Ao longo do Capítulo 2 foi apresentado em pormenor um modelo de reacção química heterogénea de primeira ordem a decorrer na fase de emulsão dum leito fluidizado borbulhante, na qual intervêm sólidos carbonizados e um agente gasoso de gasificação. A aplicação deste modelo ao estudo da cinética da redução heterogénea do NO com carbonizados requer, para além da identificação e caracterização dos materiais reagentes (ver ponto 3.2), a caracterização das condições de operação adoptadas para o ensaio do reactor (p.e. temperatura, caudal de gás, etc.) e a identificação de algumas das suas características (p.e. massa do leito, configuração da placa de distribuição de gás, etc.). Para além disto, é importante apresentar a estratégia de ensaio experimental seguida por Matos (1995) com o objectivo de assegurar a validade de algumas simplificações admitidas para modelo matemático proposto (p.e. assumiu-se que o reactor se encontra em estado estacionário).
O presente ponto visa esclarecer estes aspectos da realização experimental.
3.3.1 Reactor laboratorial de leito fluidizado borbulhante
O reactor laboratorial de leito fluidizado faz parte dum sistema reactivo instalado no Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, desenvolvido e operacionalizado por Matos (1995), que inclui também um conjunto de órgãos acessórios destinado ao controlo e monitorização da operação do reactor. A infra-estrutura experimental compreende: (i) o reactor heterogéneo; (ii) uma unidade de alimentação de gás (que permite preparar e controlar a admissão da mistura gasosa reagente ao reactor); (iii) uma unidade de exaustão (destinada à descarga controlada de gases e calor para a atmosfera); (iv) uma unidade de aquecimento do reactor (com o objectivo de manter a temperatura do ambiente reactivo em patamares preestabelecidos); (v) os sensores de pressão e temperatura; (vi) um sistema de amostragem e análise gasosa (que permitem monitorizar a composição gasosa na região do reactor localizada imediatamente acima do leito fluidizado); e (vii) um sistema de aquisição de dados e controlo automáticos. Neste ponto apresenta-se apenas uma breve descrição do reactor, com destaque para as medidas utilizadas nas pesquisas realizadas no âmbito deste trabalho, aconselhando-se a consulta de Matos (1995) para uma descrição detalhada da infra-estrutura experimental.
A câmara de reacção do reactor laboratorial consiste num tubo de quartzo com 40 cm de altura útil e 5 cm de diâmetro interno (Ar = 19,635E-4 m2), assente numa placa
de distribuição de gás e tapado por uma placa superior, que permite aceder ao ambiente de reacção através de sondas especificas (monitorização da composição gasosa, temperatura e pressão), carregar o reactor com o material do enchimento e os sólidos reactivos, e encaminhar o efluente gasoso para a unidade de exaustão. A placa de distribuição apresenta 12 injectores (A0 = 1,6363E-4 m2·injector-1)que direccionam o fluxo
do gás de fluidização (i.e. a mistura gasosa reagente) no sentido do escoamento, tendo- se revelado adequada à operação do leito em regime borbulhante para caudais de gás da ordem de 2,5 l·min-1 (PTN) (Matos, 1995).
O leito do reactor tinha uma massa de 135 g e era constituído por partículas de quartzo (ρp = 2650 kg·m-3) com granulometria compreendida entre 125 e 180 µm
(representada por um diâmetro médio de Sauter de 150 µm) e com esfericidade da ordem de 0,67 (Kunni & Levenspiel, 1991, Matos, 1995). Sob o ponto de vista da fracção de vazios do leito às condições de mínima fluidização, Kunni & Levenspiel (1991) apontam um valor da ordem de 0,55 para leitos de partículas deste género, o qual foi adoptado neste trabalho.
A Figura 3.4 apresenta os principais componentes do sistema reactivo utilizado por Matos (1995), incluindo a sua articulação. A Tabela 3.4 resume os parâmetros do reactor de leito fluidizado usados no modelo matemático apresentado no Capítulo 2.
Figura 3.4 – Sistema reactivo incluindo o reactor laboratorial de leito fluidizado usado por Matos (1995) para a realização de medidas experimentais relativas à redução heterogénea do NO com
Tabela 3.4 – Características e propriedades do enchimento e do reactor de leito fluidizado laboratorial.
Variável Ar A0 mp ρp dp φp εmf
Unidades mr2 mr2·injector-1 kgp kgp·mp-3 mp -- mf3·me-3
Valor 1,9635E-03 1,6363E-04 0,135 2650 1,50E-04 0,67 0,55
3.3.2 Condições de ensaio experimental
O reactor laboratorial foi operado por cargas, sendo adicionada ao leito fluidizado uma massa conhecida de partículas de carbonizados, compreendida entre 0,5 e 2 g consoante o caso, e à temperatura desejada para o ensaio. O leito era fluidizado com uma mistura gasosa com cerca de 2000 ppmv de NO em Argon, preparada com recurso a rotâmetros calibrados (pertencentes à unidade de alimentação de gás) e admitida ao leito com um caudal de cerca 2,5 L·min-1 (PTN), através dos injectores da placa de
distribuição. Os ensaios de gasificação de carbonizados decorreram a temperatura constante, tendo sido seleccionados vários patamares compreendidos entre 575 e 930 ºC, com o objectivo de avaliar o efeito da temperatura sobre as condições de reacção química nas partículas reactivas e o comportamento da constante cinética de primeira ordem (k1). As condições específicas de cada ensaio são apresentadas no ponto 4.4.1,
juntamente com os respectivos resultados experimentais.
Sob o ponto de vista da metodologia adoptada para operacionalização do reactor com vista a assegurar a aplicabilidade do modelo matemático apresentado no Capítulo 2, destacam-se os seguintes aspectos:
− A operação do reactor laboratorial de leito fluidizado em estado estacionário era admitida apenas num curto período de tempo após o início dos ensaios experimentais, isto é, o início do contacto entre os reagentes. De facto, a utilização duma concentração baixa de NO permitia que os sólidos reactivos fossem gasificados lentamente, pelo que a sua massa podia ser considerada constante nesse período. Com efeito, o registo da concentração de NO à saída do reactor permitia delimitar um período inicial de operação estacionária, suficientemente curto para que a massa de carbonizado no leito pudesse ser considerada igual à massa de partículas adicionada, durante o qual eram realizadas as medidas experimentais com interesse.
Nestas condições, pode-se fazer uso do modelo analítico de leito fluidizado em estado estacionário, apresentado no ponto 2.4.6, para estimar as concentrações bulk do NO nas bolhas e na emulsão. Contudo, a utilização dum modelo de reacção química heterogénea estabelecido a partir da equação da continuidade em estado estacionário (Eq. 2.79) (i.e. o
modelo homogéneo), não resulta de considerações sobre o tipo de operação do reactor e antes se relaciona com aspectos fenomenológicos ao nível da própria partícula reactiva (ver ponto 2.6.2). Repare-se que num reactor contínuo e estacionário as partículas reactivas reduzem de tamanho.
− A utilização duma concentração baixa de NO permitia ainda considerar o leito fluidizado isotérmico, com as partículas de carbonizados sensivelmente à temperatura do escoamento gasoso envolvente (e das partículas inertes que constituem o leito), na medida em que limitava a velocidade de reacção química heterogénea (caso contrário, seria necessário aplicar também um balanço de energia ao reactor). Para além disso, na presença de reacções químicas menos rápidas a transferência de massa entre as bolhas e a emulsão torna-se menos importante. Por último, uma concentração baixa do gás reagente permite considerar válido o modelo mais simples de difusão equimolecular. − A realização das medidas experimentais num curto período de tempo após o início do contacto entre os reagentes permitia ainda considerar constantes o raio das partículas reactivas e a porosidade (i.e. iguais aos valores iniciais), os quais influenciam as condições de transferência de massa na camada limite e no interior das partículas. Para além disso, este procedimento reduzia a possibilidade de se estabelecer uma camada de cinzas à superfície exterior.
− O caudal de gás de fluidização era regulado para um valor superior ao requerido para o funcionamento do sistema de amostragem e análise gasosa (≈1,5 L·min-1 PTN), que
fosse adequado para o estabelecimento dum leito borbulhante e que limitasse tanto quanto possível a elutriação de partículas (este fenómeno não foi considerado no modelo matemático, embora tenha sido avaliada a sua importância).