Os reatores de cilindro rotativo são equipamentos largamente utilizados pelas indústrias metalúrgicas e pela química de processamento, devido à sua versatilidade e capacidade de receber carga de partículas de diferentes distribuições de tamanho com mudanças de propriedades físicas durante o processo. O controle fácil, permitindo longo tempo de residência, possibilita produtos de qualidade uniforme (Fontes, 2003).
Marcelo Mendes Pedroza 55 Esse tipo de reator proporciona a mistura da biomassa, expondo a superfície do material ao calor da superfície interna do reator e ao fluxo de gases reagentes. A complexidade do fenômeno de transferência de calor envolve trocas radiativas, convectivas, condutivas e ainda um coeficiente determinado em função do movimento das partículas sólidas do leito. A energia liberada pelo forno tubular fixo transfere-se para a superfície cilíndrica externa do reator por radiação e convecção, sendo transferida por condução através da parede para a superfície cilíndrica interna do reator. Uma fração do calor se perde através das extremidades para o ambiente. A energia da superfície interna da parede do reator é transferida para o leito envolvendo simultaneamente trocas por condução, convecção, radiação e aquela devido à interação entre partículas em movimento (Fontes, 2011).
O movimento de sólidos ao longo da extensão de um reator rotativo foi estudado por Kunii e Chisaki (2008). Nesse estudo foram colocados traçadores químicos na superfície do reator. Os resultados da pesquisa indicam que os sólidos giram como um corpo rígido e, em seguida deslizam para baixo ao longo de um plano superfície. Nesse movimento, os sólidos são bem misturados dentro da seção transversal, que é perpendicular ao eixo de rotação. Segundo os autores, esse tipo de deslocamento de sólidos facilita a mistura e mantém uniforme a temperatura do reator.
Os reatores de cilindro rotativo horizontal produzem um movimento da carga sólida na seção transversal, perpendicular ao eixo axial do cilindro. O modo de escorregamento reduz drasticamente a mistura dos sólidos e a transferência de calor. Experimentalmente foram enfocados os movimentos caracterizados pelo cisalhamento, deslizamento, catarata e centrifugação do leito para diversos tipos de partículas. Três fases no movimento de escorregamento foram observadas: primeiro os sólidos movem-se junto com a parede, quando um ângulo de inclinação menor que seu ângulo de repouso para cisalhamento, o leito escorrega pela parede, e a partir daí o movimento se repete; segundo caso, o leito move-se juntamente com a parede, mas com uma velocidade rotacional menor e os sólidos da superfície inclinada deslizam lentamente; terceiro caso, dentro de um intervalo particular de velocidade rotacional e
Marcelo Mendes Pedroza 56 porcentagem de enchimento, o leito adquire uma posição estacionária escorregando continuamente (Fontes, 2003).
Os regimes de escoamento propostos por Mellmann (2001) para um cilindro rotativo são: Escorregamento, Cascateamento e Catarata. Nesta definição, a forma de escoamento Escorregamento representa a situação em que não ha mistura visível entre as partículas e que a fricção provocada pela parede é insuficiente para vencer a aceleração gravitacional para fazer com que as partículas atinjam o ponto de terem energia potencial suficiente para vencer o ângulo de repouso dinâmico. A segunda forma, Cascateamento, ocorre quando as partículas na camada adjacente a superfície livre do leito ganham energia suficiente para poderem circular continuamente. Esta forma e subdividida em Intermitente, Rolante e Cascateante. Na sub-forma Intermitente, o leito comporta-se como um corpo sólido que é elevado continuamente até que uma pequena avalanche de sólidos ocorre e o leito desliza para uma posição próxima a de repouso. Na sub-forma Rolante distinguem-se nitidamente uma camada superficial de partículas em movimento e um corpo sólido estacionário. O ângulo de repouso dinâmico dependerá da velocidade de rotação e do grau de enchimento. A sub-forma Cascateante caracteriza-se por uma superfície arqueada e por maiores velocidades das partículas presentes na superfície livre e também é um regime de escoamento que promove boa mistura de sólidos. Em altas velocidades de rotação surge a forma Catarata, que caracteriza-se pelo arremesso das partículas no espaço livre acima da superfície do leito em conseqüência da ação da elevada forca centrifuga (Xavier et
al., 2009).
A rotação, a razão da vazão volumétrica da fase gasosa, diâmetro de partícula, modelo cinético e a temperatura requerida para a ocorrência da reação determinam a taxa e o tempo total de conversão. Os fundamentos da mistura de materiais granulares são, ainda, de pouca compreensão quando comparados com os fundamentos da mistura de fluidos. Particularmente, no caso de partículas finas aglomerantes (pós), somente uns poucos trabalhos, considerando os misturadores de cilindro rotativo, têm sido propostos para a elucidação do mecanismo de difusão (Fontes, 2003).
Marcelo Mendes Pedroza 57 A dinâmica do reator de cilindro rotativo favorece a cinética de gaseificação e reações gás-sólido. Este tipo de reator apresenta algumas variáveis que podem fazer a diferença em relação a outros reatores convencionalmente utilizados, permitindo modificar a forma de transferência de massa e calor entre as fases, bem como facilitar a razão de contato gás-sólido, devido à movimentação das partículas de biomassa dentro do leito rotativo, obtendo-se assim, um melhor desempenho e operacionalidade do processo termoquímico de pirólise de biomassa residual. Variáveis importantes como a rotação e a inclinação do reator podem promover alterações significativas no tempo de residência dos vapores pirolíticos, favorecendo o processo (Fontes, 2011).