Um reator é um tanque de mistura utilizado para introduzir a agitação dos componentes presentes de forma que estes se relacionem de forma eficiente proporcionando assim, em caso reacional rendimento elevado e em caso de fluidos heterogêneos suspensões homogêneas. Os fatores de projeto que afetam a qualidade da agitação são: forma do reator, defletores, posição do agitador e tipo de agitador. Porém todos esses fatores estão diretamente ligados as características do fluido, como: densidade, viscosidade, miscibilidade, forma do sólido e aderência. Então para cada tipo de fluido há um tanque de mistura com características adequadas.
Os formatos mais comuns de tanque de mistura são reatores cilíndricos verticais com fundo esférico, com fundo reto e cantos abaulados ou com fundo cônico, conforme figura 5.9. O reator com fundo esférico tem a menor perda de carga, pois a potência necessária para levantar todas as partículas do fundo é menor e a formação de zonas mortas também é menor. O reator de fundo cônico é utilizado em processos com descarga na parte inferior para manutenção ou como saída de material. Geralmente são os sistemas sólido-líquidos que mais necessitam de manutenção devido ao acúmulo de material ao fundo.
(a) (b) (c)
Figura 5.9 – (a) Reator com fundo esférico, (b) reator com fundo reto e cantos abaulados e (c) reator com fundo cônico.
Os defletores, ou também chamados de chicanas ou dificultores, são usados para introduzir turbulência ao fluido interceptando o fluxo tangencial do fluido promovido pela ação da força centrífuga em fluidos de baixa viscosidade. De acordo com
73 JOAQUIM et al (2007), as chicanas minimizam a “rotação sólida” do fluido (considera- se que o fluido se movimenta como um sólido) e a entrada de ar na superfície. Esse fluxo tangencial é denominado vórtice e é considerado prejudicial ao processo de mistura por proporcionar a classificação, estratificação e separação do sistema em várias fases. Nos vórtices, os componentes presentes no fluido tendem a permanecer nas linhas de correntes tangenciais em movimento contínuo e com isso diminui-se o contato entre as partículas e conseqüentemente diminui-se a conversão da reação (Figura 5.10).
Figura 5.10 – Vórtices em reator sem chicana.
Há algumas maneiras para que não ocorra a formação desses vórtices como descentralizar a agitação, inclinar a agitação em quinze graus, colocar o agitador na horizontal ou incluir defletores. Quando há mistura de fluidos com baixa viscosidade deve-se posicionar o agitador próximo a parede do reator, para fluidos com viscosidade moderada e suspensões é posicionado afastado da parede e para fluidos com alta viscosidade, inclinado. Geralmente quando se utiliza defletores na eliminação dos vórtices, são utilizadas quatro chicanas afastadas de 90°, com largura entre 1/10 e 1/12 do diâmetro do reator e afastadas de ½ da sua largura, com o objetivo também de evitar acúmulo de sólidos. A Figura 5.11 mostra o fluxo do fluido em um reator com defletor.
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Figura 5.11 – Linhas de fluxo em um reator com defletor.
As dimensões características principais de um tanque de mistura, Figura 5.12, são: Diâmetro do impelidor (D), diâmetro do tanque (T), altura do líquido (Z), largura da chicana (B), largura do impelidor (w) e distância entre o impelidor e o fundo do reator denominado “clearance” (C). As relações entre essas dimensões variam conforme a característica da agitação e a sua melhor eficiência é dependente de cada sistema. Entretanto há um padrão normalmente utilizado e estudado: D/T variando entre ¼ e ½, Z/T igual a um, C/T variando de 1/6 a ½ sendo mais comum , B/T variando entre 1/10 a 1/12 e w/D entre ¼ e 1/6.
Embora um tanque de mistura tenha suas relações geométricas específicas para cada tipo de mistura, o sistema formado por suspensões de leite de cal exige características diferenciadas do padrão porque a suspensão possui uma grande variação no comportamento reológico e no comportamento do fluxo, conseqüentemente na potencia consumida e na velocidade de rotação mínima, quando a sua concentração é aumentada significativamente e quando a qualidade da cal é melhor. A velocidade de rotação mínima é a mínima velocidade necessária para manter em suspensão todas as partículas presente e é um dos parâmetros utilizado no projeto de um sistema de mistura.
75 Figura 5.12 – Dimensões características de tanque de mistura.
O reator dimensionado para unidade piloto possui o fundo cônico com ângulo de 5° com a horizontal e com válvula de descarga de 2 polegadas para manutenção. O reator possui um volume útil de 50 litros (Figura 5.13), com altura de 480 mm e diâmetro de 400 mm, quatro chicanas com 50 mm de largura e espaçadas 10 mm da parede do reator para evitar acúmulo de material.
Figura 5.13 – Reator piloto de 50 litros.
A entrada de cal é separada da entrada de água. Há uma chaminé para saída de vapor formado pela liberação de calor da reação. A saída de leite de cal para o sistema de
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peneiramento é feita através de um sifão na lateral posterior a alimentação a fim de evitar a saída de material não hidratado. Envolvendo o reator há um sistema de aquecimento, camisa de troca térmica com 40 mm de espessura, e na parte de fora do reator há um isolamento com lã de vidro de 40 mm de espessura.
A agitação é garantida por um motoredutor helicoidal modelo MC50 com capacidade de rotação na entrada de 1680 rpm e fator de redução efetiva de 16. O motor tem potência de 1/3 CV, modelo B14 com fixação na base, carcaça 63 – C90-4, conforme Figura 5.13. O controle da agitação é feita por um inversor de freqüência CFW10 com 0,25 CV de potência. O agitador é composto por duas turbinas modificadas de Rushton que posteriormente será descrito.
A variação da temperatura é acompanhada através de dois termoresistores posicionados entre as duas turbinas de forma a medir variações de temperatura promovida pelo volume do reator. Os termoresistores são em aço inox, modelo RCCB, com sensor PT-100 tipo 1 com comprimento de 100 mm, o qual mede variação de temperatura entre -50 e 200 °C e possui diâmetro de ¼ polegadas. Os dados de temperatura são transmitidos e indicados por um transmissor/indicador de temperatura com display digital conforme Figura 5.14. O sinal de corrente emitido pelo transmissor é adquirido por uma placa de aquisição de dados que o transforma em sinal de temperatura através do programa Labview previamente calibrado.
(a) (b)
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