Transferência de Massa e Taxa da Reação

A compreensão fundamental do processo de mistura é essencial para o aumento de escala no desenvolvimento químico. Misturar é a redução ou eliminação da falta de homogeneidade de fases que sejam misturáveis ou não misturáveis. O objetivo é reduzir ou eliminar a temperatura, os gradientes de concentração ou garantir a dispersão satisfatória de várias fases. A mistura satisfatória é desejada por vários motivos, incluindo as reações secundárias ou formação de subprodutos, aumentando a transferência de massa em sistemas com várias fases, ou garantindo a rápida transferência de calor. A eficiência da mistura é influenciada pelo tipo de material a ser misturado, pelo design do agitador e do reator, pelo regime de mistura, mas também pela posição do tubo de alimentação e pelas condições de operação. [Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]. As reações químicas em um tanque agitado, em que os reagentes podem estar presentes em mais de uma fase (líquida, gasosa ou sólida), necessitam de contato de interface intensiva para facilitar a transferência de massa ideal. A mistura inadequada ou de baixa qualidade pode resultar em uma baixa taxa de reação, baixo rendimento, baixa seletividade ou concentração aumentada de impurezas, que aumenta significativamente os custos de fabricação. A transferência de massa e a cinética podem concorrer e contribuir para a taxa geral de reação. A otimização e o aumento de escala do processo necessitam que o impacto da mistura na taxa da reação seja quantificado. Os reatores de laboratórios devem ser operados sob condições que permitam a caracterização e o aumento de escala significativos do processo.

O desenvolvimento e o aumento de escala de um processo químico é frequentemente desafiador. Combinar o desempenho e a mistura entre reatores de pequena e grande escala é difícil somente quando se depende de medições mecânicas, como a taxa de agitação, a geometria e o design do agitador. Uma abordagem mais consistente para estudar as dinâmicas do processo em pequenos reatores é medir o coeficiente de transferência de massa diretamente no sistema real da reação. Experimentos automatizados e controlados podem ser executados em paralelo em um sistema de reatores de laboratório para estabelecer uma correlação de transferência de massa e fornece um meio para ajustar rapidamente a área de interface de gás/líquido e o volume do reator, alcançando as condições desejadas necessárias para o aumento ou a diminuição de escala de um processo. 

No sistema multifásico, a transferência de massa entre fases é fundamental para o aumento de escala e o desempenho do reator, e a potência mecânica transferida pela interação do agitador com o fluído também é fundamental. Ela impacta o nível de dispersão de várias fases e a transferência de massa correspondente entre elas. Em um único processo de fase líquida, em que uma reação rápida pode produzir um produto concorrente e uma formação de subproduto, o nível de turbulência do fluído pode impactar a seletividade e o rendimento do processo químico geral.

Em sistemas como esse, a potência mecânica por volume de unidade determina o nível de turbulência e o desempenho do processo. Para um determinado agitador e geometria específica do reator de tanque agitado, a curva de desempenho do agitador universal pode ser obtida. Isso caracteriza a potência do agitador aplicada à fase de fluído.

As típicas curvas de desempenho de potência (número Reynolds (Re) x número de potência (Np), conforme mostrado à direita) são independentes do volume do reator e, portanto, facilitam o aumento de escala e a caracterização do sistema. O número Reynolds sem dimensões indicam se o fluído do reator está correndo em um regime laminar ou turbulento. Ele representa a proporção de forças inertes (forças do agitador no fluído), comparadas com as forças viscosas intrínsecas ao fluído do processo. Quando as forças viscosas dominam e Re < 10, então o fluxo de fluído será governado pela viscosidade do fluído, e o padrão de fluxo será laminar. Quando as forças do agitador dominarem e Re> 2.000-10.000, então o fluxo de fluído será independente da viscosidade, proporcional à densidade e, portanto, turbulento. O ponto de transição exato para o regime turbulento depende da geometria do reator e da presença de elementos promotores de "turbulência" no reator, como defletores. Os reatores do laboratório fornecem meios rápidos para testar cada fluído e gerenciamento do agitador do reator. 

Em um exemplo do webinar, A Importância da Mistura, Dr. Ray Machado, PhD, rm2 Technologies LLC e Air Products and Chemicals, otimiza misturas para reações rápidas em um reator de síntese automatizado. Usando a reação S₂O₃^-2 e I₂ na presença de amido, ele demonstra o impacto da mistura na distribuição do reagente, mostrando onde reações químicas rápidas com reações de subprodutos concorrentes ocorrem. No vídeo, a pluma preta é o subproduto da reação de iodo com amido. No entanto, assim que o complexo amido e iodo reage com tiossulfato, a solução fica clara novamente. A mistura e a taxa e local de alimentação, todos esses fatores impactam na taxa de reação primária. Quanto mais próximo o tubo de alimentação estiver do agitador, ou quanto mais alto a velocidade do agitador, menor será a formação do subproduto. Pelo contrário, conforme a velocidade do agitador aumenta, a quantidade de subproduto é reduzida rapidamente.

O principal e mais essencial processo de taxa que deve ser caracterizado ao conduzir qualquer reação entre gás e líquido é a transferência de massa na fase de reação de gás para líquido. A estratégia de aumento de escala é destinada para corresponder aos coeficientes de transferência de massa, kla, de pequenos a grandes volumes de escala, em vez de tentar corresponder à geometria, às taxas de agito ou a outras características de mistura. Este artigo, Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline,resume as etapas para calcular o coeficiente de transferência de massa e os avisos de produtos sobre informações falaciosas em estudos de agitação em hidrogenação de catálises. 

No webinar, The Importance of Mixing: Comparing Lab and Large Scale, Ray Machado discute o efeito de misturar em cinética, transferência de calor, termodinâmica, transferência de massa entre fases e a otimização da mistura de sólidos ou gases. Misturas podem afetar o rendimento, seletividade e formação de subprodutos. Ele fornece conselhos sobre como medir e calcular parâmetros fundamentais para o aumento de escala.

As Estações de Trabalho de Aumento de Escala e Desenvolvimento de Processos oferecem aos cientistas a capacidade de estudar e otimizar misturas e transferências de massa em tempo real. O controle de misturas pode ser automatizado e pré-programado. Dessa forma, experimentos podem ser realizados com segurança enquanto são registrados os parâmetros de reação, 24 horas por dia. Devido à medição e ao controle seguro e altamente preciso, o número de experimentos necessário é reduzido substancialmente, tornando o aumento de escala eficaz.

• Transferência de Calor e Aumento de Escala
• O Efeito de Mistura na Cristalização
• Cinética da Reação Química

David Ford, da Nalas Engineering, investigou uma reação de nitração oxidativa com uma etapa de oxidação rápida e altamente exotérmica, usando a tecnologia de calorimetria de reação e análise de processo. A reação foi inicialmente desenvolvida como um processo de lote, mas para abordar a mistura, o rendimento e a transferência de calor, um processo contínuo usando reatores de fluxo em série com dois reatores de tanque agitados de fluxo contínuo (CSTRs) foi desenvolvida.