Fatos ao seu alcance: dispersão de gás em líquidos

1º de setembro de 2022 | Por Scott Jenkins, revista Chemical Engineering

Injetar gases através de um difusor em um líquido é um aspecto importante de muitas operações nas indústrias de processo químico (CPI). Aplicações importantes incluem a dissolução de gases reagentes em uma fase líquida para posterior reação (como em hidrogenação, oxidação, ozonização), bem como carbonatação de bebidas, estimulação de processos de fermentação (Figura 1), aeração de águas residuais para tratamento, remoção de ar ou oxigênio de produtos químicos, remoção de compostos orgânicos voláteis (VOCs) de produtos químicos líquidos, remoção de umidade de combustíveis e outros. Esta referência de uma página fornece informações sobre os principais aspectos da difusão de gás em líquidos, incluindo taxa de transferência de massa, efeitos de agitação e seleção de equipamentos.

FIGURA 1. Em um exemplo de aplicação de aspersão de gás, uma barra difusora no fundo do tanque libera oxigênio para estimular um processo de fermentação

O principal objetivo de um sistema de sparging é aumentar a eficiência da transferência de massa de gás para líquido (uma relação entre a quantidade de componente de gás ativo dissolvido no líquido e a quantidade de gás injetado). A baixa eficiência de transporte de massa leva a uma taxa de injeção de gás elevada. Nesse caso, o aumento do volume de gás eleva o custo para atingir os resultados desejados. A eficiência da transferência de massa de gás para líquido é controlada principalmente pela resistência de transferência de massa da fase líquida.

A transferência de massa rápida e eficiente está correlacionada com a propagação de bolhas finas, o que aumenta a área de superfície do gás em contato com o líquido.

Materiais porosos de metal ou cerâmica projetados criam bolhas finas de acordo com os requisitos da aplicação. Materiais porosos permitem que grandes volumes de gás passem com área específica muito alta. Por exemplo, com volumes iguais de gás, bolhas de 1 mm teriam 6,35 vezes mais superfície de contato gás-líquido do que bolhas de 6,35 mm (1/4 pol.) [2].

A taxa de transferência de massa de gás para líquido por unidade de volume é calculada usando: KLa(C* – C), onde KL é o coeficiente de transferência de massa da fase líquida que depende da difusividade, viscosidade do líquido, temperatura e mistura ; a é a área interfacial das bolhas de gás em contato com o líquido; C* é a concentração saturada do gás no líquido; e C é a concentração no líquido a granel.

Espalhando pequenas bolhas de gás com alta relação superfície-volume no líquido, a área interfacial a é aumentada e a taxa de transferência de massa do gás é melhorada. A força motriz de transferência de massa (C* – C) também tem um grande impacto na taxa de dissolução do gás, pois o gás de alta pureza é usado em vez do gás de menor pureza. Por exemplo, a concentração saturada de oxigênio na água a partir do oxigênio puro é cinco vezes maior do que a do ar, resultando em um grande aumento na taxa de dissolução do oxigênio com oxigênio puro.

Os aspersores são escolhidos com base no projeto e nas condições operacionais do processo. pressão e temperatura.

Materiais de Construção. Os aspersores de metal são usados ​​em condições de alta temperatura, corrosivas ou oxidantes, enquanto os aspersores de cerâmica são suficientes para condições amenas.

Velocidade de saída do gás. A velocidade de saída do gás na superfície do aspersor é um importante critério de projeto para a seleção do aspersor. A vazão volumétrica real do gás para a velocidade de saída é calculada usando a pressão (P) que é a soma da pressão do headspace do tanque (PHeadspace), pressão do cabeçote do líquido no aspersor (PLiquid) e queda de pressão no elemento do aspersor (ΔP). A área mínima da superfície do aspersor é baseada no limite de velocidade de saída do gás para o processo.

O limite de velocidade de saída é menor para a operação de aspersão estática quando não há agitação mecânica da fase líquida. Para aspersão de tanque agitado e aspersão dinâmica, onde o líquido tem alta velocidade forçada ao longo da superfície do aspersor, os limites de velocidade de saída do gás são significativamente maiores, exigindo aspersores menores para o mesmo fluxo de gás. O limite de velocidade de saída para aspersão de tanque agitado e aspersão dinâmica depende da velocidade do impulsor e da velocidade do líquido, respectivamente.