BR112019016546B1

BR112019016546B1 - Aparelho e método para melhorar o contato de fase e reações químicas

Info

Publication number: BR112019016546B1
Application number: BR112019016546-0A
Authority: BR
Inventors: Giuliano Cavaglia´
Original assignee: BOB SERVICE Srl
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2022-11-22
Also published as: WO2018146647A1; AU2018218670A1; US20200139316A1; CN110290863A; CA3051805A1; CN110290863B; EA201991566A1; AU2018218670B2; JP7138663B2; EA037138B1; EP3579962A1; JP2020507470A; BR112019016546A2; US10870092B2; IT201700015144A1

Abstract

É descrito um aparelho (11) para melhorar o contato de fase e reações químicas, compreendendo pelo menos um primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13) e pelo menos um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação (15), com os referidos estágios (13, 15) estando adaptados para causarem um aumento nas velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas em um fluxo de múltiplas fases que passa através dos ditos estágios (13, 15).

Description

DESCRIÇÃO CAMPO TÉCNICO

[001] A invenção se refere a um aparelho e a um método para melhorar o contato de fase e reações químicas. Mais precisamente, a invenção se refere a um aparelho e a um método para melhorar o contato de fase e, portanto, o transporte de matéria e calor, e também para melhorar a cinética das reações químicas. Diferentes tipos de fases podem ser afetadas pelo aparelho e pelo método de acordo com a invenção, em particular as fases sólido-líquido, gás-líquido, gás-líquido-sólido, e líquido-líquido.

ESTADO DA TÉCNICA ANTERIOR

[002] Em operações envolvendo contato de fase, os processos de transferência de propriedades, como por exemplo matéria e calor, são governados principalmente por equações do tipo:

[003] Onde: Fp = fluxo de propriedades (por exemplo, matéria, calor); A = área de interfase; K = coeficiente de troca de propriedade; ΔC = força de empuxo;

[004] A relação acima mostra claramente que, para melhorar a transferência de propriedade, para uma determinada força de empuxo ΔC, A, ou seja, a área da interfase, e K, isto é, o coeficiente de troca de propriedade, precisa ser maximizada. Os fenômenos conhecidos que permitem aumentar a área de interfase e o coeficiente de troca de propriedade são principalmente a turbulência, a tensão de cisalhamento, e a cavitação. Tais fenômenos realmente causam um aumento considerável das velocidades de deslizamento relativas das diferentes fases envolvidas.

[005] Atualmente, o aparelho mais eficiente para melhorar o contato de fase gás-líquido é o contator ejetor gás-líquido. Ao utilizar tal aparelho para colocar um fluxo gasoso de O3 (ozônio) em contato com água, são obtidos coeficientes de transferência volumétrica de matéria (kLa) na faixa de 0,025 a 0,062 s’1.

[006] Sabe-se também que, em sistemas de múltiplas fases, as reações químicas ocorrem mais efetivamente quanto mais eficaz for a mistura das fases reagentes, e quanto maior for a área de interfase. Além disso, deve-se levar em consideração que a taxa de reação das reações químicas é governada principalmente pela equação de Arrhenius:

[007] Onde: K = taxa de reação; ko = fator pré-exponencial (determinado experimentalmente); Ea = energia de ativação (determinada experimentalmente); R = constante universal dos gases; T = temperatura absoluta;

[008] Por sua vez, a equação de Arrhenius é baseada na equação de Maxwell-Boltzmann, que descreve a distribuição F(E) de energias moleculares E em sistemas de equilíbrio:

[009] Onde kéa constante de Boltzmann.

[010] A equação de Boltzmann mostra claramente que, a uma determinada temperatura, independentemente de quão baixa ela for, existem moléculas cuja energia molecular excede a energia de ativação, ou seja, E > Ea, pelo que, em caso de colisão, ocorre reação química. Como a equação de Arrhenius é obtida pela integração da equação de Maxwell- Boltzmann, a taxa de reação K depende exponencialmente da energia de ativação Ea e da temperatura T.

[011] Portanto, a partir do que foi exposto acima, decorrem as seguintes considerações: - A equação de Maxwell-Boltzmann implica que, para cada reação, existe um número de moléculas que reagem mesmo a baixas temperaturas, mesmo que esse número seja insignificante; e - A natureza exponencial da equação de Arrhenius implica que a taxa de reação é duplicada (triplicada, quadruplicada...) a cada aumento de 10 °C.

[012] A partir de tais considerações, resulta o fato de que, na prática convencional, o método de obtenção de taxas de reação química aceitáveis consiste em aumentar T até que um nível correspondente à energia de ativação Ea da reação química desejada seja excedido. Por essa razão, a maioria dos aparelhos nos quais as reações químicas são atualmente conduzidas baseiam-se no aumento de temperatura e na colisão aleatória entre moléculas, que por sua vez estão em um estado de agitação determinado por deslocamentos aleatórios no espaço.

[013] Exemplos de aparelhos capazes de melhorar o contato de fase e as reações químicas são descritos nos documentos WO 2005 039745 Al, WO 2013 191713 Al, WO 2016 001476 Al, US 2011 0151524 Al e US 2014 0363855 Al.

[014] No entanto, os resultados alcançáveis com os sistemas convencionais são insatisfatórios para muitas aplicações e, portanto, é fortemente sentida uma necessidade por aparelhos e métodos que alcancem melhores resultados e maior desempenho.

[015] Assim, é um primeiro objetivo da presente invenção prover um aparelho e um método para melhorar o contato de fase e aumentar as reações químicas, que superem as desvantagens e os limites do estado da técnica anterior e permitam alcançar um desempenho superior.

[016] É um outro objetivo do invento prover um aparelho e um método do tipo acima, que sejam adequados para uma multiplicidade de aplicações e permitam satisfazer a crescente demanda em muitos campos e aplicações industriais.

[017] É um outro objetivo da invenção, mas não o último, prover um aparelho e um método para melhorar o contato de fase e aumentar as reações químicas, que possam ser fabricados e implementados industrialmente a custos limitados.

[018] Os objetivos acima, e outros, são alcançados pelo aparelho e pelo método conforme reivindicados nas reivindicações anexas, que são parte integrante dos ensinamentos técnicos providos na presente descrição com relação à invenção.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[019] O aparelho para melhorar o contato de fase e as reações químicas, de acordo com a invenção, compreende principalmente pelo menos um primeiro estágio de mistura de alta turbulência, e pelo menos um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação. Os referidos estágios estão vantajosamente adaptados para causarem um aumento nas velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas, em um fluxo multifásico passando através dos ditos estágios. De acordo com a invenção, o fluxo multifásico pode ser formado no modo equicorrente (no mesmo sentido da corrente) ou no modo contracorrente.

[020] Vantajosamente, de acordo com a invenção, cada estágio de mistura de alta turbulência e cada estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação inclui um rotor e um estator correspondente em torno do rotor. De preferência, os rotores dos estágios de mistura incluem um eixo rotativo localizado no centro da câmara definida pelo estator correspondente, e pelo menos um membro radial, como por exemplo um pino ou cavilha radial, disposto de modo a causar o movimento turbulento da substância presente na câmara definida pelo estator e pelo rotor circundante. De preferência, além disso, os estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação possuem rotores providos com superfícies periféricas dentadas, com os estatores correspondentes sendo também providos com superfícies periféricas dentadas voltadas para os dentes dos respectivos rotores.

[021] De preferência, de acordo com a invenção, cada rotor dos estágios de mistura de alta turbulência e dos estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação está associado com um mesmo eixo de rotor, que passa centralmente através de todos os estágios do aparelho.

[022] Em uma forma de incorporação preferida da invenção, o primeiro estágio e o último estágio da pluralidade de estágios pertencentes ao aparelho são providos com pelo menos uma porta correspondente para a entrada e a saída, respectivamente, da substância sendo tratada.

[023] De acordo com uma forma de incorporação particular da invenção, na qual o aparelho opera no modo contracorrente, o aparelho compreende um primeiro estágio de mistura de alta turbulência, provido com uma primeira porta para a entrada de uma primeira substância que está em um primeiro estado físico, e uma segunda porta para a saída de uma segunda substância que está em um segundo estado físico, e um segundo estágio de mistura de alta turbulência, provido com uma primeira porta para a entrada de uma substância que está no referido segundo estado físico, e uma segunda porta para a saída de uma substância que está no mencionado primeiro estado físico.

[024] De acordo com uma outra forma de incorporação particular da invenção, na qual o aparelho opera no modo equicorrente, o aparelho compreende um primeiro estágio de mistura de alta turbulência, provido com uma primeira porta para a entrada de uma primeira substância que está em um primeiro estado físico, e uma segunda porta para a entrada de uma segunda substância que está em um segundo estado físico, e um segundo estágio de mistura de alta turbulência, provido com uma primeira porta para a saída de uma substância que está no citado segundo estado físico, e uma segunda porta para a saída de uma substância que está no dito primeiro estado físico.

[025] Ainda de acordo com a invenção, os referidos primeiro e segundo estados físicos são preferivelmente diferentes um do outro, e podem incluir o estado líquido, o estado sólido e o estado gasoso.

[026] De preferência, os dois referidos estágios de mistura de alta turbulência providos com as mencionadas portas estão localizados em extremidades opostas da sucessão de estágios alternados de mistura de alta turbulência e de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação.

[027] De preferência, além disso, os dois referidos estágios de mistura de alta turbulência providos com as mencionadas portas são o primeiro estágio e o último estágio atravessados pelas substâncias tratadas pelo aparelho. Preferencialmente, por conseguinte, quando o aparelho opera no modo contracorrente, os dois referidos estágios de mistura de alta turbulência providos com as citadas portas são o primeiro estágio e o último estágio atravessados por uma primeira das ditas substâncias, e são o último estágio e o primeiro estágio atravessados por uma segunda das referidas substâncias tratadas pelo aparelho, respectivamente, enquanto que, quando o aparelho opera no modo equicorrente, os dois referidos estágios de mistura de alta turbulência providos com as mencionadas portas são o primeiro estágio e o último estágio atravessados por ambas as substâncias tratadas pelo aparelho.

[028] O método para melhorar o contato de fase e as reações químicas de acordo com a invenção explora, de preferência, o aparelho acima, e compreende submeter um fluxo multifásico no modo equicorrente ou no modo contracorrente pelo menos a um primeiro estágio de mistura de alta turbulência, e pelo menos a um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação, causando assim um aumento nas velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas no dito fluxo multifásico que passa através dos estágios.

[029] Uma primeira vantagem da presente invenção surge a partir da ação combinada dos três fenômenos que governam os processos de transferência de propriedade em um fluxo multifásico. De fato, o aparelho de acordo com a invenção provê a sujeição do fluxo multifásico a pelo menos um primeiro estágio de mistura de alta turbulência e a pelo menos um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação controlada.

[030] Sempre graças à ação em série dos estágios do aparelho no fluxo multifásico, o aparelho com múltiplos estágios de acordo com a invenção é particularmente eficaz na criação de área de interfase e na melhora da mistura de fase.

[031] A título de exemplo, colocando-se um fluxo gasoso de O3 (ozônio) em contato com água, são obtidos coeficientes de transferência volumétrica de matéria (kLa) variando de cerca de 0,45 até 0,95 s’1, e consequentemente 99% da massa do ozônio sendo alimentado é transferida para a fase líquida.

[032] De acordo com uma forma de incorporação particular da invenção, no caso do contato de fase em contracorrente ser benéfico, tal como ocorre por exemplo em operações de remoção unitária, extração, lixiviação, etc., as fases podem ser alimentadas no modo contracorrente, permitindo formar, dessa maneira, um número de estágios de equilíbrio muito mais alto do que 0 número de estágios reais.

[033] Por exemplo, no caso de um aparelho feito de acordo com a invenção e compreendendo dois estágios de mistura turbulenta alternados com dois estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação controlada, quando uma matriz vegetal sólida é alimentada em uma direção e uma fase de extração líquida é alimentada no modo contracorrente, é atingido um desempenho de extração que é equivalente ao desempenho obtido com uma série de mais de 15 estágios de equilíbrio teóricos.

[034] De acordo com a invenção, a fase de extração líquida também pode ser alimentada através de bicos laterais que passam através das paredes do estator nos estágios de mistura de alta turbulência, se a operação do aparelho de acordo com a invenção, em regime de fluxo cruzado, for benéfica.

[035] Ainda de acordo com a invenção, uma fase gasosa também pode ser alimentada através de bicos secundários que vão até as câmaras de mistura dos estágios de mistura de alta turbulência, se essa fase gasosa for benéfica para atingir os melhores resultados, como ocorre por exemplo em caso de "extração assistida por gás", "mistura sólido-líquido assistida por gás", "operação assistida por gás", "cavitação assistida por gás", etc..

[036] Sempre de acordo com o invento, uma fase gasosa ou líquida, destinada a atuar como um reagente alimentado sob demanda na corrente contínua que passa axialmente através do aparelho, também pode ser alimentada através dos bicos laterais, em caso do aparelho ser aplicado como um reator gás-líquido, ou como um reator gás-líquido-sólido.

[037] Sempre de acordo com a invenção, uma fase gasosa ou líquida, para propósitos de condicionamento térmico, também pode ser alimentada através dos bicos laterais, se isto for vantajoso para a operação unitária sendo conduzida.

[038] O aparelho de acordo com o invento proporciona vantajosamente a possibilidade de realizar reações químicas em um volume de reação caracterizado por: - Aglomerados de bolhas, com tamanhos de bolhas que podem variar de 0,05 a 5 microns, em evolução contínua (vida média da bolha variando de 0,1 a 2,5 microssegundos), onde a temperatura da bolha, no momento da implosão, aumenta para 1.000 a 2.000 OK (726,85 a 1.726,85 °C), sem aumentar a temperatura média do fluido dentro do volume de reação, com a pressão da bolha aumentando para 1.000 a 2.000 bar (1.019,72 a 2.039,43 kgf/cm2), sem aumentar a pressão média dentro do volume de reação; - Regiões tendo um fluxo unidirecional de velocidade muito alta (seção estreita resultante da sobreposição dos dentes parabólicos do estator sobre os dentes parabólicos do rotor), determinando velocidades de colisão para o fluido contido nas cavidades de cavitação controlada do rotor e do estator, contíguas às seções estreitas, da ordem de 100 a 750 m/s.

[039] A invenção provê que os dentes do estator e do rotor tenham um perfil parabólico, com a equação parabólica estando tão próxima quanto possível da curvatura assumida pelas linhas de fluxo, enquanto se aproximam do estreitamento da seção.

[040] Vantajosamente, os dentes com perfil parabólico se aproximam tanto quanto possível do perfil curvo assumido pelas linhas de fluxo do fluido próximas do estreitamento da seção, de modo a minimizarem as dissipações de energia (isto é, quedas de pressão) associadas à "região de separação" e à "vena contracta".

[041] As dissipações associadas à formação da "região de separação" e com a "vena contracta" são dissipações que dificilmente são benéficas para o alvo da geração de superfícies e para o aumento das velocidades de deslizamento relativo, e, consequentemente, dos coeficientes de transporte de calor e de matéria. Pelo contrário, elas são dissipações tendo um impacto negativo, tanto quanto o (indesejado) aumento de temperatura do fluido sendo tratado, afetando, portanto, o consumo de energia total da operação.

[042] O perfil parabólico deve ter sua tangente horizontal no ponto de abertura mínima na sobreposição dos dentes do estator sobre os dentes do rotor, de modo a que o fluxo de fluido entre na próxima câmara de decantação em velocidade muito alta e em uma única direção, ortogonal ao plano radial da mesma câmara de decantação. Desta maneira, a força do jato é impedida de se propagar em uma direção espalhada, aproveitando a unidirecionalidade, que aumenta a probabilidade de ocorrência de eventos que dependem de colisões de moléculas, tais como reações químicas e transporte de propriedades (isto é, matéria e calor).

[043] Na prática, em cada câmara de decantação, após um acoplamento dos dentes do estator com os dentes do rotor, o fenômeno de cavitação ocorre por causa da queda de pressão devido ao alargamento abrupto. A cavitação gera continuamente aglomerados de bolhas que sobrevivem por alguns microssegundos e depois implodem, gerando altas temperaturas / altas pressões (dentro das bolhas individuais) e jatos de velocidade muito alta. Os jatos de cavitação continuamente gerados colidem continuamente com os jatos incidentes que surgem das regiões de alto cisalhamento, onde os dentes do estator e do rotor, com perfil parabólico, se sobrepõem. A cavitação, a tensão de cisalhamento e a colisão dos jatos de cavitação e dos jatos devido ao acoplamento dos dentes causam a melhora do contato de fase e das reações químicas.

[044] Vantajosamente, desta maneira, o aparelho de acordo com a invenção permite obter reações químicas mesmo a baixas temperaturas, sendo que não ocorre nenhuma reação quando se utilizam os sistemas convencionais. Além disso, sempre graças ao aparelho de acordo com a invenção, é possível aumentar a taxa de reação de uma até duas ordens de magnitude, operando em temperaturas em que, com os sistemas convencionais, a ocorrência de reações químicas apenas começa a ser detectada.

[045] Os principais fatores que permitem alcançar esse resultado são o aumento de temperatura e de pressão dentro das bolhas individuais nos aglomerados, gerado pela cavitação nas regiões cavitadas dentro dos estágios de alta tensão de cisalhamento e de cavitação controlada, e a alta velocidade de colisão de moléculas devido à colisão do fluido fortemente acelerado nas seções estreitas entre os dentes do estator e do rotor nos estágios de alta tensão de cisalhamento e de cavitação controlada, com os microjatos de velocidade muito alta resultando da implosão das bolhas de cavitação. Além disso, a unidirecionalidade das regiões de fluxo de alta velocidade é um fator adicional que causa a obtenção dos resultados acima mencionados.

[046] O aumento da taxa de reação depende do fato de que as moléculas que sofrem as colisões em velocidade muito alta (tipicamente na faixa de cerca de 100 a 750 m/s), resultantes da ação combinada dos microjatos resultantes da implosão das bolhas de cavitação e da aceleração do fluxo unidirecional nas seções estreitas de alta tensão de cisalhamento entre os dentes do estator e do rotor, têm uma energia molecular total, obtida pela adição da componente cinética E(v) e da componente térmica E(T), superior à energia de ativação Ea.

[047] Ou seja, a seguinte relação é aplicada:

[048] Supondo-se duas moléculas colidentes tendo massas Mi e M2, respectivamente, determina-se que:

[049] Assumindo então que Mi = M2 = M (que ocorre por exemplo em reações de quebra e de dissociação), então:

[050] E por conseguinte:

[051] Operando-se em baixas temperaturas, E(T) torna-se desprezível, e portanto:

[052] Considerando-se por exemplo a reação de dissociação de amónia:

[053] Que é uma reação endotérmica que exige 46,4 kJ/mol e é caracterizada por uma energia de ativação Ea = 190 kJ/mol, podendo ser observado que, para que a reação ocorra, é suficiente fazer com que as moléculas de NH3 (M = 17.031 kg/mol) colidam a uma velocidade:

[054] A ação combinada da alta tensão de cisalhamento e da cavitação, com picos resultantes de T e P dentro das bolhas durante a fase de implosão, ainda faz com que o aparelho de acordo com a invenção tenha um desempenho muito alto em operações de desinfeção microbiana em fases líquidas, e em operações de recuperação de enzimas e proteínas no final de processos biológicos.

[055] O número de cavitação pode ser expresso como:

[056] Onde: o = número de cavitação pr = pressão de referência (Pa) pv = pressão de vapor do fluido (Pa) p = densidade do fluido (kg/m3) v = velocidade do fluido (m/s)

[057] A cavitação ocorre quando o número de cavitação o é menor que ou igual a 1.

[058] De acordo com a invenção, operando-se com números de cavitação na faixa de aproximadamente 0,2 a 0,3, podem ser obtidas recuperações de enzimas e proteínas superiores a 90%.

[059] Em resumo, a aplicação de um aparelho de acordo com a invenção a um sistema de múltiplas fases permite obter as seguintes vantagens principais: (a) Transferência de massa ou transferência de calor tendo uma cinética que excede em duas ordens de magnitude a cinética dos sistemas convencionais, graças às áreas de interfase maiores e aos coeficientes de troca mais altos; (b) A reação química tendo cinética superior, de uma a duas ordens de magnitude em relação aos sistemas convencionais, e a temperaturas significativamente menores em relação aos sistemas convencionais, graças às áreas de interfase maiores e ao fato de que, de acordo com a invenção, a energia cinética provê uma contribuição significativa para a obtenção da energia de ativação da reação, subtrai o papel de protagonista absoluto da componente térmica.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[060] Algumas formas de incorporação preferidas da invenção serão providas a título de exemplos não limitativos, com referência às figuras anexas, em que: - A fig. 1 é uma vista em perspectiva, em corte parcial, de uma forma de incorporação preferida de um aparelho de acordo com a invenção; - A fig. 2A é uma vista em corte dos estágios do aparelho mostrado na fig. 1; - A fig. 2B é uma vista em corte dos estágios do aparelho mostrado na fig. 1, com os bicos estando em evidência; - A fig. 3A é uma vista esquemática dos dentes do rotor e do estator de um estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação do aparelho mostrado na fig. 1; - A fig. 3B é uma vista plana esquemática de um rotor; - A fig. 3C é uma vista ampliada dos dentes mostrados na fig. 3B; - A fig. 4A é uma vista em perspectiva traseira, em corte parcial, de um aparelho de acordo com a invenção, com três estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação; - A fig. 4B é uma vista plana frontal, em corte parcial, do aparelho mostrado na fig 4A; - A fig. 4C é uma vista em perspectiva frontal, em corte parcial, do aparelho mostrado na fig. 4A; - A fig. 5 mostra um gráfico de comparação Explosão de vapor versus invenção.

[061] Em todas as figuras, os mesmos números de referência foram usados para denotar componentes iguais ou funcionalmente equivalentes.

DESCRIÇÃO DE ALGUMAS FORMAS DE INCORPORAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[062] Fazendo referência às figs. 1 a 3, o aparelho de acordo com a invenção está indicado em geral pelo número de referência 11. O aparelho 11 ilustrado é feito de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção, e compreende principalmente uma pluralidade de estágios dispostos em série para melhorar o contato de fase e as reações químicas. Mais particularmente, o aparelho 11 compreende estágios de mistura de alta turbulência 13 alternados com estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação 15. Como se tornará mais evidente a partir da seguinte descrição, os estágios 13, 15 do aparelho 11 estão adaptados para submeterem um fluxo multifásico, que passa através dos referidos estágios 13, 15, a um aumento das velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas.

[063] Na forma de incorporação ilustrada, ao todo três estágios de mistura de alta turbulência 13 são providos, e dois estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação são providos, ao todo. Outras formas de incorporação são possíveis, compreendendo pelo menos um estágio de mistura de alta turbulência 13 e pelo menos um estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação 15.

[064] Sempre com referência à forma de incorporação preferida ilustrada, os estágios 13 compreendem um rotor 17 que pode girar dentro de uma câmara de mistura 19 envolvida por um estator 21. Além disso, de acordo com a invenção, o rotor 17 compreende pelo menos um pino radial 23 integrado com o referido rotor 17 que gira dentro da câmara de mistura 19. Os referidos pinos 23 estendem-se radialmente a partir do eixo de rotação do eixo 39 do rotor 17, de preferência ao longo de um comprimento tal que o diâmetro da circunferência externa descrito pelo pino 23 fique na faixa de 0,3 x D até 0,9 x D, onde D é o diâmetro da câmara de mistura 19. Na forma de incorporação ilustrada, são providos quatro pinos 23 em cada estágio de mistura 13, mas podem ser consideradas formas de incorporação tendo qualquer número de pinos. Além disso, os pinos 23 associados a um mesmo estágio de mistura 13 podem ficar dispostos no mesmo plano perpendicular ao eixo de rotação do rotor 17 ou em planos paralelos, como na forma de incorporação ilustrada. Além do mais, na forma de incorporação ilustrada, os estágios de mistura 13 são substancialmente idênticos e têm o mesmo número de pinos 23. Contudo, de acordo com a invenção, podem ser consideradas formas de incorporação tendo estágios de mistura 13 diferentes entre si, onde, inclusive, o número de pinos 23 é diferente em diferentes estágios. Na forma de incorporação ilustrada, cada pino 23 possui seção transversal circular substancialmente constante ao longo do eixo longitudinal do pino, porém pinos tendo um formato de seção transversal diferente do formato circular, como por exemplo oval, ou outro formato, ou pinos tendo seção transversal variável ao longo do eixo longitudinal, podem possivelmente ser providos. De preferência, de acordo com a invenção, o estágio de mistura 13 está adaptado para submeter o fluxo multifásico a um regime de alta turbulência com número de Reynolds (Re) > 500.000.

[065] Os estágios 15 compreendem um rotor 25 provido com dentes radiais 27, alojado em uma câmara de cavitação 29 envolvida por um estator 31 provido com dentes radiais 33. De preferência, o número de dentes radiais 27 no rotor 25 e o número de dentes radiais 33 no estator 31 são iguais. Além disso, de acordo com a invenção, as superfícies voltadas uma para a outra 35, 37 dos dentes 27, 33 do rotor 25 e do estator 31, respectivamente, apresentam um perfil parabólico na direção circunferencial.

[066] Como pode ser melhor observado nas figs. 3B e 3C, os dentes 27 do rotor possuem um perfil parabólico 27a na direção circunferencial. De acordo com a invenção, o perfil 27a do dente 27 fica disposto ao longo da curva de uma parábola Pr cujo vértice Vr está localizado na borda traseira 27b do dente 27, em relação à direção de rotação do rotor 25 (seta Fl), e ao longo do raio Rr que conecta a referida borda 27b ao centro Cr do rotor 25. O foco da parábola Pr também está disposto no mencionado raio Rr.

[067] Correspondentemente, como pode ser observado em particular nas figs. 3B e 3C, os dentes 33 do estator possuem um perfil parabólico 33a que é preferencialmente idêntico ao, e é a imagem espelhada do, perfil dos dentes 27. Mais precisamente, de acordo com a invenção, o perfil 33a do dente 33 fica disposto ao longo da curva de uma parábola Ps cujo vértice Vs está localizado na borda traseira 33b do dente 33 do estator, em relação à direção de rotação do rotor 25, ao longo do raio Rs que conecta a referida borda 33b ao centro Cs do estator, coincidindo com o centro Cr do rotor 25. O foco da parábola Ps também está disposto no mencionado raio Rs.

[068] Em uma forma de incorporação preferida da invenção, a equação da parábola do perfil dos dentes do rotor e /oudo estator é Y=0,0062974 X2.

[069] A abertura 51 entre os dentes 27 do rotor e os dentes 33 do estator é minima nas bordas 27b, 33b dos dentes 27, 33, quando as referidas bordas estão substancialmente alinhadas ao longo do respectivos raios Rr, Rs do rotor e do estator.

[070] De acordo com a invenção, o rotor 17 e o rotor 25 estão integrados com um eixo de rotação comum 39. De preferência, o eixo 39 é girado por meio de um motor elétrico 41 firmemente associado com uma estrutura de suporte 43.

[071] Na forma de incorporação ilustrada, os estágios de mistura 13 possuem uma porta de entrada 45a e uma porta de saída 45b, ambas abrindo-se em uma câmara de mistura 19 correspondente. As portas 45a e 45b estão associadas com dutos 47a, 47b que transportam a substância ou mistura de substâncias para dentro ou para fora da câmara 19.

[072] Além disso, os estágios de mistura 13 podem ser providos com bicos de injeção 49a, 49b adaptados para injetarem uma substância ou uma mistura de substâncias na câmara de mistura 19. Pelo menos um bico de injeção 49a, 49b pode ser provido em cada estágio de mistura 13, e adicionalmente um ou mais estágios de mistura 13 podem não possuir tais bicos. No exemplo ilustrado, é assumido que dois estágios consecutivos 13 são providos com um bico 49a, 49b correspondente.

[073] Uma forma de incorporação exemplificative e não limitativa do aparelho 11 de acordo com o invento apresenta: - Um diâmetro dos rotores dentados 25 na faixa de 50 a 500 mm, de preferência na faixa de aproximadamente 100 até 300 milímetros; - Uma abertura mínima entre os dentes 27 do rotor e os dentes 33 do estator na faixa de cerca de 0,2 a 5,0 mm, de preferência na faixa de aproximadamente 0,5 até 2,5 mm; - Um comprimento axial dos rotores dentados 25 na faixa de cerca de 0,05 a 2,5 vezes o diâmetro do rotor 25, de preferência na faixa de aproximadamente 0,1 até 1,0 vezes o diâmetro do rotor 25; - Um diâmetro interno das câmaras de mistura 19 e das câmaras de cavitação 29 na faixa de cerca de 50 a 500 mm, de preferência na faixa de aproximadamente 100 até 300 mm; - Um comprimento axial dos estágios de mistura de alta turbulência 13 na faixa de cerca de 0,1 a 2,5 vezes o diâmetro interno da câmara de mistura 19 correspondente, de preferência na faixa de cerca de 0,25 a 1,5 vezes o interno diâmetro da câmara 19; - Uma velocidade de rotação na faixa de 500 a 5.000 rpm, de preferência na faixa de 1.000 até 3.000 rpm.

[074] Fazendo referência às figs. 4A, 4B e 4C, é mostrado um aparelho 111 de acordo com uma forma de incorporação preferida da invenção, compreendendo quatro estágios de mistura 13 alternados com três estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação 15. A forma de incorporação ilustrada do aparelho 111 está configurada para operação em contracorrente. A seta F2 na fig. 4C indica a direção do fluxo predominante da fase líquida nos estágios 13, 15, e a seta F3 indica a direção do fluxo predominante da fase sólida.

[075] O aparelho 111 está equipado com uma tremonha de entrada 161 para a matriz sólida fresca. A configuração ilustrada inclui, a jusante da tremonha 161, um dispositivo de compressão motorizado 163, adaptado para transferir o material da matriz sólida introduzida na tremonha 161 para o primeiro estágio de mistura 13, próximo do motor 41. O dispositivo de compressão 163 pode compreender, por exemplo, um parafuso cônico ou um eixo helicoidal (rosca sem fim) cônico, acionado por um motor elétrico 163a. O dispositivo de compressão 163 comunica-se com o primeiro estágio de mistura 13 proximal, ou mais próximo, através de uma porta 165 provida no estator 21. Além disso, uma segunda porta 167 é provida no primeiro estágio de mistura 13 mais próximo, para a saída da fase líquida desse estágio de mistura 13 mais próximo. A referida segunda a porta 167 está equipada preferivelmente com uma grade 167a para evitar que a fase sólida seja evacuada do estágio de mistura 13 mais próximo, juntamente com a fase líquida, através da porta 167. A porta 167 comunica-se com um duto 169 para evacuação da fase líquida, que se comunica, por exemplo, com um tanque coletor localizado a jusante do referido duto 169.

[076] Na forma de incorporação preferida mas não exclusiva ilustrada, a porta de entrada 165 para a fase sólida e a porta de saída 167 para a fase líquida estão localizadas diametralmente opostas e nas partes superior e inferior do aparelho 111, respectivamente, quando este último está na configuração de trabalho.

[077] Sempre com referência à forma de incorporação ilustrada, o estágio de mistura 13 mais próximo inclui ainda uma lâmina rotativa 171, fixamente conectada ao rotor 17 por meio de um par de braços paralelos 171a, 171b que se estendem radialmente a partir do rotor 17. O propósito da lâmina 171 é evitar que a grade 167a, que separa o estágio 13 do duto de evacuação 169, seja entupida devido à acumulação de material sólido, o que impediria a evacuação da fase líquida através do duto 169. A lâmina 171 mantém a dita grade 167a livre, principalmente graças ao movimento de vórtice circunferencial imposto à substância líquido-sólido mista presente no estágio proximal 13.

[078] De acordo com a invenção, na forma de incorporação ilustrada, na qual o aparelho 111 está configurado para operação em contracorrente, a quantidade de substância na fase líquida evacuada a partir do estágio de mistura 13 mais próximo é predominante, em relação à quantidade de substância na fase sólida evacuada através da grade que separa o duto de evacuação do mesmo estágio de mistura proximal 13.

[079] Na configuração ilustrada, o estágio de mistura 13 distai, ou mais distante, em relação ao motor elétrico 41, é provido com uma primeira porta 173 para entrada da fase líquida, e com uma segunda porta 175 para evacuação da fase sólida. Na forma de incorporação ilustrada, as portas 173 e 175 estão localizadas diametralmente opostas e nas partes superior e inferior do aparelho 111, respectivamente, quando este último está na configuração de trabalho.

[080] Um duto 177 para alimentar a fase líquida, como por exemplo água, é provido a montante da porta 173. Por exemplo, o duto 177 pode estar conectado, a montante da porta 173, a um circuito que distribui a substância líquida proveniente de um tanque adequado. Sempre com referência à forma de incorporação preferida mas não exclusiva ilustrada, uma prensa de parafuso 179, adaptada para separar as fases sólida e líquida contidas na substância evacuada do estágio de mistura 13 distai, a jusante da porta 175. A prensa de parafuso 179 possui uma primeira porta 179a para a evacuação da fase sólida exaurida ou matriz sólida, e uma segunda porta 179b para a saída da fase líquida. De acordo com a invenção, na forma de incorporação ilustrada, na qual o aparelho 111 está configurado para operação em contracorrente, a quantidade de substância na fase sólida evacuada do estágio de mistura 13 mais distante é predominante, em relação à quantidade de substância na fase líquida evacuada do mesmo estágio de mistura 13 distai.

[081] De preferência, o aparelho 111 está equipado com uma bomba de recirculação 181 para recuperar a fase líquida residual evacuada da prensa de parafuso 179 através da porta 179b. A referida bomba 181 está conectada, no seu lado a montante, à prensa de parafuso 179, através de um primeiro duto 183a, para transportar a fase líquida proveniente da prensa de parafuso 179 para a bomba 181; e está conectada, no seu lado a jusante, por meio de um tubo em "T" 177a, a um duto de alimentação 177, através de um segundo duto 183b, para transportar a fase líquida em direção ao estágio de mistura 13 distai.

[082] A seguir serão dados alguns exemplos de aplicação do aparelho 11 feito de acordo com a invenção.

EXEMPLO 1

[083] O aparelho de acordo com a invenção foi utilizado para pré-tratamento de palha de cana de açúcar, em um método de obtenção de açúcares a baixo custo a partir de biomassa residual.

[084] Na última década, tem havido um considerável interesse em processos para converter biomassas lignocelulósicas em biocombustíveis e intermediários de refinaria, com o objetivo de identificar uma possível alternativa prática para substituir combustíveis fósseis. O conceito de biocombustíveis de segunda geração e biorrefinaria de segunda geração provê começar a partir de uma matéria prima que pertença ao campo das biomassas residuais, para obter uma cadeia de açúcares (Cs e Ce, isto é, com 5 ou 6 átomos de carbono). No entanto, a complexidade estrutural das paredes das células das plantas torna essa mesma biomassa altamente refratária a ataques químicos ou biológicos. Existem diferentes processos de pré-tratamento (com diferentes abordagens químicas, em diferentes níveis de temperatura e pressão) para reduzir a refratariedade das plantas a ataques químicos ou biológicos. Entre tais processos, os pré-tratamentos em solução ácida diluída são atualmente reconhecidos como os processos mais eficazes para tornar a biomassa acessível ao ataque enzimático com enzimas do tipo celulase. Neste contexto, para um determinado rigor das condições de operação, o tipo de reator ou aparelho no qual o pré-tratamento é realizado tem um efeito considerável nas propriedades do material pré-tratado e, consequentemente, no desempenho da hidrólise enzimática subsequente. Isto se deve às peculiaridades do reator ou do aparelho, em termos de capacidade de geração de área de interfase e de aumento de tamanho geral e de volume total dos poros, e portanto em termos de capacidade de devastação das paredes das células na biomassa.

[085] A "explosão de vapor" é um tratamento hidrotérmico conhecido que torna a separação das três frações que formam os substratos vegetais comuns (hemicelulose, celulose e lignina) mais fácil e menos severa do ponto de vista ambiental. O método consiste em usar vapor saturado de alta pressão para aquecer rapidamente a biomassa em um reator contínuo ou descontínuo. O material é mantido à temperatura desejada (180 a 230 °C) por um curto período (1 a 10 minutos), durante o qual a hemicelulose é hidrolisada e tornada solúvel. No final desse período de tempo, a pressão é rapidamente trazida de volta à pressão atmosférica, obtendo-se assim uma descompressão explosiva e desfiamento da biomassa.

[086] Os resultados atingíveis com o aparelho de acordo com a invenção e com um aparelho para "explosão de vapor" foram comparados, no caso de um pré-tratamento em solução ácida diluída de palha de trigo tendo as seguintes características (% em peso):Tabela 1

[087] As seguintes condições operacionais foram adotadas para o aparelho do estado da técnica anterior: Proporção L/S=10; temperatura=150 °C; tempo=6 min; concentração de ácido = 2% em peso de H2SO4; onde L/S é a proporção entre a taxa de fluxo da fase líquida e a taxa de fluxo da fase sólida.

[088] As mesmas condições operacionais foram adotadas para 0 aparelho de acordo com a invenção, exceto que a temperatura era de 30 °C. O aparelho empregado tinha ainda as seguintes características: - N0 de câmaras de mistura turbulenta: 2; - N° de estágios de rotor - estator: 2 (com os elementos do rotor e do estator tendo dentes com perfil parabólico); - Diâmetro interno dos estatores: 195 mm; - Abertura rotor - estator: 1 mm (Io estágio) e 0,75 mm (2o estágio); - Velocidade de rotação: 2.100 rpm.

[089] Em seguida, os espécimes da biomassa pré-tratada foram submetidos a um método de digestão enzimática utilizando um complexo enzimático do tipo celulase (em uma concentração de 18 mg de enzima GC 220, produzida pela empresa Genencor/Danisco, para cada grama de glucano celulose, com pH = 5 em um recipiente agitado a 120 rps), e foi traçado um diagrama da conversão do substrato de celulose em função do tempo (Fig. 5). Tabela 2

EXEMPLO 2

[090] Neste segundo exemplo de aplicação, o aparelho de acordo com a invenção foi utilizado para tratamento de uma inativação bacteriana em leite cru altamente contaminado. O aparelho empregado tinha as seguintes características (a numeração das câmaras de mistura se refere à direção de avanço da fase a ser processada): - N0 de câmaras de mistura turbulenta: 2; - N° de estágios rotor - estator: 2 (com os elementos do rotor e do estator tendo dentes com perfil parabólico); - Diâmetro das câmaras de mistura: 206 mm (D); - Comprimento axial das câmaras de mistura: 70 mm (ou seja 0,29 x D); - Pinos da primeira câmara de mistura: 4 pinos dispostos em planos paralelos de modo a formarem uma espiral que é impulsionada para a frente quando o eixo gira; os pinos possuem tamanho radial de 59,75 mm, isto é, um tamanho de modo a que a circunferência descrita pelos pinos durante a rotação seja de 0,58 x D; - Pinos da segunda câmara de mistura: 6 pinos dispostos em planos paralelos, de modo a formarem uma espiral que é impulsionada para a frente quando o eixo gira; os pinos possuem tamanho radial de 59,75 mm, ou seja, um tamanho de modo a que a circunferência descrita pelos pinos durante a rotação seja de 0,58 x D ; - Diâmetro interno dos estatores: 195 mm; - Abertura rotor - estator (isto é, distância mínima rotor - estator): 1 mm (Io estágio) e 0,75 mm (2o estágio); - Comprimento axial dos rotores e estatores: 40 mm; - Velocidade de rotação: 1.500 rpm; - Impulsionamento motorizado: motor elétrico de três fases com potência instalada de 15 kW.

[091] A amostra de leite de vaca cru com alta contaminação bacteriana apresentou as seguintes características:Tabela 3

[092] E apresentava o seguinte conteúdo microbiológico:Tabela 4

[093] A etapa inicial ou de configuração do método, a montante do aparelho, incluiu um tanque para a fase líquida a ser processada (neste caso específico, leite contaminado tendo as características acima), uma bomba centrífuga para alimentar o leite até o aparelho, na linha de distribuição, na qual foi conectada uma válvula de ajuste de taxa de fluxo, e um medidor de taxa de fluxo ou medidor de flutuante (do tipo Asametro®). Uma linha de saída para o leite processado foi provida a jusante do aparelho, tal linha estando equipada com uma válvula de amostragem seguida por uma válvula de três vias para direcionar o leite processado tanto para o tanque de coleta de leite como para uma linha de recirculação (em caso de tratamentos que implicam em várias passagens através do aparelho). Um trocador de calor com placas (alimentado com água refrigerada no modo contracorrente, com o fluido de refrigeração tendo temperatura de entrada de 2 °C e temperatura de saída de 7 °C) foi colocado na linha de recirculação, estando adaptado para trazer de volta o leite, no final de cada passagem, para a temperatura de 10 °C definida para o ponto de alimentação no aparelho.

[094] Três tipos de tratamento foram realizados:(a) Passagem única através do aparelho (tempo de permanência no interior do aparelho: 15 s; temperatura inicial do tratamento: 10 °C; temperatura final do tratamento: 15 °C); (b) Cinco passagens através do aparelho, com inter-refrigeração entre passagens sucessivas (tempo de permanência no interior do aparelho: 15 s/passagem, 75 s no total; temperatura inicial do tratamento: 10 °C; temperatura final do tratamento: 15 °C); (c) Uma única passagem através do aparelho, com injeção de CO2 na primeira câmara de mistura (tempo de permanência no interior do aparelho: 15 s; temperatura de início do tratamento: 10 °C; temperatura final do tratamento: 15 °C; dosagem de CO2: 20 g/l).

[095] Em todos os tratamentos descritos, a taxa de fluxo da fase líquida (isto é, leite contaminado) alimentada ao aparelho foi de 15 l/min.

[096] O conteúdo bacteriano no final do tratamento foi medido (valores expressos em log cfu/ml):Tabela 5

[097] A eficácia do aparelho (com e sem 0 auxílio de injeção de CO2) em tratamentos de inativação bacteriana foi assim confirmada.

EXEMPLO 3

[098] Neste exemplo, 0 aparelho de acordo com a invenção foi empregado como extrator.

[099] O aparelho empregado tinha as seguintes características: - N° de câmaras de mistura turbulenta: 3; - N° de estágios rotor - estator: 2 (com os elementos do rotor e do estator tendo dentes com perfil parabólico); - Câmaras de mistura turbulenta alternadas com estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação; - Diâmetro interno dos estatores: 195 mm; - Abertura rotor-estator de 1 mm (Io estágio) e 0,75 mm (2o estágio); - Velocidade de rotação: 2.000 rpm.

[0100] Foi realizada uma extração de carotenos (principalmente licopeno) a partir de casca de tomate por meio de azeite de oliva extra-virgem.

[0101] O azeite de oliva extra-virgem (AOEV) empregado tinha as seguintes características:Tabela 6

[0102] As peles de tomate a serem tratadas tinham as seguintes características:Tabela 7

[0103] Dois tipos de tratamento foram realizados: (a) Uma única passagem pelo aparelho (tempo de permanência no interior do aparelho: 5 s; temperatura inicial do tratamento: 25 °C; temperatura final do tratamento: 28 °C), com alimentação equicorrente de peles de tomate e AOEV na proporção de 1:5 p/p; (b) Uma única passagem pelo aparelho (tempo de permanência no interior do aparelho: 5 s; temperatura de início do tratamento: 25 °C; temperatura final do tratamento: 28 °C), com alimentação contracorrente de peles de tomate e AOEV em uma proporção de 1:5 P/P.

[0104] 0 teor total de carotenos e licopeno foi medido no AOEV enriquecido obtido no final do tratamento de extração (valores expressos em log mg/kg):Tabela 8

[0105] A eficácia do aparelho de acordo com a invenção, como extrator e, acima de tudo, a possibilidade de obter um desempenho como extrator de múltiplos estágios se a fase sólida e a fase líquida de extração forem alimentadas em modo contracorrente, foram provadas.

EXEMPLO 4

[0106] Neste exemplo, o aparelho de acordo com a invenção foi empregado como extrator.

[0107] O aparelho empregado tinha as seguintes características: - N0 de câmaras de mistura turbulenta: 4; - N° de estágios rotor-estator: 3 (com os elementos do rotor e do estator tendo dentes com perfil parabólico); - Câmaras de mistura turbulenta alternadas com estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação; - Diâmetro das câmaras de mistura: 206 mm; - Comprimento axial das câmaras de mistura: 70 mm; - Pinos da primeira câmara de mistura: 6 pinos dispostos em planos paralelos de modo a formarem uma espiral que é impulsionada para a frente quando o eixo gira; os pinos possuem tamanho radial de 75 mm, isto é, um tamanho de modo a que a circunferência descrita pelos pinos durante a rotação seja de 0,73 x D, com D sendo o diâmetro das câmaras de mistura; - Pinos da segunda câmara de mistura: 6 pinos dispostos em planos paralelos, de modo a formarem uma espiral que é impulsionada para a frente quando o eixo gira; os pinos possuem tamanho radial de 75 mm, ou seja, um tamanho de modo a que a circunferência descrita pelos pinos durante a rotação seja de 0,73 x D; - Pinos da quarta câmara de mistura: 4 pinos dispostos em planos paralelos de modo a formarem uma espiral que é impulsionada para a frente quando o eixo gira; os pinos possuem tamanho radial de 59,75 mm, isto é, um tamanho de modo a que a circunferência descrita pelos pinos durante a rotação seja de 0,58 x D; - Diâmetro interno dos estatores: 195 mm; - Abertura mínima rotor - estator: 2,5 mm (Io estágio), 1,25 mm (2o estágio) e 0,75 mm (3o estágio); - Comprimento axial dos rotores e estatores: 35 mm; - Velocidade de rotação: 2.250 rpm; - Impulsionamento motorizado: motor elétrico de três fases com potência instalada de 22 kW.

[0108] O aparelho foi operado no modo equicorrente e no modo contracorrente: - Modo equicorrente: alimentação da fase sólida na Ia câmara de mistura por meio de um alimentador de eixo helicoidal (rosca sem fim), e também alimentação da fase líquida na Ia câmara de mistura por meio de uma bomba peristáltica de deslocamento positivo com taxa de fluxo constante no tempo; extração da suspensão final da última câmara de mistura (ou seja, a 4a câmara de mistura), submetendo-se a suspensão a uma separação líquido-sólido por meio de decantação, seguida por uma prensagem final; subsequentemente, uma centrifugação em uma centrifugadora de disco e uma filtragem em um saco de filtragem de poliéster, com grau de retenção absoluto de 50 microns, foram realizadas na fase líquida, e então uma desidratação da fase líquida extraída foi realizada por meio de um evaporador a vácuo do tipo "rotovapor", e depois por um secador de gabinete a vácuo, obtendo-se um extrato seco em forma de pó; - Modo contracorrente: alimentação da fase sólida na Ia câmara de mistura por meio de um alimentador de eixo helicoidal (rosca sem fim), e alimentação da fase líquida de extração na 4a câmara de mistura por meio de uma bomba peristáltica de deslocamento positivo com taxa de fluxo constante no tempo; extração da fase sólida exaurida da 4a câmara de mistura por meio de um extrator-compressor de eixo helicoidal (rosca sem fim), com recirculação da fase líquida comprimida na 4a câmara de mistura, extraindo-se a fase líquida extraída da Ia câmara de mistura através um tubo dotado com uma grade de malha, tendo uma malha com tamanho 0,5 x 0,5 mm, adaptada para deixar a fase líquida sair e reter a fase sólida, com a referida grade sendo mantida limpa por meio de um fluxo turbulento de uma fase líquida movido por uma lâmina encaixada no eixo da máquina, com a circunferência descrita pela lâmina tendo diâmetro igual a 0,9 x D; a fase líquida extraída é centrifugada em uma centrifugadora de disco e filtrada em um saco de filtragem de poliéster, com grau de retenção absoluto de 50 microns, e submetida a uma desidratação por meio de um evaporador a vácuo do tipo "rotovapor", e depois por um secador de gabinete a vácuo, obtendo-se um extrato seco em forma de pó.

[0109] A extração de polifenóis (principalmente oleuropeína) a partir de folhas de oliveira (fase sólida) foi realizada utilizando água como fase líquida de extração.

[0110] A água alimentada no extrator TURBEX tinha as seguintes características:Tabela 9

[0111] As folhas de oliveira alimentadas como fase sólida apresentavam as seguintes características:Tabela 10

[0112] As condições de operação dos dois tipos de tratamento foram as seguintes: - Modo equicorrente: uma única passagem pelo aparelho (tempo de permanência no interior do aparelho: 36 s; temperatura de início do tratamento: 25 °C; temperatura final do tratamento: 30 °C), com alimentação equicorrente de folhas de oliveira e água na proporção 1:7 p/p [taxa de fluxo da fase líquida (água) 700 kg/h; taxa de fluxo da fase sólida (folhas de oliveira) 100 kg / h]; - Modo contracorrente: uma única passagem pelo aparelho (tempo de permanência no interior do aparelho: 36 s; temperatura inicial do tratamento: 25 °C; temperatura final do tratamento: 30 °C), com alimentação contracorrente de folhas de oliveira e água na proporção 1:7 p/p [taxa de fluxo da fase líquida (água) 700 kg / h; taxa de fluxo da fase sólida (folhas de oliveira) 100 kg/h].

[0113] O extrato sólido obtido foi pesado, o teor de oleuropeína no extrato sólido foi analisado por meio da técnica de HPLC {High Performance Liquid Chromatography - Cromatografia Líquida de Alta Resolução), e o rendimento da extração de oleuropeína foi calculado.

[0114] Resultado do tratamento no modo equicorrente: - Quantidade de extrato sólido total obtido: 305 g/kg.

[0115] Doqual: - Teor de oleuropeína: 16,7% p/p (correspondendo a 50,9 g); - Teor de outras substâncias extraíveis: 83,3% p/p (correspondendo a 254,1 g); - Rendimento de extração de oleuropeína: 50,9 / 76 = 67% p/p; - Rendimento de extração de outras substâncias extraíveis: 254,1 / 512 = 49,6% p/p.

[0116] Resultado do tratamento no modo contracorrente: - Quantidade de extrato sólido total obtido: 375 g/kg.

[0117] Doqual: - Teor de oleuropeína: 20,05% p/p (correspondendo a 75,2 g); - Teor de outras substâncias extraíveis: 79,95% p/p (correspondendo a 299,8 g); - Rendimento de extração de oleuropeína: 75,2 / 76 = 98,9% p/p; - Rendimento de extração de outras substâncias extraíveis: 299,8 / 512 = 58,6% p/p.

[0118] Os resultados obtidos com o aparelho descrito nesta quarta forma de incorporação exemplificative da invenção provam a eficácia do aparelho como extrator e, acima de tudo, a possibilidade de obter um desempenho como extrator multi-estágios se a fase sólida e a fase líquida de extração forem alimentadas em modo contracorrente.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

[0119] O aparelho de acordo com a invenção encontra aplicações vantajosas em diversos campos industriais, por exemplo, como extrator, misturador, homogeneizador, reator, aparelho de pré-tratamento de biomassa para biorrefinarias e instalações de biocombustível, etc..

[0120] O aparelho pode ser usado, por exemplo, como separador/removedor (stripper) e reator no campo do tratamento de águas primárias e secundárias, para obter remoção de NH3 e melhorar 0 desempenho de técnicas de oxidação avançadas para a remoção da COD {Chemical Oxygen Demand - Demanda por Oxigênio Químico). Além disso, 0 aparelho de acordo com a invenção pode ser utilizado como reator para oxidar paraxileno em ácido tereftálico, e como reator para polimerizar poliéster, permitindo atingir a energia de ativação da reação principalmente ou exclusivamente por meio da componente cinética, e consequentemente conduzir as reações a temperaturas mais baixas do que na prática convencional, além de, evidentemente, reduzir drasticamente os tempos de reação graças ao aumento da geração da área de interfase e dos coeficientes de transporte de propriedades, com consequente economia de investimento e de custos operacionais.

[0121] A invenção, tal como descrita e mostrada, pode sofrer várias modificações e ter alternativas, todas situadas dentro do mesmo princípio inventivo.

Claims

1. APARELHO (11) PARA MELHORAR O CONTATO DE FASE E REAÇÕES QUÍMICAS, compreendendo: pelo menos um primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13); pelo menos um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação (15); com os referidos estágios (13, 15) estando adaptados para causarem um aumento nas velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas em um fluxo multifásico que passa através dos ditos estágios (13, 15); caracterizado por o referido primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13) compreender um rotor (17) que pode girar no interior de uma câmara de mistura (19) envolvida por um estator (21), com o rotor (17) compreendendo pelo menos um pino radial (23) integrado com o dito rotor (17); em que pelo menos um mencionado pino radial (23) estende-se radialmente a partir do eixo de rotação do eixo (39) do rotor (17), ao longo de um comprimento tal que o diâmetro da circunferência externa descrito pelo pino (23) fique na faixa de 0,3 a 0,9 x D, sendo D o diâmetro da câmara de mistura (19); em que pelo menos um mencionado primeiro estágio de mistura (13) está adaptado para submeter o fluxo multifásico a um regime de alta turbulência com Re>500.000, e pelo menos um referido segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e elevada cavitação (15) está adaptado para submeter o fluxo multifásico a um regime de cavitação tendo um número de cavitação o<1; em que pelo menos um citado segundo estágio (15) compreende um rotor (25), provido com dentes radiais (27) e alojado em uma câmara de cavitação (29) envolvida por um estator (31) dotado de dentes radiais (33); em que as superfícies voltadas uma para a outra (35, 37) dos dentes (27, 33) do rotor (25) e do estator (31) apresentam um perfil parabólico; em que os dentes (27, 33) do rotor (25) e do estator (31) possuem um perfil parabólico (27a, 33a) na direção circunferencial, onde o perfil parabólico dos referidos dentes (27, 33) fica disposto ao longo da curva de uma parábola (Pr, Ps) cujo vértice (Vr, Vs) está localizado na borda traseira (27b, 33b) do dente (27, 33), em relação à direção de rotação (F1) do rotor (25), e ao longo do raio (Rr) que conecta a referida borda (27b, 33b) ao centro (Cr) do rotor (25) ou do estator (27), respectivamente, com o foco da parábola (Pr, Ps) também estando disposto no mencionado raio (Rr).

2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma pluralidade dos ditos estágios de mistura de alta turbulência (13) e uma pluralidade dos citados estágios de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação (15), com os referidos estágios (13, 15) estando dispostos em série e alternados entre si, de modo a que o fluxo multifásico passe através de cada um dos mencionados estágios (13, 15); em que cada primeiro estágio (13) e cada segundo estágio (15) possui um eixo rotativo comum (39) com o qual os pinos (23) e o rotor (25), providos com dentes radiais (27), estão associados; em que os referidos primeiro e segundo estados físicos compreendem o estado líquido, o estado sólido e o estado gasoso, com os citados primeiro e segundo estados físicos sendo diferentes ou iguais entre si.

3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por as etapas de mistura (13) compreenderem bicos de injeção (49a, 49b) adaptados para injetarem um fluxo de uma substância ou de uma mistura de substâncias na câmara de mistura (19).

4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por os dentes (33) do estator apresentarem um perfil parabólico (33a) que é idêntico e é imagem espelhada do perfil dos dentes (27) do rotor, em que o perfil (33a) dos dentes do estator fica disposto ao longo da curva de uma parábola (Ps) cujo vértice (Vs) está localizado na borda traseira (33b) do dente (33) do estator, em relação à direção de rotação do rotor (25), ao longo do raio (Rs) que conecta a referida borda (33b) ao centro (Cs) do estator, coincidindo com o centro (Cr) do rotor (25), com o foco da parábola (Pr, Ps) também estando disposto no mencionado raio (Rs).

5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a equação da parábola do perfil dos dentes (27) do rotor e/ou dos dentes (33) do estator ser Y = 0,0062974 X2.

6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por uma abertura (51) ser provida entre os dentes (27) do rotor e os dentes (33) do estator, tal abertura sendo mínima nas bordas traseiras (27b, 33b) dos dentes (27, 33) do rotor e do estator quando as referidas bordas estão alinhadas ao longo dos raios (Cr, Cs) correspondentes do rotor (25) e do estator (27).

7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por os rotores dentados (25) terem um diâmetro na faixa de 50 a 500 mm e um comprimento axial na faixa de 0,05 a 2,5 vezes o diâmetro do rotor dentado (25) correspondente, com o intervalo mínimo entre os dentes (27) do rotor e os dentes (33) do estator na faixa de 0,2 a 5,0 mm.

8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os rotores dentados (25) possuírem um diâmetro variando de 100 a 300 mm.

9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o comprimento axial dos rotores dentados (25) variar de 0,1 a 1,0 vezes o diâmetro do rotor.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a abertura mínima entre os dentes do rotor (27) e os dentes do estator (33) variar de 0,5 a 2,5 mm.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por o diâmetro interno das câmaras de mistura (19) e das câmaras de cavitação (29) estar na faixa de 50 a 500 mm, com o comprimento axial dos estágios de mistura de alta turbulência (13) variar de aproximadamente 0,1 a 2,5 vezes o diâmetro interno da câmara de mistura (19) correspondente.

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o diâmetro interno das câmaras de mistura (19) e das câmaras de cavitação (29) estar na faixa de 100 a 300 mm.

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o comprimento axial dos estágios de mistura de alta turbulência (13) variar de 0,25 a 1,5 vezes o diâmetro interno da câmara de mistura (19).

14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a velocidade de rotação do rotor (17) estar na faixa de 1.000 a 3.000 rpm.

15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por operar em um modo contracorrente, compreendendo um primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13), provido com uma primeira porta (165) para a entrada de uma primeira substância que está em um primeiro estado físico e com uma segunda porta (167) para a saída de uma segunda substância que está em um segundo estado físico, e um segundo estágio de mistura de alta turbulência (13), provido com uma primeira porta (173) para a entrada de uma substância que está no referido segundo estado físico e com uma segunda porta (175) para a saída de uma substância que está no mencionado primeiro estado físico.

16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por operar em um modo equicorrente, compreendendo um primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13), provido com uma primeira porta (165) para a entrada de uma primeira substância que está em um primeiro estado físico e com uma segunda porta (167) para a entrada de uma segunda substância que está em um segundo estado físico, e um segundo estágio de mistura de alta turbulência (13), provido com uma primeira porta (173) para a saída de uma substância que está no dito segundo estado físico e com uma segunda porta (175) para a saída de uma substância que está no referido primeiro estado físico.

17. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por pelo menos dois dos referidos pinos (23) estarem associados com um mesmo estágio de mistura (13), e estarem dispostos no mesmo plano perpendicular ao eixo de rotação do rotor (17), ou estarem dispostos em planos paralelos perpendiculares ao eixo de rotação do rotor (17).

18. MÉTODO PARA MELHORAR O CONTATO DE FASE E REAÇÕES QUÍMICAS, caracterizado por compreender as etapas de prover um aparelho conforme descrito em qualquer uma das reivindicações 1 a 17, e submeter um fluxo multifásico a pelo menos um primeiro estágio de mistura de alta turbulência (13) e a pelo menos um segundo estágio de alta tensão de cisalhamento e alta cavitação (15), com os referidos estágios (13, 15) estando adaptados para provocarem um aumento nas velocidades de deslizamento relativas das fases envolvidas em um fluxo multifásico que passa através dos ditos estágios (13, 15).

19. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o referido fluxo multifásico ser obtido pela alimentação de diferentes fases no modo contracorrente.