólidos Admita um sistema com os seguintes parâmetros: Comprimento: 200 pés de tubo reto com 4” de diâmetro interno Acessórios: 2 cotovelos de 90 graus Densidade aparente: 60 lb/ft3 (960 kg/m3) Vazão mássica de sólidos desejada: 25.000 lb/h (cerca de 11.340 kg/h) Etapa - 1: Determine o comprimento equivalente da tubulação para o sistema Assumindo que cotovelos de 90 graus têm um comprimento equivalente de 25 pés (7,6 m), para o nosso exemplo temos um comprimento equivalente = 200 ft + 2 (25 ft) = 250 ft

Etapa - 2: Escolha uma velocidade de gás inicial para mover as partículas Usando a tabela ao lado, escolhemos a velocidade inicial de gás. Para nosso sistema temos uma velocidade inicial de gás de 7150 ft/min (2179m/min).

Etapa - 3: Vazão de ar exigido Na Carta 1, trace uma linha reta da velocidade inicial para o diâmetro do tubo e prolongue a linha para encontrar a vazão de ar. Para nosso sistema, nós começaremos com um tubo comum de 4 polegadas de diâmetro. Este procedimento resulta uma vazão de ar inicial de 610 ft3/min. Usando Q=v.A é a mesma coisa (até mais preciso que a leitura)

Etapa - 4: Encontre a relação de sólidos Na Carta 2 trace uma linha conectando a vazão de ar da Etapa 3 (610 ft3/min) e a capacidade requerida do sistema (25000 lb/h). Esta linha cruzará a linha de relação de sólidos no centro. Para nosso sistema, temos uma relação de sólidos de cerca de 9,5. Se a relação de sólidos estiver acima de 15, reinicie os cálculos para um diâmetro de tubulação superior ao escolhido anteriormente.

Etapa - 5: Determine o fator de projeto para o seu sistema Na Carta 3, faça a partir do valor do diâmetro do tubo (4”) para o volume de gás (610 ft3/min) e leia o fator de projeto na linha central. Para nosso sistema, isto dá um fator de projeto igual a 90.

Etapa - 6: Determine a perda de pressão no sistema Na Carta 4, faça uma linha a partir do comprimento equivalente do sistema para o fator de projeto e estenda esta linha para a linha no centro do quadro. Agora, conecte o ponto de interseção entre a primeira linha e a linha do centro com a relação de sólidos no extremo direito. Leia a perda de pressão do sistema no ponto de interseção com esta linha. Para nosso sistema, é aproximadamente 12,5 psi (86 kPa). Se a perda de pressão for maior que 12 psi para sistemas de pressão (diluida ou densa) ou 5 psi para sistemas de vácuo, reinicie os cálculos com outro valor de diâmetro. Embora nosso exemplo tenha uma queda de pressão que provavelmente é muito alta, nós continuaremos para a Etapa -7. 9,5 250ft 86 90

Etapa - 7: Determine a potência útil requerida pelo sistema Na Carta 5, conecte a perda de pressão do sistema com a vazão de gás e leia as exigências de potência útil na linha central. Para nosso sistema, este valor seria 48 HP. Ignorar a linha azul! 86 610

Exercício: Respostas: Na fabricação de leite em pó, após as partículas serem secas em um spray dryer, elas são transportadas pneumaticamente do fundo do secador para ciclones de separação no topo da fábrica. Numa fábrica que produz 10000 lb/h de produto, o transportador é um tubo de 2,5” de diâmetro interno. O leite em pó tem dimensões médias de 600.10^6 m, e sua densidade aparente no fundo do silo do spray dryer é de 20 lb/ft3. Calcule a perda de pressão na tubulação admitindo que a pressão atmosférica age logo após o produto entrar no ciclone. Respostas: Comprimento equivalente = 110ft Velocidade do gás = 4120 ft/min (1256 m/min) Vazão do gás = 140 ft3/min Relação de sólidos = 4,3 Fator de projeto = 40 Perda de pressão = 7kPa (potência indisponível pelo nomograma)