Tanques agitados trifásicos, Stirred Slurry Reactor

Tanques agitados trifásicos, Stirred Slurry Reactor, é um tipo de reator trifásico onde a agitação mecânica, proveniente de um agitador e gás aspergido, faz com que a suspensão líquido-sólido juntamente com o gás aspergido seja vigorosamente misturado dentro do vaso do reator, através da turbulência gerada na lama. A suspensão de partículas e a distribuição de gás são mantidas pela agitação mecânica e pela ação obstrutiva dos defletores posicionados ao longo da parede do vaso, assegurando que toda a área da superfície da partícula do catalisador está disponível para transporte de massa.

2.1. Propriedades e design do reator de lama mecanicamente agitado

A Tabela 6.4 mostra os atributos macroscópicos que podem ser obtidos nesses reatores trifásicos a partir de um ponto de vista mecânico e configuracional. Em reatores de lama agitada, a ação do agitador causa a “corte” das bolhas que emana do distribuidor, e assim o tamanho de bolha no estado estacionário alcançado no reator é largamente determinado pela quebra causada pela ação do agitador.

Propriedade	Stirred Slurry Reactor
Razão altura/diâmetro	1–3
Dispositivo primário de mistura	Agitadores
Distribuidor de gás	Anel de aspersão / rotor de indução de gás
Suspensão do catalisador / utilização	Velocidade crítica do rotor / suspensão quase uniforme
Tamanho da bolha	Quebra dominada
Distribuição do tempo de residência da fase líquida	Backmixed
Conversão de fase gasosa	Alta
Conversão de fase líquida	Média
Uniformidade de temperatura	Excelente

Figura 1Quadro 6.4 Principais características e atributos de performance do reator de lama mecanicamente agitado (Stirred Slurry Reactor)

Segundo KNOZINGER E WEITKAMP (1997), o backmixing das fases líquida e gasosa, bem como a mistura de sólidos no Stirred Slurry Reactor é próxima ao ideal. Tais características são importantes vantagens desse reator se comparado a outros reatores trifásicos pois uma deficiente mistura frequentemente resulta em um decréscimo da taxa de reação. Reatores de lama mecanicamente agitados possuem como característica alto contato do líquido com as partículas sólidas, o que em muitos casos melhora a eficiência de catalisadores na reação. O fluxo radial de temperatura e as trocas térmicas também são favorecidas nas principais configurações desse tipo de reator. A Figura 6.1c mostra o esquema de um Tanques agitados trifásicos.

[pic 1]

Figura 2Figura 6.1 Diagrama esquemático de reator industrial de lama trifásica agitado.

O design do reator começa com a quantificação da taxa de fluxo de reagente e da temperatura de operação no desempenho do reator (que tem um impacto direto na conversão de reagentes e seletividade dos produtos desejados e tem influência secundária sobre a estabilidade). O primeiro passo dessa análise é a formulação de um quadro matemático para descrever a taxa (e o mecanismo) pelo qual uma das espécies químicas é convertida em outra na ausência de limitações de transporte (cinética química). A cinética das reações precisa ser determinada a partir de medidas experimentais.

7A.4 Regimes Hidrodinâmicos em Reatores de Tanques Agitados Trifásicos (Gás-Liquido-Solido)

É função do agitador e do dispersor de gás prover a agitação mecânica da lama, o que permite a suspensão de partículas e a distribuição de gás no reator. Já as placas defletoras auxiliam através de suas ações obstrutivas.

KASAT et al.(2011) mostram a influência, em condições específicas de operação, da velocidade das pás agitadoras na altura de nuvem da lama, que, de acordo com KRAUME (1992), é um importante parâmetro relacionado ao estado de suspensão catalítica. O estado de suspensão completa é alcançado quando a altura da nuvem é igual a 91% (𝐻𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑= 0,91H) da altura do líquido. Portanto, a identificação da altura da nuvem com a velocidade de rotação do rotor é muito importante, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 – Influência esperada da velocidade dos agitadores na qualidade da suspensão

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Semelhante aos reatores de tanque agitado de duas fases, os reatores de tanque agitado de trifásicos também exibem diferentes regimes hidrodinâmicos. A diferença, no entanto, é que o reator de tanque agitado de três fases tem um regime hidrodinâmico adicional de suspensão apenas dos sólidos que pode ocorrer antes ou depois da dispersão completa do gás, o que torna o padrão de fluxo muito complexo. É difícil de prever e igualmente desafiador para medir. Os vários regimes podem ser explicados através da Figura 7A.9.

[pic 3] 

Fonte: Rewatkar et al. 1991

Figura 7A.9 Regimes hidrodinâmicos em reatores de tanque agitado trifásico (gás-líquido-sólido): turbina de fluxo descendente. A, nenhuma dispersão de gás; sólido estabilizado no fundo; B, gás disperso; início da suspensão sólida; C, gás disperso; suspensão de sólidos descendente; D, recirculação da mistura e possível aeração superficial.

Efeitos do transporte ao nível das partículas

Em nível de partícula catalítica, as reações que são realizadas em sistemas de suspensão trifásicos podem ser descritas genericamente por um reagente em fase gasosa (designado como A), que se dissolve em líquido e depois reage sobre a superfície do catalisador sólido com um reagente B que está na fase líquida (por simplicidade, assumimos que é praticamente não volátil e, portanto, não entra na fase gasosa). O produto formado é tipicamente na fase líquida A reação pode ser descrita esquematicamente conforme a Eq. (1).