Fonte: Kerry M. Dooley e Michael G. Benton, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

O objetivo deste experimento é determinar a magnitude da má distribuição em reatores típicos de cama embalados no fluxo de fase única e duas fases (gás-líquido) e avaliar os efeitos dessa má distribuição na queda de pressão. Os conceitos de distribuição e dispersão do tempo de residência são introduzidos através do uso de rastreadores, e esses conceitos estão relacionados à má distribuição física.

A canalização em um fluxo de fase única pode ocorrer ao longo das paredes ou por fluxo preferencial através de uma porção maior da seção transversal do leito. A canalização em fluxo de duas fases pode resultar de causas ainda mais complexas, e teorias simples de fluxo de duas fases raramente prevêem quedas de pressão em camas lotadas. Um objetivo de design é sempre minimizar a extensão da canalização, encontrando os diâmetros ideais de cama e partículas para as taxas de fluxo de design e embalando uma cama de forma a minimizar o assentamento. É sempre importante quantificar quanta má distribuição pode ocorrer e projetar demais a unidade para explicar sua ocorrência.

O aparelho permeímetro mede a queda de pressão, ΔP, e a concentração de tracer (corante) saindo de camas horizontais embaladas de vidro blindado para água, ar ou fluxo de duas fases (Figuras 1 e 2). A água entra através de uma válvula de controle e pode ser roteada através de válvulas manuais para qualquer uma das cinco camas (48" de comprimento, 3" I.D.) com embalagens de vidro de tamanho diferente despejadas (aleatórias). A queda de pressão é medida usando um transmissor de pressão. O fluxo de água é medido por um transmissor de pressão diferencial (DP, orifício) e o fluxo de ar por um medidor de teste seco (semelhante a um medidor de gás doméstico). A amostra de corante é injetada rio acima por uma válvula de amostragem automatizada. A concentração de saída do corante de uma cama é medida usando um espectrômetro UV-Vis. As distribuições de tempo de residência são calculadas a partir dos testes e comparadas com as previsões de teorias sobre dispersão em leitos embalados. O fluxo de duas fases será estudado na cama 5, que contém as maiores partículas.

Figura 1: Diagrama de processo e instrumentação do aparelho.

Figura 2. Renderização em 3D do aparelho. A #1 de cama está no topo, #5 na parte inferior. A válvula de controle de água está à esquerda (capô vermelho). O transmissor DP está no centro superior (azul).

1. Iniciando o aparelho

O aparelho é operado principalmente através da interface do sistema de controle distribuído. Um esquema perm P&ID aparece e as válvulas automatizadas de abertura/fechamento são pontos e cliques.

1. Para estabelecer o fluxo de água para #4 ou #5, abra as válvulas de entrada e saída para o leito que está sendo testado e o solenoide de abastecimento de água.
2. Use o controlador de fluxo para iniciar a água que flui através da cama, levantand

Obtenha os RTDs (E-curves, usando equações 1-2) depois de subtrair uma linha de base apropriada (se necessário) dos sinais do espectrômetro. Um exemplo de correção de linha de base para #3 de cama (não utilizado aqui) está na Figura 3. Usando equações 1-3, calcule a porosidade média, massa rastreadora, tempo médio de residência, variância e variância divididas por média ao quadrado dos RTDs. Compare a massa do rastreador calculado com massa in...

Neste experimento, o comportamento real de fluxo de camas horizontais embaladas, tanto em fluxo único quanto em duas fases, contrastou com os modelos teóricos mais simples para queda de pressão e dispersão (fluxo se espalhando na direção axial, desviando-se do fluxo de plugue). A utilidade dos testes de rastreadores na sondagem para má distribuição ("canalização") em tais leitos foi demonstrada, e até foi demonstrado que certas métricas calculadas a partir dos testes rastreadores podem dar alguma ideia da ca...

1. Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Distillation Columns. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/DistillationColumns/DistillationColumns.html. Accessed 9/22/16.
2. Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment." Absorbers. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/Absorbers/Absorbers.html. Accessed 9/22/16.
3. Nevers, N., Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 3^rd Ed., McGraw-Hill, 2004, Ch. 11. A derivation can be found in: M.M. Denn, "Process Fluid Mechanics", Prentice-Hall, 1980, Ch. 4.
4. Fogler, H.S., "Elements of Chemical Reaction Engineering", Prentice-Hall, 2006, Ch. 13.1-13.3 and 14.3-14.4 (dispersion models); Levenspiel, O., "Chemical Reaction Engineering", 3^rd Ed., John Wiley, 1999, Ch. 11 and 13 (dispersion models); Missen, R.W., Mims, C.A., and Saville, B.A., "Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics", John Wiley, 1999, Ch. 19 and 20.1.
5. Levy, S., "Two Phase Flow in Complex Systems", John Wiley, 1999, Ch. 3.