3.3.1 Histórico e Desenvolvimento
O extrator, ainda em sua versão paddle-type, foi desenvolvido no complexo nuclear
Savannah River Plant (SRL) na década de cinquenta e operado por muitos anos no
processamento e refino de material radioativo para a extração de urânio e outros metais essenciais para a indústria nuclear. O projeto foi modificado pela Argonne National Laboratory (ANL) no final da década de sessenta para dar origem ao tipo anular que está sendo utilizado nesta década (Duan et al., 2005).
O projeto concebido pela ANL eliminou completamente a câmara de mistura, as pás do misturador e o bico injetor ao delinear um novo modo de mistura baseado no escoamento em vórtice de Taylor-Couette. A simplificação do projeto possibilitou o uso de componentes disponíveis comercialmente e, por conseguinte, reduziu a complexidade e o custo de fabricação do extrator. Os estudos realizados nos anos seguintes por Bernstein e Leonard (Bernstein et al., 1973, Leonard et al., 1981) resultaram em uma melhor compreensão do projeto do extrator, incluindo as condições operacionais nas quais a transição entre os regimes de escoamento ocorre (Vedantam et al., 2012) e tornando-o potencialmente aplicável a uma vasta variedade de sistemas de extração por solventes em escala laboratorial e industrial. Além disso, estes trabalhos modelaram e testaram com sucesso a extração em processos com um e múltiplos estágios (Leonard et al., 1980, Leonard et al., 1993). Ainda na década de 70, o Institute of
Nuclear and New Energy Technology (INET) – China iniciou o desenvolvimento de seu próprio
extrator anular, o que gradativamente resultou na produção de uma série de extratores com diâmetros entre 10 mm e 230 mm e que foram utilizados com sucesso industrialmente (Duan et al., 2006).
Durante a década passada, seu projeto foi objeto de estudo tanto de pesquisas relacionadas a seus parâmetros de operação quanto de aperfeiçoamentos específicos com a intenção de converter processos batelada a continuo em diversos segmentos industriais, além de poder ser utilizado na síntese de partículas de sílica monodispersa (Ogihara et al., 1995) e regeneração de carvão ativado (Mvndale et al., 1991); esterificação e hidrólise (Gandhi et al., 1995) e como reator de cavitação (Pandit and Joshi, 1993).
Enquanto sua aplicação no processamento de combustível nuclear deve-se à sua capacidade de serviço remoto (Orth and Olcott, 1963, Roth, 1969), o extrator é adequado ao processamento de material biológico por ter controle sobre o campo de cisalhamento e beneficiar a coalescência das fases (Joshi et al., 1996), além de oferecer excelentes coeficientes de mistura (Pandit and Joshi, 1983), calor (Joshi et al., 1980) e transferência de massa (Pandit and Joshi, 1986).
3.3.2 Princípio de Operação
O projeto moderno do extrator mantém (Duan et al., 2015) as principais características apresentadas pelo equipamento construído pela ANL na década de 60, consistindo de um cilindro externo, estacionário, concêntrico com um cilindro interno em rotação. O espaço anular reduzido, da ordem de milímetros, entre os dois cilindros e a alta velocidade de rotação do cilindro interno produz elevado cisalhamento na região anular. Esta força de cisalhamento mistura intensamente ambas as fases ao as fragmentar em gotículas, aumentando consideravelmente a área total de superfície de contato (Vedantam and Joshi, 2006). A figura 3 apresenta a representação esquemática do reator e as principais características. As fases imiscíveis são introduzidas na região anular, ou zona de mistura, pelas aberturas tangenciais e são rapidamente dispersas à medida que os fluidos são misturados intensamente pelo cisalhamento induzido pelo movimento do rotor. A dispersão flui em direção ao fundo do extrator, onde aletas radialmente dispostas interrompem o movimento rotacional da dispersão e forçam a dispersão adentrar o rotor através de uma abertura em sua parte inferior.
Ao entrar no rotor, a dispersão é acelerada em direção à parede interna pelo defletor localizado imediatamente acima do orifício de entrada e é distribuída entre as diversas câmaras (entre quatro e oito) formadas pelas chicanas verticais localizadas acima do dispersor. Exceto por uma pequena região parabólica na região de entrada, a superfície do líquido contido no rotor adquire formato quase vertical devido à força G elevada gerada pelo movimento do extrator e é separada à medida que se move para cima.
Após a separação completa, as fases são coletadas em vertedouros cujo tamanho e posição foram calculados em função da vazão de entrada das fases e sua correlação com a espessura das fases puras observada no rotor.
3.3.3 Parâmetros e Caracterização de Projeto
A taxa de separação das fases do extrator dependerá da distribuição de tamanho das gotas na dispersão, da sua velocidade de sedimentação sob ação centrífuga (𝑟Ω2), densidade,
viscosidade e coalescência das fases. Para completa separação, principal característica do extrator, a altura da câmara de separação deve ser adequada para uma dada magnitude de 𝑟Ω2
(Tamhane et al., 2012). A zona de separação formada se estende desde o defletor até o coletor da fase leve, permitindo que a interface líquido-líquido se forme e se acentue durante o tempo de residência do fluido no rotor (Meikrantz et al., 2001). Durante operação, o processo é otimizado ao ajustar suas variáveis de modo a posicionar a interface a meio caminho entre os coletores da fase leve e pesada e, por conseguinte, evitar quaisquer perdas na qualidade da separação devido a arraste de uma das fases.
Outro aspecto muito importante durante a caracterização de um sistema extrativo para o extrator é a vazão máxima para o fluxo da fase leve na qual a banda de dispersão dentro do rotor atinge a abertura do coletor da fase e ocasiona o arraste das fases dispersas em uma ou ambas correntes de saída do extrator. O termo utilizado para esta condição é flooding, fazendo referência à inundação de um dado coletor de fase pela corrente da qual deveria estar isento. Assim, as dimensões utilizadas durante o projeto do rotor/extrator baseiam-se no tempo de separação das gotículas na fase dispersa.
A altura do líquido na região anular tem efeito significativo tanto na eficiência de mistura da dispersão quanto na eficiência global da extração do extrator, uma vez que a mistura das fases ocorre predominantemente na região anular e aumenta proporcionalmente à altura da dispersão na região (Tamhane et al., 2012). A altura da dispersão, por sua vez, mostrou-se em função do fluxo de entrada, velocidade do rotor, diâmetro da região anular e geometria do rotor (Birdtiell Jr and Anderson, 2001, Law et al., 2002).
Caso os solventes utilizados sejam sensíveis ao cisalhamento, a mistura no anulo pode ser minimizada introduzindo-se um cilindro com diâmetro ligeiramente maior que o diâmetro externo do rotor (Meikrantz et al., 1996). O revestimento do rotor reduz o cisalhamento ao redirecionar os fluidos diretamente para o interior do rotor, bypassing a etapa de mistura na zona anular e mantendo o trajeto esperado para o fluxo da mistura.
Embora o extrator centrífugo anular (ACC) opere em velocidades relativamente baixas (100-1000xG) quando comparado a outros extratores centrífugos e dificulte estudos comparativos entre processos e de aumento de escala, Meikrantz et al. (2001) propuseram o uso de G-seconds, definido como o produto da força G exercida, em múltiplos de gravidade (xG), pelo tempo de residência (em segundos). Um dado valor de G-seconds é obtido ao manipular o tempo de residência da extração ou a força G no extrator.
A intensidade da força G exercida para um dado rotor com diâmetro conhecido depende apenas da velocidade em que o mesmo está operando. A medida que o diâmetro do rotor aumenta, a velocidade rotacional necessária para atingir a mesma força G diminui proporcionalmente. Por outro lado, o tempo de residência do processo pode ser manipulado tanto pela variação da vazão de entrada dos solventes quanto pelo ajuste da altura do extrator, e respectivo rotor, de modo a exceder os efeitos de tensão superficial e induzir a coalescência das gotículas formadas pelo contato no anulo. Meikrantz et al. (2001) descreveram detalhadamente diversos acessórios disponíveis para o extrator, bem como algumas das relações essenciais para determinar condições de extração ótima.
3.3.4 Características Hidrodinâmicas
3.3.4.1 Vórtices de Taylor
Realizando estudos independentes de escoamento no espaço anular entre cilindros concêntricos, Couette (1890) e Mallock (1896) notaram o surgimento de padrões instáveis quando um, ou ambos, cilindro(s) atinge(m) certa velocidade. Posteriormente Taylor (1923) analisou matematicamente esta instabilidade para fluidos viscosos utilizando a teoria da estabilidade linear, encontrando uma boa relação com os dados experimentais e obtendo de sua solução analítica a definição de um número adimensional que ficou conhecido mais tarde como número de Taylor (Ta ). O número expressa a razão entre as forças centrífugas e as forças
viscosas, sendo expressa matematicamente como:
2 4 2 2 2 4 ( ) 1 i d Ta v [1] 2 2 Re Ri id v [2]Desde então, vários critérios foram estabelecidos para determinar sob quais condições a instabilidade no fluxo se formava, sendo discutidos em detalhe por (Vedantam and Joshi, 2006). De modo geral, a literatura relativa a instabilidade observada neste tipo de fluxo vem sendo discutida e expandida continuamente desde então: Jeffreys (1928) inicialmente estudou as semelhanças entre o fluxo de Taylor-Couette e a convecção Rayleigh-Benard em sistemas com espaços anulares estreitos, mas diversos outros pesquisadores ampliaram este estudo para espaçamentos maiores (Donnelly, 1958, Chandrasekhar, 1962, Davey, 1962).
Chandrasekhar (1962) incorporou o fluxo axial na teoria linear da estabilidade e observou a transição entre o escoamento de Couette e o escoamento de vórtices de Taylor a um dado número de Taylor, denotado como crítico (TaCR).
2
1708 27,15 Re
z CrTa
[3] 2 2 Re Ri i d v [4]Stuart (1958) foi o primeiro a utilizar a teoria linear da estabilidade para estudar possíveis variações na formação do padrão dos vórtices. Este estudo foi posteriormente expandido por uma série de estudos (DiPrima and Eagles, 1977, Davey, 1962, Coles, 1965), mostrando que a estrutura dos vórtices foi alterada significativamente a medida que Ta excedeu
CR
A medida que Ta aumenta, o escoamento muda para vórtices caóticos e, por
conseguinte altera-se para escoamento turbulento em vórtices de Taylor. Vedantam et al. (2012) descreveram e ilustraram detalhadamente estas estruturas em seu trabalho.
A importância destes estudos está no impacto que estas estruturas causam nos parâmetros de difusividade e mistura no espaço anular. Legrand and Coeuret (1986) propuseram que cada vórtice formado no espaço anular entre dois cilindros seja considerado como um tanque agitado ideal e provaram que não havia praticamente mistura entre os vórtices. Ainda não existe um consenso relativo ao mecanismo envolvido durante o escoamento turbulento nos vórtices formados, embora trabalhos envolvendo simulações (Deshmukh et al., 2009), ensaios experimentais (Desmet et al., 1996) e modificações físicas no projeto (Richter et al., 2008) tem avaliado tanto o desenvolvimento dos vórtices de Taylor quanto sua contribuição na eficiência da mistura entre as fases.
3.3.4.2 Características da Separação
Ainda que as principais características do processo de separação das fases foram descritas previamente no tópico 3.3.2, algumas relações entre os parâmetros envolvidos são descritas a seguir.
Durante o trajeto dentro do rotor, a espessura da banda de dispersão diminui à medida que a dispersão flui para cima e a largura da zona de separação em qualquer posição aumenta com um aumento na vazão e redução na tensão interfacial. Além disso, a largura da banda decresce com o aumento da velocidade de rotação e da diferença entre as densidades das fases.
Outro parâmetro característico no projeto de sedimentadores é a vazão total máxima permitida para que a banda de dispersão não atinja os vertedouros e arraste a mistura das fases na corrente de saída do extrator. Este evento é conhecido como flooding e pode ocorrer em um ou ambos coletores das fases.
O projeto adequado da zona de separação, fator determinante para evitar flooding nos coletores, deve ser baseado no tempo de sedimentação das gotas na fase dispersa e tem sido o foco de estudo de projetos relacionados a otimização de separadores (Barnea and Mizrahi, 1975a, Barnea and Mizrahi, 1975b, Barnea and Mizrahi, 1975c).
Embora existam evidências experimentais publicadas que comprovem o comportamento da banda dispersa em sedimentadores, não existe correlação universal que auxilie no projeto de sedimentadores batelada ou contínuo (Vedantam et al., 2012).
S Z T a [5]
A equação acima foi proposta por Barnea and Mizrahi (1975a) e estabelece que o tempo de sedimentação (TS) é proporcional a raiz quadrada da razão entre a espessura da banda de dispersão (Z) e a aceleração (gravitacional ou centrífuga). Leonard (1988) a utilizou para propor uma variável adimensional denominada Número de Dispersão e estabeleceu uma correlação apropriada ao projeto e scale-up de zonas de sedimentação que requerem a coalescência de dispersões líquidas. A equação é mostrada abaixo:
1
D SZ
N
T
a
[6]Recentemente, Tamhane et al. (2012) realizaram diversos experimentos em uma ampla faixa de variáveis e valores, sob aceleração gravitacional e centrífuga, propondo uma correlação para o cálculo do número de Dispersão (ND ) no extrator centrifugo anular, apresentada abaixo. 0,95 0,036 0,019 0,174 0,074 0,086 3 4 3 0,1 D i C C a Q N C g D C D g ND [7]
Vedantam et al. (2012) aplicaram esta equação a alguns de seus experimentos e comprovaram a validade da equação.
3.3.5 Aplicação e Comercialização
Embora o uso do extrator tenha sido quase que exclusivamente no processamento de resíduos de combustível nuclear irradiado e que outros usos tenham sido mencionados anteriormente no tópico 3.3.1, os seguintes trabalhos merecem destaque por avaliar o uso deste equipamento como alternativa a processos convencionais.
Duan et al. (2006) avaliaram o uso de extratores produzidos pela INET para substituir as colunas de pratos recíprocos que foram adotadas em substituição a misturadores estáticos. Embora extratores RPC sejam capazes de recuperar cafeína em níveis superiores a 99%, seu projeto requer construções complexas e períodos prolongados para atingir estado estacionário. Seus experimentos mostraram que o extrator, tanto em escala da bancada quanto em planta-piloto, extraiu cafeína em taxas superiores a 99% quando o rotor operava entre 3000- 4500 rpm, fluxo total (clorofórmio e extrato) de 20 80 mLmin1 e razão extrato/solvente de 2/1.
Na indústria petroquímica, o extrator foi utilizado no processo de remoção do excesso de óleo do efluente das colunas de destilação antes do mesmo ser enviado a estações dessalinizadoras (Hao et al., 2013). Os autores utilizaram um aparelho de 150 mm de diâmetro (rotor) feito em aço inox e de fabricação própria. Após estabelecer as relações entre os parâmetros de operação e a eficiência de recuperação do óleo, os autores puderam reduzir o conteúdo do contaminante a frações inferiores a 0,5%.
Pineda et al. (2014) estudaram a absorção de CO2 por metanol utilizando um
extrator centrífugo (θ 57,40 mm) modificado, no qual bandejas foram construídas em volta do rotor para maximizar a absorção do gás. O processo ocorreu a velocidades rotacionais baixas
< 150 rpm e com adição de nano partículas de Al
2O3, SiO2 e TiO2 para obter nanofluidos emostrou que o desempenho do extrator se deu em função da modificação do rotor, provando que a adição das bandejas elevou o rendimento da absorção em até 10%.
Como a grande maioria dos trabalhos disponíveis até o momento ainda são relacionados a recuperação de urânio, estrôncio, césio e outros metais de alto valor agregado a partir do reprocessamento do combustível nuclear (Duan et al., 2014), acredita-se que a indisponibilidade do equipamento para comercialização a nível global possa ser uma consequência da existência de restrições legais. As únicas companhias encontradas cujo portfólio incluem o extrator, mas que não retornaram nenhuma das tentativas de contato, foram a CINC Industries (CINC, 2016), ROUSSELET ROBATEL (Rousselet, 2016) e TECHNOFORCE (Technoforce, 2016).