Influência de ondas acústicas sobre a dispersão de partículas em um leito fluidizado circulante gás-sólido

Abstract

Leitos fluidizados circulantes (CFB) são utilizados em diversas aplicações industriais, nas quais se deseja uma fluidização mais homogênea possível das partículas sólidas. O perfil de concentração core-anular é uma característica do escoamento ascendente nestes dispositivos e leva a uma maior concentração de sólidos nas paredes do riser. Diferentes alternativas já foram propostas para homogeneizar a distribuição de partículas em risers de CFB. O uso de ondas acústicas para este fim ainda não foi estudado em leitos fluidizados circulantes, embora sua eficácia já tenha sido comprovada para melhorar a fluidização em leitos fluidizados simples. O objetivo deste estudo é verificar se a aplicação de ondas acústicas na direção radial do escoamento em um riser de CFB é capaz de redistribuir as partículas sólidas ao longo da seção transversal. Um dispositivo de ultrassom com frequência de 40 kHz e potência de 10 W foi projetado com o auxílio da Fluidodinâmica Computacional (CFD) e instalado em uma unidade de CFB em escala de laboratório. Nestas simulações verificou-se uma redução média de 50 % no coeficiente de dispersão e de 70 % na perda de carga ao se aplicar o campo acústico. Velocidade, concentração, vazão volumétrica e turbulência foram obtidos para esferas de vidro e catalisador de FCC escoando em ar ambiente, através a técnica PDA. Nos experimentos físicos, houve uma redução máxima de 48 % no coeficiente de dispersão de sólidos aplicando-se ondas acústicas. Um modelo Euleriano gás-sólido acoplado a um modelo de correnteza acústica foi utilizado para validar, através de dados experimentais, a dispersão de partículas sólidas no riser, sendo também realizados estudos variando a frequência e a potência elétrica do ultrassom. A dispersão de partículas foi avaliada através de coeficientes estatísticos e do número de Péclet, indicando que a potência elétrica do ultrassom tem maior influência sobre a dispersão de partículas. Houve uma redução média de 55 % no coeficiente de dispersão de sólidos e 20 % no número de Péclet na região de aplicação do campo acústico. A perda de carga global aumenta em média 18 % ao se utilizar o modelo validado URANS-KTGF-k-epsilon-EMMS com tratamento de parede, porém há redução de até 8 % da perda de carga em frente aos transdutores. Demonstrou-se que a melhor dispersão de sólidos pode ser obtida com frequência acústica de 20 kHz e potência de 20 W. Desta forma, o uso de ultrassom é uma alternativa viável para melhorar a dispersão gás-sólido em risers de CFB. Este estudo é um passo importante para a compreensão do comportamento do escoamento gás-sólido sob influência do ultrassom em risers de CFB e introduz o uso de ultrassom, que antes só era visto em leitos fluidizados, nos processos realizados em leitos fluidizados circulantes.

Abstract: Circulating fluidized beds (CFB) are employed in several industrial applications, in which a more homogeneous fluidization of solid particles is desired. The core-annular concentration profile is a characteristic of the upward flow in these devices and leads to a higher concentration of solids in the riser walls. Different options have previously been proposed to homogenize the distribution of particles in CFB risers. The use of acoustic waves for this purpose has not even been investigated in circulating fluidized beds, although its effectiveness has already been demonstrated to improve fluidization in simple fluidized beds. The aim of this study is to find out if the use of acoustic waves in the radial direction of the flow in a CFB riser can redistribute the solid particles along the cross section. An ultrasound device with a frequency of 40 kHz and a power of 10 W was designed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and installed in a lab-scale CFB unit. In these simulations, there was a mean reduction of 50% in the dispersion coefficient and 70% in the pressure drop when applying the acoustic field. Velocity, concentration, volumetric flux and turbulence were measured for the fluidization of glass beads and FCC catalyst in the air, using the PDA technique. In physical experiments, there was a maximum reduction of 48% in the solids dispersion coefficient by applying acoustic waves. A gas-solid Eulerian model coupled to an acoustic streaming model was used to validate, through experimental data, the dispersion of solid particles in the riser, and studies varying the frequency and electrical power of the ultrasound were also carried out. The dispersion of particles was evaluated through the solids dispersion coefficient and the number of Péclet, showing that the electric power of the ultrasound has greater influence on the dispersion of particles. There was an average reduction of 55% in the dispersion coefficient of solids and 20% in the number of Péclet near to the acoustic region. The overall pressure drop increases on average 18% when employing the validated model URANS-KTGF-k-epsilon-EMMS with enhanced wall treatment, however there is a reduction of up to 8% in the pressure drop in front of the transducers. It was showed that the best solids dispersion can be got with an acoustic frequency of 20 kHz and power of 20 W. Thus, the use of ultrasound is a viable alternative to improve the gas-solid dispersion in CFB risers. This study is an important step towards understanding the behavior of gas-solid flow under the influence of ultrasound in CFB risers and introduces the use of ultrasound, which was only seen in fluidized beds, in processes performed in circulating fluidized beds.