Com o grande desenvolvimento computacional dos últimos anos, a aplicação de modelos matemáticos mais completos em processos químicos vêm se tornando cada vez mais frequente. Em adição, técnicas experimentais mais sofisticadas também têm sido desenvolvidas e otimizadas.
Diversos estudos foram realizados durante as últimas décadas objetivando um melhor entendimento dos padrões fluidodinâmico de sistemas trifásicos (FAN et al. (1982b), FAN et al.(1986), CHEN e FAN (1992), TZENG et al. (1993), CHEN et al. (1994), CASSANELLO et al.(1995), LARACHI et al. (1996), CUI e FAN (2004), LIU et al. (2007), WU et al. (2008), entre outros). Além disso, extensas revisões sobre sistemas gás-líquido-sólido são encontradas em BAKER (1981), MUROYAMA e FAN (1985), FAN et al. (1989), FAN e YANG (2003), KIM e KANG (1997) e WANG et al. (2007).
Em estudos mais recentes, destaca-se um maior esforço na modelagem do arraste entre as fases dispersas (bolhas e partículas sólidas). Como nos trabalhos de MICHELE e HEMPEL (2002), SCHALLENBERG et al. (2005) e WIEMANN e MEWES (2006).
MICHELE e HEMPEL (2002) estudaram experimental e numericamente sistemas bi e trifásicos em uma coluna de bolhas operando em altas velocidades superficiais de gás e concentração de sólidos. A consideração da transferência de quantidade de movimento entre as bolhas de gás e as partículas sólidas nas simulações promoveu boa concordância entre resultados os numéricos e experimentais.
SCHALLENBERG et al. (2005) modelaram por simulações CFD o escoamento de sistemas trifásicos, destacando a importância da transferência de quantidade de movimento devido ao arraste entre as fases. Interações bolha-bolha e partícula-partícula foram consideradas, além do arraste entre bolhas e partículas, propondo uma correlação para tal. Os resultados medidos e simulados apresentaram boa concordância. Destacaram que o arraste gás-sólido deve influenciar mais o comportamento fluidodinâmico do sistema quando o gás está em frações volumétricas (αg) abaixo de 12%, apresentando um valor constante para frações
volumétrica de gás abaixo de aproximadamente 5,3%.
WIEMANN e MEWES (2006) investigaram a fluidodinâmica de sistemas trifásicos, e propuseram uma correlação para o arraste gás-sólido, além de consideraram os fenômenos de coalescência das bolhas. Destacaram que os campos de escoamento obtidos apresentaram similaridades com os obtidos para sistemas gás-líquido.
JIA et al. (2007) estudaram experimental e numericamente a fluidodinâmica de um sistemas gás-líquido-sólido em uma coluna com recirculação externa. A experimentação física
foi realizada por sonda óticas e a técnica LDA (Laser Doppler Anemometer). A análise numérica foi feita por CFD, e o balanço populacional das bolhas foi considerado pelo modelo MUSIG. As predições apresentam boa concordância com os resultados experimentais.
BEHKISH et al. (2007) investigaram experimentalmente o comportamento da fase gás em sistemas trifásicos em uma coluna em leito de lama de grande escala operando com líquido orgânico em condições operacionais de altas pressões e temperaturas. Relataram que a fração volumétrica global de gás aumentou com a pressão, temperatura e a velocidade superficial do gás, e diminui com o aumento da concentração de sólidos.
ZHANG et al. (2010) investigaram experimentalmente as características da fase gás em sistemas trifásicos escoando em equipamentos com recirculação interna e externa. Mostraram que a velocidade superficial do gás influencia mais significativamente a fluidodinâmica do equipamento do que a carga de sólidos e a introdução de uma recirculação externa.
MORI et al. (2011) e MORI (2012) estudaram numericamente um sistema trifásico em leito de lama sob concentração intermediária de sólido particulado no regime de escoamento homogêneo, validando as simulações com dados experimentais de WU et al. (2008). As interações devido ao arraste disperso-contínuo gás-líquido e líquido-sólido foram modeladas, e as correlações de ISHII e ZUBER (1979) e WEN e YU (1966) forneceram boas aproximações aos resultados experimentais. MORI et al. (2011) e MORI (2012) destacaram a importância do uso de correlações que consideram a deformação das bolhas na modelagem correta dos padrões fluidodinâmicos em leitos borbulhantes.
RABHA et al. (2013a,b,c) avaliaram experimentalmente a influência do tamanho e da concentração das partículas sólidas nos padrões de escoamento de colunas em leito de lama, usando partículas esféricas de vidro com diâmetro médio na faixa entre 50 e 150 µm e concentrações até 20% em volume. A velocidade superficial do gás foi variada entre 2 e 5 cm s−1 em uma coluna com 7 cm de diâmetro. Eles também realizaram simulações CFD utilizando o modelo de balanço populacional MUSIG homogêneo para avaliar o desempenho deste na predição correta das características fluidodinâmicas do leito (distribuição do tamanho das bolhas e fração volumétrica do gás). O diâmetro médio das bolhas e a fração volumétrica de gás apresentaram uma dependência significativa quando partículas sólidas maiores (dp > 100 µm
) constituíam o leito, bem como, quando maiores concentrações de particulado (acima de 3%) estavam presentes. Um aumento do tamanho médio das bolhas e uma redução da fração volumétrica de gás foram observados, quando aumentou-se o tamanho médio e a concentração do sólido particulado. Os resultados das simulações numéricas mostraram boa tendência na predição dos dados experimentais para a fração volumétrica de gás e para o diâmetro médio das bolhas para os casos com sólido particulado com dpabaixo de 100 µm, no entanto, as simulações
o que ressalta a necessidade de mais estudos numéricos e o desenvolvimento de novos modelos de fechamento, considerando a influência das partículas no comportamento das interações entre as três fases.
SEHABIAGUE e MORSI (2013) avaliaram algumas propriedades fluidodinâmicas e de transferência de massa em colunas em leito de lama em grande escala, empregando sistemas reais para a síntese de Fischer-Tropsch (F-T). Três fases líquidas foram avaliadas (mistura parafínica, frações leves e frações pesadas para a síntese F-T), bem como três tipos de partículas sólidas (óxido de ferro e dois tipos de alumina). Os efeitos de variáveis operacionais (pressão, temperatura, carga de sólidos, massa especifica do gás e velocidade superficial do gás) foram estudadas. Eles relataram um aumento na fração volumétrica do gás, com consequente incremento do coeficiente de transferência de massa e diminuição do diâmetro médio das bolhas, pelo aumento da pressão (ou da massa específica do gás), da temperatura e da velocidade superficial do gás. Já um incremento na concentração de sólidos, promoveu uma diminuição da fração volumétrica de gás, aumentando o diâmetro médio das bolhas.
BALTUSSEN et al. (2013) apresentaram um novo modelo de simulação numérica direta (DNS) para escoamentos trifásicos, que combina o modelo Front-Track de DIJKHUIZEN et al. (2010), o qual segue cada bolha separadamente, com o método de fronteira imersa de KRIEBITZSCH (2011), que introduz interações partículas-fluido e partícula-partícula, promovendo assim a capacidade de simular sistemas densos, e os efeitos da população das bolhas. Eles relataram um aumento no coeficiente de arraste das bolhas com o incremento da concentração de sólidos, o que pode ser justificado pelo aumento da viscosidade da fase lama (líquido-sólido).
GHATAGE et al. (2014) estudaram a predição da transição entre os regimes em leitos trifásicos, com base na teoria da estabilidade linear de JOSHI et al. (2001), em uma ampla faixa de condições operacionais (variação do tamanho das bolhas entre 0,7 e 20 mm; partículas com velocidade terminal entre 0,08 e 3,4 m s−1; concentração de sólidos de 0,0007 até 30% em
volume, e massa específica da lama entre 800 e 5000 kg m−3. O modelo proposto conseguiu predizer a fração volumétrica do gás de transição com um desvio absoluto de 12% nos sistemas trifásicos. No entanto, eles relataram que há ainda a necessidade de estudos mais detalhados sobre o comportamento da dispersão dos sólidos e da turbulência presente nestes tipos de sistemas.
XU et al. (2014) estudaram numericamente o escoamento gás-líquido-sólido em sistemas com concentração de até 40% em volume de sólidos, operando com velocidades superficiais de gás de até 26 cm s−1. Eles analisaram o papel das interações entre as fases usando três modelos para a interação líquido-sólido, incluindo os clássicos SCHILLER e NAUMANN (1933) e WEN e YU (1966) e o modelo mais completo EMMS (Energy-Minimization
Multiscale Model), normalmente aplicado a escoamentos gás-sólido, o qual representou melhor o perfil axial da concentração de sólidos nas condições estudadas. Além disso, avaliaram o uso do balanço populacional empregando diferentes modelos de taxa específica de quebra das bolhas. Eles demonstraram que o modelo de LUO e SVENDSEN (1996), para a coalescência, e o modelo de LEHR et al. (2002), para a quebra das bolhas, apresentou a melhor concordância com os dados experimentais usados na validação.
YOUSSEF et al. (2014) destacaram a dificuldade no escalonamento de equipamentos e reatores gás-líquido e gás-líquido-sólido devido à complexidade inerente ao escoamento de sistemas deste tipo, e propuseram uma maneira eficiente de escalonamento de reatores de colunas de bolhas pela compartimentalização do reator de grande escala em pequenas colunas, garantindo uma melhor predição do desempenho deste tipo de reator, com base em uma distribuição mais uniforme do tamanho das bolhas, apresentando assim um melhor controle de escala.
MANJREKAR e DUDUKOVIC (2015) estudaram experimentalmente sistemas gás-líquido-sólido empregando uma sonda ótica de quatro pontos, similar à empregada nos sistemas gás-líquido de XUE et al. (2008), e trifásico de WU et al. (2008), objetivando avaliar a influência do sólido particulado no comportamento das bolhas em uma coluna de diâmetro interno de 8 cm operando em regime turbulento. Partículas de alumina (dp = 60 µm) e esferas
de vidro (dp = 0, 3 − 0, 35 mm) foram empregadas como fase sólida com uma concentração
mássica de 10% em água. Ar foi usado como fase gasosa. Eles relataram que a velocidade das bolhas aumentou na presença da alumina, diminuindo suavemente na presença das esferas de vidro, se comparado ao sistema gás-líquido. O coeficiente volumétrico de transferência de massa, assim como, a área interfacial gás-líquido decresceram na presença da alumina.
Além de investigações fluidodinâmicas, destacam-se também alguns trabalhos numéricos em sistemas trifásicos reativos. Dentre estes, pode-se citar o trabalho de GAMWO et al.(2003), os quais apresentaram em simulações CFD, dois modelos para o desenvolvimento do processo de síntese de metanol em uma única etapa em reatores trifásicos. Ambos modelos apresentam boa concordância com dados experimentais.
TROSHKO e ZDRAVISTCH (2009) modelaram também por CFD, o processo de síntese de Fischer-Tropsch, utilizando a abordagem Euleriana multi-fluido e balanço populacional para as bolhas. O modelo proposto considerou os fenômenos de coalescência e quebra das bolhas, efeitos da área interfacial, além do arraste entre as bolhas e o líquido nas taxas de reação, apresentando bom desempenho na predição dos dados experimentais.