Uma revisão sobre colunas de borbulhamento

Desde o início do século XX, o estudo de colunas de borbulhamento têm atraído a atenção de vários pesquisadores. Apesar de tantos estudos na área, o entendimento completo da fluidodinâmica deste equipamento nunca foi alcançado de forma que a modelagem e o aumento de escala de reatores em colunas de borbulhamento ainda não estão bem desenvolvidos. Este fato pode ser atribuído à grande complexidade da hidrodinâmica e sua dependência com as propriedades físicas de transporte destes sistemas.

Colunas de borbulhamento apresentam três tipos de regime de escoamento, chamados de homogêneo, heterogêneo (churn ou turbulento) e em golfada (slug). Basicamente, para cada sistema gás-líquido, a formação e a estabilidade destes regimes dependem das velocidades superficiais do gás e do líquido, do distribuidor de gás e da geometria do reator de borbulhamento. A figura abaixo mostra um esquema qualitativo dos escoamentos homogêneo (bolhas dispersas), heterogêneo (churn) e slug.

Em princípio, a retenção gasosa na coluna cresce com o aumento da velocidade superficial do gás e, no caso de um distribuidor eficiente (placa porosa, distribuidor com vários orifícios, etc.), um valor máximo de retenção pode ser obtido na transição entre os regimes homogêneo e heterogêneo. Usando um distribuidor menos eficiente (por exemplo, distribuidor com único orifício), não se observa um ponto máximo de retenção gasosa e as características do regime heterogêneo prevalecem no sistema, mesmo para baixas velocidades superficiais de gás.

O regime homogêneo é caracterizado por baixas velocidades superficiais de gás (inferior a 4 cm/s), onde o tamanho de bolhas e a retenção gasosa são radialmente uniformes, sendo que as bolhas apresentam pequenos diâmetros e formas esféricas. Neste regime, a velocidade de ascensão das bolhas é praticamente uniforme, com trajetória ascendente quase retilínea. Além disso, as bolhas possuem pouca interação entre si. Desta forma, os fenômenos de quebra e coalescência de bolhas podem ser negligenciados, não havendo uma forte recirculação de líquido na coluna.

Com o aumento da vazão de gás, o escoamento se torna instável e o regime homogêneo não consegue se manter e passa por um estado de transição. A transição ocorre em uma pequena faixa de velocidades superficiais de gás, onde bolhas maiores formadas por coalescência ascendem com uma velocidade maior que a das bolhas menores. Neste regime, um padrão de circulação do líquido começa a se desenvolver. Para velocidades superficiais de gás superiores a 12 cm/s, é possível observar uma tendência a se estabelecer um equilíbrio entre a quebra e a coalescência das bolhas. Neste ponto o regime passa a se chamar de heterogêneo e é caracterizado por bolhas com diferentes formas e tamanhos e uma intensa circulação de líquido no interior da coluna. As bolhas maiores tendem a ascender pelo centro da coluna e as pequenas pela região próxima a sua parede, mas devido à circulação de líquido na coluna as últimas podem até retornar.

Em colunas de pequeno diâmetro, o regime slug pode ser atingido ao aumentar a velocidade superficial do gás. Neste regime, enormes bolhas de gás, chamadas de bolhas de Taylor, ocupam quase toda a seção da coluna, sendo separadas da parede por um fino filme líquido. Normalmente, estas bolhas não se estabilizam em colunas com diâmetros maiores que 15 cm, ocorrendo a sua quebra em bolhas menores, ocorrendo, então, o regime heterogêneo.

Ps.: Ok, ok... Acabei de "puxar sardinha" para a minha área de atuação.