Reator compartimentado oscilatório ou reator oscilatório compartimentado (RCO ou ROC), reator de fluxo oscilatório (RFO), em inglês oscillatory flow reactor (OFR) ou oscillatory baffled reactor (OBR), são reatores químicos tubulares com estrutura interna provida de chicanas (defletores) que geram o movimento oscilatório dos fluidos em reação aumentando seu tempo de residência e sua capacidade de mistura com consequente melhora da performance reacional.
Existe uma demanda significativa nas indústrias química e farmacêutica pelo uso mais eficiente de reagentes, solventes e energia minimizando a produção de resíduos sólidos e efluentes não aproveitáveis. Estas necessidades conduzem a novos reatores contínuos sendo desenvolvidos nos anos recentes, entre os quais, os reatores reatores compartimentados oscilatórios, que são um design relativamente novo de reatores de fluxo em pistão "intensificados", reatores que intensificam processos. Eles proporcionam um novo tipo de dispositivos de mistura, sendo capazes de processar de forma contínua reações que são processadas normalmente de forma descontínua, em batelada, pois necessitam de longos tempos de residência.<ref name=Jian&Ni>Jian, H. and Ni, X.-W.; On modelling turbulent flow in an oscillatory baffled column -RANS model or large-eddy simulation?; Journal of Chemical Technology and Biotechnology 78 (2003): 321 - 325</ref>
Caracterização
A tecnologia RCO geralmente consiste de uma coluna cilíndrica ou tubo contendo chicanas perfuradas e sobrepondo-se com oscilação de fluido. Redemoinhos são gerados quando o fluxo de fluido passa através das chicanas, causando significativo movimento radial tornando os eventos na proximidade da parede da mesma magnitude daqueles no centro.M.R. Mackley and X. Ni, “Mixing and dispersion in a baffled tube for steady laminar and pulsatile flow”. Chemical Engineering Science, Vol. 46, No. 12, 1991, 3139-3151. A geração e interrupção de redemoinhos propicia uma mistura uniforme em cada célula compartimentada, repetidamente ao longo da coluna ou tubo.
O reator do tipo RCO é relacionado às operações em reatores em batelada, e geralmente operado verticalmente. Num RCO, a oscilação pode ser obtida tanto pelo uso de pistão ou foles dispostos na base das colunas ou movendo-se um conjunto de chicanas para cima e para baixo na coluna. Quando não há reação química envolvida num RCO, o termo coluna compartimentada oscilatória (em inglês oscillatory baffled column, OBC) é frequentemente usado.
Pela conexão de células compartimentadas em série, um reator compartimentado oscilatório contínuo (RCOC), em inglês continuous oscillatory baffled reactor (COBR) é criado. Como cada célula compartimentada atua como um reator perfeitamente agitado (RPA), com um grande número de células compartimentadas obtém-se um RPA em condição de fluxo em pistão sob fluxo laminar (baixas taxas de fluxo). O RCOC é um tipo de reator químico de fluxo em pistão tubular. A mistura em um reator RCOC é alcançada pela combinação de oscilação de fluido e defletores em orifícios, permitindo o fluxo em pistão a ser alcançado sob condições de regime laminar com o número de Reynolds do fluxo de balanço de apenas aproximadamente 100.
Descrição
Em contraste com o reator de fluxo em pistão convencional de fluxo, o reator compartimentado oscilatório é geralmente concebido como sendo um tubo cilíndrico ou coluna contendo chicanas perfuradas (defletores em placa com orifício) periodicamente (igualmente) espaçadas nas quais um líquido ou um fluido multifase é oscilado axialmente. A oscilação pode ser produzida de duas maneiras diferentes: por oscilação do fluido em si por meio de diafragma, fole ou pistão em uma ou ambas as extremidades do tubo, ou do próprio dispositivo compartimentado. Os reatores RCO apresentam uma séria de vantagens sobre outros reatores que podem torná-lo útil para aplicações especiais. Uma grande vantagem é a mistura boa e uniforme, que fornece boas transferência de calor e massa.Stonestreet, P. and Harvey, A.P.: A mixing-based design methodology for continuous oscillatory baffled reactors, Trans IchemE 80 (A) (2002): 31 - 44
Os defletores dividem o reator tubular em câmaras individuais. Quando o fluido é oscilado, os defletores causam a formação de vórtices, o que leva a mistura radial e axial. Assim, cada uma das câmaras agem um único reator tanque agitado, quando o fluido está fluindo através deles. Os padrões de fluxo caótico levam à instabilidade e turbulência dentro do reator e fornecem mistura intensiva e uniforme.
Para operação por batelada, uma coluna opera na vertical e a oscilação de fluido pode ser obtida na base por meio de foles ou no topo, movendo um conjunto de orifícios defletores para cima e para baixo da coluna.
A característica essencial é que as bordas afiladas (apresentadas pelos defletores) são apresentados a uma oscilação transversal e fluxo totalmente reversível. O movimento periódico do fluxo acelera e desacelera de acordo com uma função de velocidade senoidal no tempo. Em cada uma das acelerações do fluxo, anéis de vórtice formam-se a jusante dos defletores. Quando o fluxo desacelera, os vórtices são dispersos no maior volume, e posteriormente, arrastados com a aceleração do fluxo volumoso para o lado oposto na direção axial.
Com a repetição os ciclos de formação de vórtices, as altas velocidades radiais propiciam mistura uniforme em cada zona inter-defletores e cumulativamente ao longo do comprimento da coluna.Brunold, C.R., Hunns, J.C.B., Mackley, M.R and Thompson, J.W. (1989). Experimental observations on flow patterns and energy losses for oscillatory flow in ducts containing sharp edges, Chem. Eng. Science, 44, p1227-1244. A característica fundamental dos reatores RCO é que a mistura pode ser controlada com um elevado grau de precisão, fornecendo uma ampla gama de condições de mistura, de mistura leve, exibindo características de fluxo em pistão, às mais intensas, aproximando-se as condições de fluxos intermediários aos turbulentos.
As condições de mecânica dos fluidos em um reator RCO são geralmente governadas pelos dois números adimensionais, o número de Reynolds oscilatório, o número de Reynolds levando-se em conta freqüência e amplitude da oscilação, sendo que este número de Reynolds necessário para obter-se turbulência necessita somente ser 1/8 do valor convencional:Claudia Tröger; Oscillatory Baffled Reactors for Biological Applications; School of Chemical Engineering and Advanced Materials; Newcastle University; April 2008
e o número de Strouhal:
onde xo é a amplitude de oscilação (m), D é o diâmetro da coluna (m), ρ a densidade do fluido (kg/m3), μ a viscosidade (kg/ms), e f a frequência de oscilação (Hz). O número de Reynolds oscilatório descreve a intensidade de mistura aplicada à coluna, enquanto o número de Strouhal é a razão do diâmetro da coluna e comprimento do golpe, medindo a propagação efetiva do vórtice.X. Ni and P. Gough, “On the discussion of the dimensionless groups governing oscillatory flow in a baffled tube”. Chemical Engineering Science, Vol. 52, No. 18, 1997, 3209-3212.Takriff M.S., and Masngut N., and Kadhum A.A.H., and Kalil M.S., and Mohammad A.W., (2009); Solvent Fermentation from Palm Oil Mill Effluent using Clostridium acetobutylicum in Oscillatory Flow Bioreactor. Sains Malaysiana , 38 (2). pp. 191-196. ISSN 01266039Mackay, M.E., M.R. Mackley & Y. Wang. 1991. Oscillatory Flow within Tubes Containing Wall or Central Baffles. Trans IChemE. 69(A): 506-513.Ni, X., H. Jian & A. W. Fitch. 2002. Computanional Fluid Dynamic Modelling of Flow Patterns in an Oscillatory Baffled column. Chem. Eng. Sci. 57: 2849-2862.Takriff, M.S & Masyitah, Z. 2002. Interstage Backmixing in Oscillatory Flow in a Baffled Column, Chemical Engineering Communications. 189(12): 1640-1652.
Vantagens dos reatores RCOC
O reator do tipo RCOC presta-se a processamento e operação contínuos, e pode ser operado horizontalmente, verticalmente ou em qualquer ângulo. A diferenças principais entre o RCOC e qualquer outros dispositivos tubulares no mercado são:
A taxa de rede de fluxo é a única força condutora para a obtenção de mistura em todos os outros dispositivos tubulares no mercado, proporcionando tempos de reação muito curtos, por exemplo, no máximo 15 minutos. A mistura nos reatores RCOC, no entanto, é regulada pela oscilação, não pelo fluxo de rede, permitindo tempos de residência significativamente mais longos (em termos de horas); Como a mistura é controlada pela combinação de defletores e oscilação, as condições de fluxo em pistão são alcançadas no âmbito do fluxo laminar (baixas taxas de fluxo) no reator RCOC. Isso não é possível para qualquer outro dispositivo tubular no mercado; Devido à operação do fluxo e pistão sob condições de fluxo laminar nos reatores RCOC, um reator de projeto e configurações muito mais compactas são relizáveis, com redução significativa (acima de 90%) do volume do reator/espaço. Um reator RCOC é relativamente portátil e um reator útil para Lean Manufacturing; Queda de pressão muito reduzida é obtida nos reatores RCOC devido as baixas taxas de fluxo; RCOC são muito bom em processar sólidos, o que é uma propriedade única destes reatores; Transferência de massa e calor significativamente melhoradas são obtidas nos reatores RCOC sob fluxo em pistão.
Como a tecnologia pode ser facilmente configurada para partículas suspensas e para gás contido, os reatores compartimentados oscilatórios parecem ser uma invenção valiosa para os diferentes tipos de processos industriais como a produção de produtos farmacêuticos, polimerização e da engenharia bioquímica.
Quando partículas sólidas estão presentes numa fase líquida, transporte uniforme e eficiente de sólidos em suspensão é obtido ao longo dos reatores RCOC.Solid Suspension - Proprietary Mixing Technology - NiTech Solutions - www.nitechsolutions.co.uk Quando uma fase gasosa está envolvida, muito boa mistura e dispersão do gás no líquido ocorre para propiciar uma área de superfície de contato excepcionalmente e um aumento substancial aumento na retenção e tempo de residência do gás, permitindo maiores características de transporte de massa.M.S.N. Oliveira and X. Ni, “Effect of hydrodynamics on mass transfer in a gas-liquid oscillatory baffled column”, the Chemical Engineering Journal, Vol. 99, 2004, 59-68..
Devido às condições de fluxo em pistão obtíveis nos reatores RCOC, isto também oferece transferência de calor superior.Heat Transfer - Proprietary Mixing Technology - NiTech Solutions - www.nitechsolutions.co.uk Deve-se notar que as conexões entre os tubos retos e curvas típicos os reatores RCOC podem ser usados para introduzir, amostrar, monitorar e purgar o reator. Os revestimentos ao longo dos reatores RCOC prestam-se para aquecimento ou arrefecimento em qualquer forma individual ou integrada, de forma que perfis térmicos diferentes podem ser criados ao longo do comprimento do reator.
Fluxo em pistão nos reatores compartimentados oscilatórios