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Os reatores de leito compactado são um dos tipos mais comuns de reatores usados na indústria química, devido às suas altas taxas de conversão. Os reatores de leito empacotado são tipicamente reatores tubulares preenchidos com partículas sólidas de catalisador. A reação ocorre na superfície da partícula sólida. Assim, partículas pequenas permitem uma alta relação superfície/volume e, portanto, alta conversão. Idealmente, o fluido flui através do reator em forma de plugue, portanto, esses reatores às vezes são chamados de reatores de fluxo em pistão. No entanto, pode ocorrer má distribuição de fluxo ou canalização, onde o fluxo não mantém mais a distribuição uniforme em forma de plugue. Isso faz com que a queda de pressão no reator diminua e afete a taxa de conversão da reação. Neste vídeo, discutiremos os fundamentos de um reator de leito compactado e demonstraremos como medir a queda de pressão e a distribuição de fluxo de fluxo monofásico e bifásico no leito compactado.
Em sistemas de leito compactado monofásico, o fluido pode ser um gás ou líquido. Em reatores bifásicos, tanto o líquido quanto o gás fluem sobre as partículas sólidas em leitos co-corrente ou contra-corrente. Em sistemas monofásicos e bifásicos, o reator pode ser orientado horizontal ou verticalmente. Esta fase sólida é embalada de duas maneiras. O empacotamento despejado é orientado aleatoriamente, enquanto o empacotamento estruturado consiste em redes geométricas definidas. Quanto mais homogênea a embalagem, menor a queda de pressão na cama. Um reator de leito compactado ideal com fluxo monofásico pode ser descrito pela equação de Ergun, que descreve a queda de pressão no leito e como ela está relacionada ao tamanho da partícula, comprimento do leito, espaço vazio ou porosidade, velocidade do fluido e viscosidade. No entanto, o desempenho real do reator e os desvios do ideal devem ser analisados experimentalmente por meio do método do traçador. No método do traçador, um corante traçador, que se supõe se comportar de maneira semelhante às moléculas reagentes, é injetado na coluna. O corante é monitorado à medida que flui pela coluna e sua concentração na saída é medida em função do tempo. No fluxo de pistão ideal, o traçador deve sair em um instante e a distribuição aparece como um pico. Em uma coluna típica, no entanto, a função de concentração assume a forma de uma distribuição gaussiana. Esta função é então usada para calcular a distribuição do tempo de residência. Para quantificar o desvio do fluxo em pistão, o tempo médio de residência, ou a probabilidade de uma molécula sair da coluna no tempo T, é calculado conforme mostrado. Para leitos compactados, o tempo de residência está relacionado ao volume vazio, que é o produto do volume total do leito e da porosidade, dividido pela vazão volumétrica, Q. Ao descrever o fluxo bifásico em um leito compactado, dois modelos simples são aplicados. O modelo homogêneo assume que as velocidades de gás, líquido e média, ou bifásica, são iguais. Então a densidade bifásica é a velocidade da massa, G, dividida pela velocidade bifásica, UTP. A viscosidade média bifásica é definida conforme mostrado, onde X é a fração de peso do vapor, e mu L e mu G são as viscosidades das respectivas fases líquida e gasosa. No modelo de fluxo estratificado, o delta P para cada fase é igual entre si. Assim, a equação de Ergun para cada fase é igual entre si. A queda de pressão e ambas as taxas de fluxo devem ser conhecidas, enquanto a porosidade é calculada a partir da equação. Em seguida, o balanço de massa relaciona as velocidades do gás e do líquido com a velocidade bifásica. Agora que você está familiarizado com o teste do traçador, vamos aprender como realizar o experimento.
Antes de começar, familiarize-se com o aparelho, que é operado por meio de uma interface gráfica. O sistema de controle é usado para regular as válvulas, fluxos e vários outros parâmetros. O leito número quatro, que é embalado com contas de vidro e areia explosiva, é usado para o monofásico, enquanto o leito número cinco, embalado com vidro, é usado para o experimento de fluxo bifásico. Comece abrindo a válvula de entrada e saída, bem como o solenóide de abastecimento de água, até o leito número quatro para determinar o fluxo de água. Usando o controlador de fluxo, aumente o fluxo de água gradualmente através do leito e monitore o fluxo usando a pressão diferencial. Certifique-se de variar a taxa de fluxo para cobrir toda a faixa do transmissor DP. Em seguida, ligue o espectrômetro UV/vis e garanta a comunicação com o console de controle. Usando padrões do corante fluorescente, calibre o espectrômetro.
Para o teste, escolha uma única vazão média e um corante fluorescente de 50 PPM em água deionizada como marcador. Primeiro, insira a sonda do espectrômetro no ponto de amostragem da sonda. Em seguida, usando o sistema de controle, altere o status da válvula de injeção de funcionamento para carregamento. Injete o marcador na válvula de amostra usando a seringa e altere o status da válvula de volta ao funcionamento. Monitore a absorbância do espectrômetro à medida que o traçador passa pelo leito. Para limpar a câmara de injeção para o próximo experimento, altere o status para carregamento e injete 100 mililitros de água com uma seringa limpa na válvula. Quando a absorbância retornar à linha de base, mude a válvula para funcionar e purgue-a com água por 10 a 15 minutos em alto fluxo antes da próxima injeção de marcador.
Certifique-se de que as válvulas de água para os canteiros estejam fechadas. Verifique se as válvulas de entrada e saída do leito número cinco e a válvula de drenagem estão abertas. Além disso, certifique-se de que a válvula manual do ar para as camas esteja fechada. Abra lentamente o regulador de ar para estabelecer um fluxo de ar, em seguida, abra a válvula manual do ar para os leitos. Em seguida, usando o controlador de fluxo de água, defina o fluxo para 700 mililitros por minuto e abra a válvula manual. Usando as válvulas, encaminhe o fluxo de água e ar para o separador de gás/líquido. Confirme se a água está saindo para escoar. Para obter uma melhor separação de ar e água, feche a válvula do dreno temporariamente, o que levará ao acúmulo de uma cabeça de líquido no separador de gás/líquido. Use o regulador de pressão e o medidor de teste seco na linha de saída de gás para ajustar o fluxo de ar. Feche a válvula de drenagem brevemente e use o medidor de teste úmido para ler o fluxo de gás. Em uma única taxa de fluxo de líquido, varie manualmente o fluxo de ar no regulador para cobrir o alcance do transmissor DP e colete os dados de queda de pressão para experimentos de fluxo bifásico no leito número cinco.
Agora, vamos examinar o comportamento real do fluxo. Para escoamento monofásico, obtenha a distribuição do tempo de residência. Use a distribuição do tempo de residência para calcular o tempo médio de residência, a porosidade média e a massa do traçador. Compare a massa traçada calculada com o valor real. Em seguida, use a equação de Ergun para prever o delta P para os experimentos de fluxo de água. Compare as quedas de pressão calculadas usando as porosidades calculadas com o valor medido. Por exemplo, nesta figura, a porosidade mínima para esferas de embalagem fechada é 0,36. Para o leito três e quatro, os valores de porosidade calculados determinados a partir das distribuições de tempo de residência são baixos, levando a que os delta Ps previstos sejam maiores do que os valores medidos. Isso pode indicar canalização ao longo das paredes da cama. Para os fluxos bifásicos, determine a queda de pressão prevista usando as teorias de fluxo homogêneo e estratificado e compare-a com o valor medido. Como visto nesta tabela, a queda de pressão calculada usando a teoria do fluxo homogêneo provou ser melhor do que aquelas usando a teoria do fluxo estratificado. As altas quedas de pressão medidas sugerem canalização severa no leito horizontal, o que significa que o líquido estava confinado a uma pequena porção da área da seção transversal.
Os reatores de leito compactado são amplamente utilizados em muitas áreas da indústria e pesquisa. Por exemplo, reatores de leito empacotado são usados para converter biomassa lignocelulósica moída em combustível de hidrocarboneto. A primeira etapa envolve a pirólise da biomassa para produzir bio-óleo usando um reator de leito fluidizado. Como um reator de leito compactado, um reator de leito fluidizado utiliza partículas sólidas de catalisador para facilitar uma reação, mas elas são suspensas no fluido, em vez de embaladas em um leito. A segunda etapa do processo usa um reator de leito compactado para converter os bio-óleos em combustível. Aqui, as partículas do catalisador são rutênio suportado em carbono no primeiro estágio do reator e cobalto molibdênio em alumina no segundo estágio. O resultado final é uma mistura de hidrocarbonetos da gama de combustíveis. Os reatores de leito empacotado também podem ser usados para conversão enzimática, como a digestão de uma proteína antes da análise por espectrometria de massa. Neste exemplo, a reação ocorre em partículas de sílica C18, embaladas em um reator microfluídico. Aqui, a proteína que está sendo digerida está ligada à partícula, enquanto a enzima flui através do reator no fluido. O uso de um reator de leito compactado para digestão de proteínas, como o exemplo mostrado aqui, pode melhorar o rendimento e reduzir muito o tempo e os custos de digestão.
Você acabou de assistir à introdução de Jove ao fluxo monofásico e bifásico em leitos lotados. Agora você deve entender os fundamentos de um reator de leito compactado e como analisar o fluxo usando um teste de traçador. Obrigado por assistir!
