Fluidização: conceito, fundamentos e aplicações industriais
O que é fluidização
Fluidização é o fenômeno físico no qual um leito de partículas sólidas passa a se comportar como um fluido ao receber um fluxo ascendente de gás ou líquido. Quando a velocidade do fluido é suficiente para que a força de arrasto supere o peso das partículas, o leito se expande e as partículas entram em suspensão, adquirindo mobilidade semelhante à de um líquido em ebulição.
Como ocorre a fluidização
Imagine um recipiente com areia fina. Com o ar parado, as partículas estão em repouso (leito fixo). Ao soprar ar pela base, a areia se movimenta, expande e, a partir de determinada velocidade, borbulha como um líquido fervente. Este é o ponto de fluidização mínima.
Fundamentos da fluidização
Velocidade mínima de fluidização (Umf)
A velocidade mínima de fluidização é a menor velocidade superficial do fluido capaz de iniciar o processo. Seu valor depende do equilíbrio entre:
- peso das partículas
- força de arrasto do fluido
- porosidade do leito
Fatores que influenciam a Umf: tamanho e densidade das partículas, viscosidade e densidade do fluido, temperatura e pressão do sistema.
Classificação de Geldart
A classificação proposta por Geldart é referência para prever o comportamento da fluidização conforme as características das partículas.
Grupo A – Aeráveis
Partículas entre 30 e 100 µm, baixa densidade. Fluidizam suavemente, com expansão homogênea antes da formação de bolhas. Exemplos: catalisadores de craqueamento, farinhas.
Grupo B – Borbulhantes
Partículas entre 100 e 800 µm. A fluidização inicia com formação imediata de bolhas, sem expansão homogênea significativa. Exemplos: areia, sal, açúcar.
Grupo C – Coesivas
Partículas inferiores a 30 µm. São coesivas, formam canais preferenciais e não fluidizam adequadamente. Exemplos: talco, amido, pigmentos.
Grupo D – Granulares grandes
Partículas acima de 800 µm, densas. Formam jatos e esguichos, exigindo altas velocidades. Exemplos: grãos, pellets, minérios.
Regimes de fluidização
Leito fixo
Velocidade inferior à Umf. O fluido escoa pelos interstícios sem movimentar as partículas. A perda de carga aumenta linearmente com a velocidade.
Fluidização incipiente ou mínima
Ponto exato em que as partículas começam a suspender. A perda de carga iguala o peso do leito dividido pela área.
Fluidização borbulhante
Regime mais comum em aplicações industriais. Bolhas de fluido formam-se na base, crescem e rompem na superfície, promovendo intensa mistura.
Fluidização turbulenta
Em velocidades elevadas, as bolhas se rompem e o movimento se torna caótico. Há transição para transporte pneumático.
Fluidização rápida e transporte pneumático
Partículas são carregadas para fora do leito, exigindo reciclo. É o regime utilizado em reatores de circulação.
Vantagens e desvantagens
Vantagens
Temperatura uniforme
A agitação intensa elimina gradientes térmicos, condição ideal para reações sensíveis.
Alta transferência de calor e massa
Os coeficientes de transferência são de 5 a 25 vezes superiores aos obtidos em leitos fixos.
Facilidade de manuseio
O leito comporta-se como líquido, permitindo escoamento contínuo por gravidade.
Adequação a grandes escalas
Reatores de fluidização processam continuamente volumes expressivos.
Desvantagens e desafios
Erosão de equipamentos
Partículas em alta velocidade desgastam paredes e componentes internos.
Arraste de partículas finas
A elutriação de frações finas exige sistemas de reciclo ou filtração.
Escala e projeto complexos
A ampliação de escala (scale-up) ainda depende de correlações empíricas e apresenta desafios.
Atrito e cominuição
Partículas podem fraturar ou desgastar-se, alterando a fluidodinâmica do leito.
Aplicações industriais
Indústria petroquímica e de processos químicos
Craqueamento catalítico fluidizado (FCC)
Processo central em refinarias. O catalisador finamente dividido circula entre reator e regenerador, convertendo frações pesadas em gasolina e GLP.
Reações de oxidação e cloração
Produção de anidrido maleico, EDC (dicloroetano) e outros intermediários químicos.
Geração de energia e meio ambiente
Combustão de carvão em leito fluidizado
Tecnologia com menor emissão de SOx e NOx, obtida pela adição de calcário diretamente no leito.
Gaseificação de biomassa e resíduos
Conversão termoquímica de materiais orgânicos em gás combustível.
Incineração de lodos e resíduos industriais
Queima eficiente com recuperação de energia.
Indústria farmacêutica e alimentícia
Secagem em leito fluidizado
Método rápido e uniforme para granulados e pós. Leitos vibratórios auxiliam no processamento de materiais coesivos.
Granulação e recobrimento
Formação de grânulos e aplicação de filmes protetores sobre partículas.
Resfriamento de produtos granulares
Cereais, rações e fertilizantes são resfriados com eficiência.
Metalurgia e mineração
Tostação de minérios
Oxidação controlada de sulfetos metálicos em reatores de leito fluidizado.
