Caring about the future

Mini e Micro reactores de jactos em T com elevada capacidade
Investigador Responsável - Santos, R.J.
Investigador responsável no CESAM - Maria Isabel Nunes
Programa - PTDC/EQU-EQU/098617/2008
Período de Execução - 2010-05-01 - 2013-10-31 (42 Meses)
Entidade Financiadora - FCT
Financiamento para o CESAM - 49988 €
Instituicão Proponente - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Instituições Participantes
Universidade de Aveiro


Descrição do Projecto

Ao longo da última década a comunidade científica tem dedicado bastante atenção à miniaturização dos reactores químicos, devido às vantagens apresentadas por esta (Jensen, 2001). Estas vantagens baseiam-se na redução das distâncias que permite rápidas transferências de massa e calor, características importantes em produtos envolvendo reacções rápidas, nomeadamente reacções rápidas competitivas ou consecutivas. Exemplos de tais produtos são poliacrilatos produzidos pela Siemens Axviva através de micro reactores (Hessel e Löwe, 2003a) e nanopartículas (Chang et al. 2008).


No entanto a utilização de microreactores na indústria tem sido um processo mais lento devido a novos problemas que surgiram com esta classe de reactores. Um dos maiores problemas dos microreactores são os reduzidos débitos de produção.


As vantagens dos microreactores baseiam-se nas suas reduzidas distâncias, que como tal devem ser mantidas quando são implementados industrialmente. A solução para aumentar o débito de produção sem alterar as características dos produtos foi substituir o "aumento de escala" por um novo conceito, o "aumento do número de unidades" através da produção de matrizes com vários reactores em paralelo (Hessel e Löwe, 2003a).


A principal inovação deste projecto é a introdução de novas geometrias de jactos em T, com altos elevada produção numa única unidade. Os novos reactores de jactos em T serão facilmente escaláveis para a produção industrial, sem alteração das características dos seus produtos. A presente inovação baseia-se numa descoberta recente e ainda não publicada de que mantendo as dimensões planares do reactor de jactos em T (largura da câmara e dos injectores) o aumento da profundidade não diminuí a dinâmica de mistura. Neste projecto a profundidade do reactor de jactos em T, será até mil vezes o valor típico das unidades actuais. A nova geometria levanta problemas ao nível da sua fabricação. No âmbito do projecto vai ser demonstrada uma solução técnica que será patenteada.


Outra abordagem para resolver os problemas que surgem com a miniaturização dos reactores é que esta deve ser só a necessária e não a possível (Hessel e Löwe, 2003b). A escala dos reactores de jactos em T será estudada para responder à questão de quão pequenas deverão ser estas unidades. As escalas de mistura podem ser diminuídas através de regimes de escoamento com fortes mecanismos de convecção - mecanismos de mistura caótica. Esta redução das escalas de mistura permite a utilização de geometrias de maiores dimensões para os mesmos tempos de contacto. A utilização de reactores com uma escala superior à dos microreactore, mini, resolve outras dificuldades técnicas levantadas pelos microreactores: colmatação, elevadas perdas de carga e a necessidade de utilização de técnicas de microfabricação na sua construção.


A redução das escalas de mistura pode também ser feita através de estratégias de mistura activa, i.e. impondo uma perturbação externa ao sistema. Resultados com ferramentas de Computação de Fluidos Dinâmicos (CFD) de Ashar et al. (2008) provaram que a modulação do caudal dos jactos pode ser utilizada para controlo da forma e tamanho dos vórtices que promovem a mistura nos reactores de jactos em T. Um instrumento para modulação de escoamentos em condutas foi proposto por esta equipa de investigação (Santos e tal., 2008b - WO 2008/126027 A2) para o controlo de variáveis como a frequência, a amplitude e o desfasamento da oscilação dos jactos, que serão estudados neste projecto.


A mistura será estudada para várias geometrias, regimes de escoamento e parâmetros de mistura activa com ferramentas computacionais e experimentais de mecânica de fluidos. A transferência de massa será visualizada com técnica de fluorescência induzida por laser (PLIF), e os mapas de vectores velocidade do escoamento serão determinados por velocimetria de imagens de partículas (PIV). Métodos computacionais também serão usados, CFD. As simulações com CFD vão ser acopladas à transferência de massa para e a reacções teste de mistura (Bourne e tal. 1985). Experiências com estas reacções teste também serão feitas para determinar os tempos de mistura no reactor a diferentes condições. Reacções com mais que um passo, em que um seja quase instantâneo e o outro passo rápido mas mais lento, só produzem o produto "lento" quando os tempos de reacção se aproximam dos tempos de mistura.


A síntese do Sulfato de Bário será feita para estudar a mistura (Gradl et al. 2006). Este sistema está bem caracterizado e será usado para a simulação de fenómenos de precipitação no reactor de jactos opostos acoplando Modelos de Balanços Populacionais às simulações de CFD. Nanopartículas de interesse comercial vão ser sintetizadas, óxido de zinco, para demonstração da utilização industrial deste reactor. As nanopartículas de ZnO serão extensivamente caracterizadas para determinar a influência da mistura no reactor de jactos em T nas suas propriedades.






Membros do CESAM neste projecto

Financiamento do CESAM: UIDP/50017/2020 + UIDB/50017/2020 + LA/P/0094/2020