De maneira geral, reatores pneumáticos são divididos em duas classes básicas, a primeira composta apenas pelo reator tipo coluna de bolhas e a segunda por diferentes modelos de reatores de circulação, também conhecidos como airlift, conforme elencado subsequentemente.
2.2.1 Reator coluna de bolhas
O reator tipo coluna de bolhas (CB) apresenta uma configuração bastante simples, sendo composto basicamente de uma coluna onde um dado gás ou mistura de gases são injetados por meio de um aspersor localizado na base do reator. Desta forma, a aeração e a homogeneização do meio reacional são obtidas pelo borbulhamento do gás injetado, como pode ser visualizado na Figura 2.1.b. O gás sob a forma de bolhas sobe devido à sua baixa densidade arrastando consigo o líquido, gerando um movimento aleatório do meio que promove a mistura gás-líquido [69].
Em um primeiro momento, a observação do comportamento dos fluidos em um reator coluna de bolhas nos leva a sugerir um padrão de escoamento desordenado e inexistência de circulação de líquido. Entretanto, alguns autores [70–72] sugerem, com base em evidências experimentais, a existência de um padrão de circulação global na coluna, o qual apresenta escoamento ascendente na região central e descendente em locais próximos à parede. Apesar da dificuldade em mensurar tal circulação, descrições teóricas da estrutura de escoamento têm
sido propostas, permitindo o cálculo do tempo médio de circulação do líquido. O inconveniente neste cálculo está na necessidade de perfis radiais de retenção gasosa [72].
2.2.2 Reatores airlift
Reatores pneumáticos de circulação (loop reactors), ou ainda, reatores airlift são caracterizados pela circulação dos fluidos em um circuito definido por meio de canais confeccionados para este fim. Nestes canais, quatro zonas distintas de escoamento são observadas, sendo as principais, uma de escoamento ascendente e outra de escoamento descendente. Portanto, reatores airlift se distinguem de reatores coluna de bolhas pela formação de regiões com padrões de escoamento distintos, os quais promovem a circulação do líquido em um circuito fechado.
As quatro regiões de escoamento identificadas em reatores airlift são denominadas: região de subida ou riser, região de descida ou downcomer, base (bottom) e topo do reator ou separador gás-líquido. O escoamento em reatores airlift inicia-se com a aspersão de gás na base do reator, localizada no início do riser. Em geral, a base dos reatores airlift apresenta design simples, não sendo considerado como uma parte que afeta significativamente o comportamento global do reator. Apesar disso, a geometria desta seção pode influenciar a velocidade de circulação do líquido e o escoamento ou precipitação de sólidos [73].
Após a aspersão, a dispersão gás-líquido mantém um escoamento ascendente no riser, em virtude da redução da densidade do meio pela presença de alta quantidade de gás. Em uma região acima do riser, a qual faz a conexão riser-downcomer, está o separador gás-líquido, responsável pelo desprendimento de grande parte do gás retido na dispersão. Ao atingir esta região, caso o separador gás-líquido seja suficientemente eficiente, haverá a liberação da maior parte do gás retido, aumentando a densidade e levando a dispersão à um escoamento descendente no downcomer. Após a dispersão percorrer o downcomer (caracterizado por uma menor retenção gasosa em relação ao riser) esta entrará na base do reator novamente, reiniciando o circuito de circulação.
Como pode ser observado, o design dos reatores airlift gera duas seções principais (riser e downcomer) que apresentam densidades ou pressões hidrostáticas distintas. Tal diferença é a força motriz para a circulação do líquido [38,39]. Portanto, pode-se dizer que quanto maior for a diferença entre as retenções gasosas do riser (R) e do downcomer (D), maior será a
Reatores airlift são subdivididos em duas categorias com base em suas estruturas físicas,
airlift de circulação interna (ACI) e airlift de circulação externa (ACE), conforme mostrado na Figura 2.2. Reatores ACI apresentam anteparos dentro da coluna principal com o intuito de criar os canais para o escoamento da dispersão gás-líquido. Os anteparos mais comuns são tubos e placas, originando os reatores denominados airlift de tubos (ou cilindros) concêntricos (ACC) e airlift split-cylinder (ASC), respectivamente.
Figura 2.2 – Exemplos de reatores pneumáticos de circulação. a) Reator airlift de circulação interna do tipo cilindros concêntricos; b) Reator airlift de circulação interna do tipo split-cylinder; c) Reator airlift de circulação
externa.
(a) (b) (c)
Fonte: Arquivo pessoal do autor.
Em reatores ACE são construídos dutos separados, os quais são unidos nas partes inferior e superior por dutos horizontais a fim de formar o circuito de circulação [36,38,74]. Uma diferença substancial entre as classes de reatores airlift está no design da região de separação gás-líquido. Em reatores ACI, o separador é comumente uma extensão da coluna localizado acima das regiões de subida e descida. Já em reatores ACE, o separador gás-líquido apresenta uma região de escoamento horizontal, especialmente criada por meio de um tubo horizontal fechado ou um reservatório aberto, permitindo desprendimento total ou parcial do gás [15] (Figura 2.2.c).
Segundo Siegel & Robinson [15], uma vez que o desprendimento de gás em reatores ACE é próximo do total, estes reatores apresentam uma velocidade de circulação do líquido superior em comparação a reatores ACI. Consequentemente, a maior velocidade de líquido/gás gerada no riser, leva a redução da retenção gasosa nesta região. Em virtude disso, geralmente reatores ACE possuem menor transferência de massa em relação aos ACI, uma vez que a redução da retenção gasosa global reduz a área interfacial gás-líquido disponível para a transferência de massa. Especificamente para reatores ACC, alguns parâmetros hidrodinâmicos são melhorados quando a aspersão é realizada no tubo central, em relação à aspersão realizada no anel externo, devido à maior perda de carga por atrito na segunda opção [75].