PT839120E - Processo e aparelho para por em contacto um gas e um liquido - Google Patents

Description

Descrição “Processo e aparelho para pôr em contacto um gás e um líquido” A presente invenção refere-se a um processo e a um aparelho para pôr em contacto um gás e um líquido. Mais particularmente, mas não exclusivamente, refere-se a um processo e a um aparelho para iniciar e, pelo menos parcialmente, efectuar um processo de fermentação ou bio-reacção, no qual, se introduz um gás, tal como oxigénio ou um gás que contém oxigénio, que pode conter em si uma fase sólida. O reactor, para o qual se levam o gás e o líquido, podem conter um microrganismo, aeróbico no caso de se tratar do oxigénio, que provoca uma reacção . das fases sólida e líquida.

Como atrás se disse, o gás usado é de preferência oxigénio ou um gás que contém oxigénio, podendo ser usados outros gases, dentro do escopo da presente invenção. Analogamente, os líquidos implicados são usualmente aquosos, mas outros líquidos, incluindo este termo misturas de líquidos ou emulsões ou dispersões, são também incluídos no escopo da presente invenção. A este respeito, o termo líquido será aqui usado, por conveniência, para referir tais líquidos e líquidos que contêm sólidos na forma de suspensões ou soluções. É conhecida a realização de tais bio-reacções num vaso agitado, no qual se introduz ar por meio de um tubo perfurado distribuidor ou borbulhador, no interior de um depósito que contém líquido (como atrás se defmiu, incluindo possivelmente fases sólidas). Passado um certo tempo, o microrganismo escolhido terá reagido suficientemente para fazer sair líquido claro, ou tratado, possivelmente após um estádio de sedimentação. Um inconveniente deste processo é o tempo gasto para efectuar a reacção, que pode ser tão longo como 24 horas e, evidentemente, o espaço 2 necessário para acomodar o volume de líquido/sólidos a tratar. Seria vantajoso que uma tal reacção pudesse realizar-se num tempo mais curto e também com utilização de um aparelho que ocupasse um volume menor. De facto, seria vantajoso efectuar um melhor contacto gás/líquido num tempo mais curto, possivelmente tão pequeno como 20 segundos, e depois deixar que a bio-reacção se verificasse com uma menor velocidade num segundo reactor ou reactor subsequente. O melhor contacto gás/líquido e a possível recirculação podem permitir tempos de tratamento totais consideravelmente reduzidos, digamos de 24 horas para 2 horas. São conhecidas as chamadas colunas de queda de água, nas quais se introduz um jacto de líquido no interior de um espaço cheio do gás, que arrasta algum do gás, para formar uma espuma superficial acima do líquido no reactor. É conhecido, da patente GB 1 596 738, misturar gases e líquidos de maneira mais eficiente, introduzindo-os concorrentemente num reactor com escoamento descendente. No entanto, uma tal misturação pode ainda criar um espaço de gás acima da espuma, embora possa produzir bolhas gasosas com dimensões tais que se aumenta a área interfacial entre o gás e o líquido, melhorando-se portanto o processo de estabelecimento do contacto. Porém, a utilização de tais aparelhos produz uma zona de espuma numa parte mais alta da coluna do reactor onde não é mais eficiente o contacto gás/líquido e a transferência da massa.

Conhece-se também, da patente US 4 834 343, um processo para aumentar mais o contacto entre gás e liquido, pela introdução de pelo menos uma parte do fluxo numa direcção tangencial, relativamente ao eixo longitudinal do reactor. Todavia, este processo foi realizado apenas em colunas de reactores com uma zona de “turbilhão” com diâmetro e volume substancialmente constantes. Esta zona de “turbilhão” é formada pela mistura nessa zona de uma corrente de fluido descedente, vertical, na parte superior da coluna, com uma entrada tangencial por baixo da massa. Verificou-se que isso é insatisfatório. O pedido de patente alemão DE-A-4 138 599 apresenta um bio-reactor que contém sólidos para fixar os microrganismos. Faz-se circular os sólidos e impede-se a sua aglomeração na base do reactor, forçando-os para cima, num tubo central, por meio de fluido de entrada introduzido na base para formar um turbilhão.

Um objecto da presente invenção consiste em proporcionar um processo e um aparelho que pode ainda melhorar o contacto entre gás e líquido (como se definiu atrás, optativamente de modo a incluir uma fase sólida) e permitir que se realize uma bio-reacção num reactor subsequente.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, proporciona-se um processo para pôr em contacto um gás e um líquido, que compreende a provisão de um reactor alongado, substancialmente cilíndrico, com uma zona de entrada adjacente a uma primeira extremidade superior do mesmo e a introdução de um primeiro fluxo na referida zona de entrada, numa direcção substancialmente tangencial em relação ao eixo longitudinal do reactor, para provocar um fluxo rotacional do primeiro fluxo no interior da referida zona de entrada, caracterizado por se introduzir um segundo fluxo que compreende uma corrente de gás, optativamente misturado com um líquido, numa direcção substancialmente axial através de uma segunda entrada disposta numa zona intermédia do referido reactor, adjacente a uma extremidade da zona de entrada, por o referido segundo fluxo ter uma componente descendente da velocidade, por a zona de entrada ter uma área da secção transversal reduzida e o referido primeiro fluxo compreender pelo menos algum do líquido, incluindo optativamente algum do gás e por o primeiro fluxo ser introduzido com uma velocidade elevada tal que disperse de novo quaisquer bolhas de grandes dimensões do gás que se tenham aglomerado na zona de entrada. A velocidade deve ser tal que o fluxo disperse de novo quaisquer bolhas de grandes dimensões do gás que se tenham acumulado na parte superior da coluna. Também a velocidade de saída descendente de redor do diâmetro do elemento inserto que, sendo maior que a velocidade descendente abaixo do elemento inserto, reduz a tendência de as bolhas de grandes dimensões subirem para a parte superior da coluna. A introdução, com elevada velocidade, na entrada da mistura de gás/líquido no interior de uma área relativamente limitada, promove a mistura do gás e do líquido e minimiza a separação de gás da mistura. O gás e o liquido podem combinar-se inicialmente num limitador de Venturi ou uma placa com um orifício, a montante dos mesmos, por sua vez na zona de entrada do reactor ou a montante da mesma. O limitador ou o orifício podem, de preferência, ser situados no ponto de entrada tangencial, servindo desse modo para dispersar o gás e produzir apenas bolhas de dimensões reduzidas.

Neste caso, a velocidade do fluxo do gás/líquido no limitador pode ser optativamente maior que 150 cm/s.

Numa forma de realização do processo, a primeira entrada pode ser provida para o líquido, como aqui se define, que se faz recircular de um segundo reactor, alimentado a partir da saída deste primeiro reactor, podendo a segunda entrada ser alimentada com líquido fresco, incluindo optativamente gás, a tratar.

Em alternativa, ou adicionalmente, o material fresco pode ser introduzido através da referida segunda entrada, com uma velocidade comparativamente pequena. A segunda entrada para o líquido e/ou gás para o reactor pode ser constituída por um tubo, que se estende para o interior da zona intermédia do reactor e adaptada para provocar um movimento de rotação da entrada do material, neste caso quer em co-corrente quer em contra-corrente relativamente à direcção do movimento de rotação do conteúdo de gás/líquido/sólido do mesmo, induzida como consequência do fluxo de entrada tangencial inicial. O tubo que constitui a segunda entrada pode estender-se longitudinalmente no interior do reactor.

Em alternativa, o tubo que constitui a segunda entrada pode estender-se transversalmente para o interior do reactor. O processo pode incluir o aquecimento do gás e/ou do líquido introduzido através da primeira ou da segunda entradas, de modo a elevar a temperatura global do líquido no interior do reactor.

Adicionalmente, ou em alternativa, o processo pode compreender a introdução de líquidos e/ou gases adicionais, por meio de uma terceira entrada para o líquido, que pode ser proporcionada numa zona intermédia do referido reactor. A referida terceira entrada pode dispor-se de modo tal que o líquido introduzido através da mesma se orienta tangencialmente em relação ao eixo longitudinal do reactor.

Neste caso, o líquido assim introduzido pode ser orientado para ser concorrente com o fluxo de rotação anteriormente gerado.

Em alternativa, o líquido assim introduzido pode ser orientado para ficar em contracorrente com o fluxo de rotação gerado anteriormente.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, proporciona-se um aparelho para pôr em contacto gases e líquidos* que compreende um reactor alongado, meios de entrada adjacentes a uma sua extremidade superior e meios de saída adjacentes a uma sua segunda entrada, compreendendo os meios de entrada para líquido que contém gás, disposta de modo a orientar o líquido, que entra tangencialmente em relação ao eixo longitudinal do reactor e para uma zona de entrada do mesmo, caracterizado por os meios de entrada incluírem meios para arrastar gás para o interior de um fluxo de líquido, por a zona de entrada ter uma área da secção transversal menor que a da maior parte do reactor, por se proporcionar uma segunda entrada, adjacente a uma extremidade a jusante longitudinalmente da zona de entrada do reactor, para fornecer gás, que optativamente contém líquido, numa direcção axial, substancialmente para baixo, e por a zona de entrada ter uma área da secção transversal que aumenta, progressivamente ou escalonadamente, à medida que se estende a partir dos meios da entrada. A zona de entrada pode compreender um anel, adjacente à primeira extremidade do reactor, tendo o referido anel, de preferência, um diâmetro exterior substancialmente igual ao do reactor, e um diâmetro interior formado por um elemento inserto substancialmente cilíndrico, cónico, troncocónico ou um elemento inserto que é uma combinação qualquer dos mesmos. O elemento inserto pode ter uma superfície provida de saliências ou rugas, para promover uma maior turbulência.

Pode proporcionar-se uma segunda entrada para fornecer líquido e/ou gás a um ponto radialmente adjacente a uma porção do elemento inserto, a jusante longitudinalmente, ou a montante desse elemento.

Essa introdução secundária de gás/líquido pode minimizar qualquer turbilhão que possa ser provocado pelo fluxo rotativo da mistura de líquido/gás introduzida originalmente, ou pode aumentar ou manter a velocidade do fluxo rotativo. A segunda entrada pode ser constituída por um tubo que se estende transversalmente para o interior do reactor, a partir de uma sua parede lateral.

Em alternativa, pode compreender um tubo que se estende longitudinalmente para o interior do reactor, passando através do componente inserto.

Uma outra alternativa seria proporcionar uma entrada para o interior do elemento inserto que, neste caso, seria dotado com uma abertura, numa extremidade de jusante, para permitir que o fluido introduzido passasse para o interior do reactor. A abertura pode ser na base do elemento inserto, ou num ponto intermédio. A abertura pode, em alternativa, ser constituída por um tubo que se estende a partir do elemento inserto e, longitudinalmente, para além do mesmo, ou radialmente para além de uma sua maior porção.

Em todos estes casos, a segunda entrada pode ser adaptada para introduzir fluido concorrente com o fluxo de rotação existente e, desse modo, manter o mesmo ou aumentá-lo, ou em contracorrente com o fluxo de rotação existente. O elemento inserto pode ter uma forma cilíndrica, cónica ou troncocónica, ou uma combinação das duas. A segunda entrada pode estar disposta adjacente à porção inferior do componente mserto. O componente inserto pode ter uma superfície enrugada ou áspera. A zona de entrada pode, em alternativa, compreender uma zona com um diâmetro menor que o diâmetro geral do reactor a jusante do mesmo.

Pode ainda proporcionar-se um tubo adicional, mais a jusante, adaptado para introduzir mais mistura de gás/líquido, numa zona média do reactor. O terceiro tubo pode ter uma configuração tal que o líquido se introduz numa direcção tangencial, para provocar um escoamento rotativo do líquido introduzido. O fluxo pode ser em concorrência ou contra-corrente com o fluxo rotativo gerado pela introdução inicial da mistura de gás/líquido.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, proporciona-se um aparelho para realizar uma bio-reacção, que implica um gás e um líquido, como atrás se definiu, compreendendo o aparelho um primeiro vaso reactor, que possui uma zona de entrada, numa sua extremidade, com uma área de secção transversal reduzida, em comparação com o diâmetro geral do primeiro reactor, meios de entrada no interior da referida zona de entrada, para introduzir a mistura de gás/líquido numa direcção tangencial relativamente ao eixo longitudinal do reactor e meios de saída, numa extremidade oposta do reactor, um segundo reactor com meios de entrada ligados aos meios de saída do referido segundo reactor, meios de agitação nos mesmos e meios para saída dos mesmos. O líquido proveniente do referido segundo reactor pode ser recirculado para uma entrada do referido primeiro reactor. O líquido proveniente do segundo reactor pode ser fornecido à entrada primária do primeiro reactor, ou pode ser fornecido ao mesmo numa ou mais entradas subsidiárias, para o referido primeiro reactor. 9

Podem proporcionar-se meios para introduzir gás adicional para qualquer dessas alimentações de recirculação.

De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, proporciona-se um aparelho para o tratamento de lamas de esgotos ou outros resíduos orgânicos, utilizando um aparelho descrito de acordo com os segundo ou terceiro aspectos da invenção.

De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, proporciona-se um processo para o tratamento de lamas de esgotos ou outros resíduos orgânicos, de acordo com o processo descrito atrás no primeiro aspecto da presente invenção.

Descrevem-se agora formas de realização da presente invenção, mais particularmente, a título de exemplo e com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam. A fig. 1, esquematicamente, um reactor que realiza a presente invenção; A fig. 1 A, uma vista de cima, do mesmo, em corte transversal; A fig, 2, esquematicamente, uma segunda forma de realização do reactor, que tem um volume da zona de reacção inferior maior; A fig. 3, esquematicamente, uma outra forma de realização do reactor que inclui uma terceira entrada; A fig. 4, esquematicamente, uma variante da combinação representada na fig. 3, com alimentação recirculada; A fig. 5, uma outra forma de realização da invenção, na qual se introduziu um fluxo terciário, numa direcção longitudinal; A fig. 6, uma outra forma de realização, na qual se introduziu um fluxo terciário, para se escoar em contra-corrente, como se mostra na fig. 6A, e dirigindo- 10 7% -se para o mesmo, em contra-corrente, uma quarta entrada; A fig. 7, uma outra forma de realização da invenção, na qual a segunda e a terceira entradas para o reactor são orientadas longitudinalmente, enquanto que a entrada primária fornece um fluxo tangencial, sendo a fig. 7A um corte transversal do elemento inserto, que tem dois tubos de entrada que passam através do mesmo; A fig. 8, um sistema no qual a entrada primária tangencial está separada do corpo principal do reactor, mas flui para o seu interior através de uma abertura com uma área limitada, e A fig. 9, uma outra forma de realização, na qual o líquido é injectado apenas para o interior de uma parte superior da coluna e se introduzem misturas de gás/líquido em pontos inferiores da mesma, tendo esses pontos uma zona de reacção com um volume maior que na entrada primária; A fig. 10, um contactor de fluxo descendente que realiza a presente invenção, em ligação com um segundo reactor agitado, no qual o fluido é recirculado a partir desse segundo reactor para entradas do reactor primário; A fig. 11, uma forma de realização semelhante à forma de realização da fig. 10, excepto que o reactor primário tem uma zona de sedimentação, de maior diâmetro, na sua base, na qual pode colocar-se o mecanismo agitador; e A fig. 12, uma outra forma de realização da invenção, na qual o reactor primário é alimentado por fluido recirculado, com gás adicional, proveniente de um reactor secundário agitado, que é, por sua vez, alimentado a partir de um reactor terciário.

Fazendo agora referência aos desenhos, na fig. 1 está representado um reactor alongado (1), que tem uma entrada (2) e uma saída (3), dispostas adjacentes a extremidades opostas do reactor (1). O reactor (1) tem um diâmetro substancialmente constante, mas numa zona de entrada (4), adjacente à entrada (2), é proporcionado um elemento inserto (5), para formar uma parede interior, que define com a parede do reactor uma zona de entrada anular (4). O elemento inserto (5) pode ter uma forma cilíndrica, uma forma cónica, uma forma troncocónica ou, com se mostra na fig. 1, uma combinação de duas. São evidentemente possíveis outras formas, incluindo uma forma como se indica na fig. 9 e que compreende, no sentido descendente, um cilindro, um tronco de cone com o diâmetro máximo igual ao do cilindro, e uma extensão alongada (15) para além do vértice voltado para baixo do tronco de cone. A extensão (15) pode ocupar entre 5% e 30% da área da secção transversal do reactor. Esta extensão (15) ajudará a impedir a formação de um turbilhão e aumentará a mistura e a turbulência, quer a segunda entrada, no centro da coluna, introduza ou não fluido num sentido em concorrência ou em contra-corrente. Porém, uma tal extensão pode não ser necessária, para certos padrões de escoamento do fluido preferidos. O líquido, que como atrás se definiu, pode incluir um constituinte sólido, a tratar, é misturado com oxigénio na forma pura, ou como ar, e passa através da entrada (2) para o interior da zona de entrada anular (4). A mistura pode passar através de um estrangulador de Venturi ou de um placa com um furo, para melhorar a captação do gás pelo líquido a tratar. A velocidade da mistura líquido/gás no estrangulador de Venturi ou na placa com orifício, é de preferência superior a 150 cm/s. A velocidade real da mistura dos fluidos depois de entrar no reactor dependerá da distância entre o Venturi ou orifício e o reactor. O tubo de entrada (2) está disposto de modo tal que a corrente resultante da mistura de líquido/gás entra no 12 reactor (1) numa direcção tangencial, relativamente ao eixo longitudinal do reactor (1). 0 fluxo de entrada tangencial pode ver-se mais claramente a partir da fig. 14. A introdução da mistura de gás/líquido com uma velocidade relativamente elevada no espaço relativamente limitado da zona de entrada anular (4) garante que a misturação do gás/líquido é contínua e maximizada, e que a parte superior do reactor contém, desse modo, uma espuma estável. Enquanto se introduz mais líquido/gás, a espuma desloca-se para baixo, com uma velocidade que pode situar-se na zona dos 10 cm/s, ou maior. A medida que a mistura íntima de gás e líquido se desloca para baixo, entra na zona de maior diâmetro do reactor, mas tem ainda uma componente de rotação da velocidade grande, sendo o fluxo em geral helicoidal no sentido descendente. O fluxo de circulação rotacional de fluido na coluna, provocado pela introdução tangencial, pode conduzir à formação de um turbilhão no centro da coluna do reactor imediatamente por baixo do elemento inserto (5): Quando estiver presente uma extensão (15), este efeito é minimizado pela presença da extensão (15) do elemento inserto, cuja secção transversal é menor que a área do elemento inserto junto da primeira entrada. Junto desta extensão (15), pode proporcionar-se uma segunda entrada (6), para introduzir líquido ou líquido e gás adicionais.

Pode introduzir-se uma entrada secundária (6), a partir do lado do reactor (1), ou longitudinalmente através do tubo (6). Na fig. 1, o tubo (6) passa através do elemento inserto (5), na zona de “turbilhão” do reactor. Na fig. 2, a entrada secundária é feita directamente para o interior do elemento inserto (5), e passa através de uma abertura (37) voltada para baixo, directamente para essa zona. O efeito deste fluxo longitudinal descendente é substancialmente o mesmo que se 13 ?st conseguiria com o tubo de entrada (6).

Porém, a introdução em concorrência do fluido introduzido, ou a introdução a partir de, ou a introdução do fluido longitudinalmente a partir da parte superior do reactor terá a tendência para reduzir ainda mais um turbilhão e aumentará a velocidade de rotação e desse modo dá lugar a uma menor formação de bolhas grandes. A introdução em contracorrente de fluido, nesta segunda entrada, tem maior probabilidade de preencher o turbilhão e provocará mais turbulência, o que pode ser desejável em certas circunstâncias. A redução da rotação total provocada pelo fluxo de entrada em contracorrente pode ser compensada proporcionando um agitador com uma velocidade de rotação relativamente pequena. De facto, um tal agitador pode ter vantagens para a dispersão dos sólidos, quando eles estiverem presentes num qualquer ou em vários dos fluxos de entrada. A quantidade de líquido introduzida por essa entrada secundária (6) pode estar entre 5% e 30%, em volume, do total de líquido introduzido, embora possam adicionar-se quantidades maiores ou menores, neste estádio. De preferência, mas não necessariamente, o material líquido introduzido através do referido tubo secundário (6) é idêntico ao introduzido através da entrada primária (2), podendo analogamente ser oxigenado ou gaseificado.

Fazendo agora referência à fig. 3, nela representa-se uma alternativa à fig. 2, na qual a entrada secundária (6) se dirige para baixo, através do componente inserto (5). No entanto, a finalidade desta é semelhante à da forma de realização representada na fig. 2. O líquido e/ou o gás introduzidos neste ponto podem ser aquecidos, para aquecer todo o líquido no reactor e, desse modo, optimizar aí as condições da reacção. Como outro desenvolvimento deste princípio, um componente Μ inserto (5) oco pode incluir um espaço em cujo interior desemboca a entrada secundária (6) e, no caso de esta entrada ser aquecida, haverá transferência de calor para a mistura de gás/líquido introduzida através da entrada (2), durante a sua fase de misturação mais violenta. O líquido introduzido através da entrada (6) pode depois sair para o interior do reactor, através de uma abertura (37) na base do componente inserto (5).

Com referência agora à fig. 3, representa-se na mesma uma entrada terciária (8), que pode servir para introduzir líquido ou mistura de líquido/gás, num ponto mais a jusante no reactor. A entrada terciária (8) compreende um tubo que se estende até um ponto adjacente ao eixo longitudinal do reactor (1) e com uma configuração tal que liberta o líquido a partir do mesmo, numa direcção tangencial, de modo a produzir um fluxo rotativo do mesmo no interior do líquido que passa para baixo a partir da entrada primária (2) e da entrada secundária (6). De acordo com as necessidades do processo que está a ser realizado no reactor, a entrada terciária (8) pode dispor-se de modo a introduzir o líquido numa direcção concorrente, ou em contracorrente, com o fluxo rotativo do líquido já presente no reactor. A finalidade desta entrada terciária (8) é a de aumentar o contacto entre o gás e o líquido num ponto no nível inferior de formação de espuma. O líquido introduzido pode ser água ou o líquido a tratar, ou uma mistura de líquido/gás ou líquido a tratar. Uma forma de realização alternativa, representada na fig. 7, tem fluxos quer secundário, quer terciário, numa direcção longitudinal.

Em qualquer das formas de realização da invenção, será possível introduzir apenas líquido (como se define aqui e anteriormente), através do tubo (2), numa direcção tangencial, para o interior do espaço interior (4) de volume reduzido. Pode 7SÍ então introduzir-se gás, por exemplo oxigénio, optativamente misturado com um liquido, que pode ser o líquido a tratar, o qual pode depois ser introduzido através do sistema de entrada secundária, através do tubo (6) ou através da abertura (37), no componente inserto (5). Uma tal disposição pode promover ainda mais a mistura do gás e do líquido.

Como pode ver-se a partir das fig. 6 e 6A, nas quais a entrada primária é feita através do tubo. (2), proporcionam-se a entrada secundária numa direcção longitudinal, através da entrada (6), e duas outras entradas, uma terciária, em (8), e uma quarta, em (28). Na forma de realização representada, a entrada terciária (8) está adaptada para introduzir fluido numa direcção em contracorrente com o fluxo descendente geral do reactor, enquanto que a quarta entrada (28) está adaptada para permitir a entrada de fluido numa direcção tangencial que é contrária à da entrada terciária mas concorrente com a da entrada primária (2). Em ambos os casos, pode introduzir-se gás adicional através do tubo (38).

Fazendo agora referência à fig. 4, representa-se um reactor no qual uma zona mais baixa do reactor, adjacente à saída (3), tem um diâmetro maior, para proporcionar uma zona de sedimentação (39). A partir desta zona de sedimentação (39) pode bombear-se fluido para trás, por meio da bomba (40), através do tubo (41), o qual é introduzido de novo na coluna, em qualquer ponto desejado da mesma. A fig. 4 representa a reintrodução como uma entrada de quarto estádio, mas são perfeitamente possíveis outras posições de entrada.

Referindo agora a fig. 10, nela está representado um aparelho para o tratamento de lamas de esgotos ou outros resíduos orgânicos. A saída (3) do reactor (1) conduz a um segundo reactor, na forma de um depósito agitado (11), no qual os 16 τα resíduos têm um tempo de residência mais longo e que pode ter um certo número de barras borbulhadoras de gás, que servem para gaseificar o líquido e mantê-lo em movimento. O líquido, assim tratado no segundo reactor (11), é depois reciclado por via do tubo (16), para a entrada primária do primeiro reactor (1). Pode juntar-se gás adicional ao fluxo de entrada, no ponto (38) e possivelmente noutras entradas. O fluido reciclado pode ser dividido em dois, um dos quais distribui o líquido reciclado tangencialmente, com uma velocidade relativamente elevada, distribuindo o segundo uma maior quantidade de líquido reciclado, também tangencialmente, mas num fluxo rotativo, produzido pela entrada primária.

Pode introduzir-se líquido fresco para ser tratado, optativamente com adição de gás, numa parte inferior do anel definido entre a parede do reactor e uma extensão (15) do elemento inserto.

Nesta forma de realização, a zona de base (39) do reactor adjacente à saída (3) tem um diâmetro maior, para proporcionar uma zona de sedimentação. O material orgânico, em solução ou suspensão aquosa, pode ser fornecido a uma junção com um tubo de entrada (38) para gás/oxigénio ou ar, que permite a introdução do gás no líquido fornecido num dispositivo de Venturi ou placa perfurada, ou quase directamente a montante do mesmo, que serve para arrastar o gás para o interior do líquido, iniciar o processo de dispersão de mistura e assegurar que a mistura é efectuada para o interior do reactor (1), com a velocidade desejada. O Venturi ou a placa perfurada pode compreender uma parte de uma tubeira de entrada limitada, no ponto de alimentação para a coluna. E possível combinar dois ou mais desses reactores em série, passando a saída 17 (3) de um primeiro reactor para pelo menos uma entrada de um segundo reactor idêntico. Isso está representado nas fig. 10 a 12.

Pode introduzir-se oxigénio adicional em qualquer ponto entre a saída (3) do primeiro reactor e a entrada do segundo. A saída (3) do segundo reactor pode depois passar para um fermentador, que pode tomar a forma de um depósito (11) com agitação. Pode bombear-se líquido do fermentador (11) para trás, para as entradas primárias (2) do reactor (1) ou para o mesmo, através de segundas entradas (6) ou de entradas terciárias (7). Em qualquer dos casos, pode introduzir-se oxigénio adicional ou ar no fluxo do líquido, antes da introdução através das entradas secundária ou terciária, por meio de entradas de gás (38).

Numa variante da segunda entrada, há uma entrada terciária (8), com uma forma que envolve parcialmente uma extensão (15) da entrada, fornecendo desse modo a sua alimentação subsequente numa direcção tangencial, concorrentemente ou em contracorrente.

Na fíg. 7 está representado um reactor que combina as características de muitas das formas de realização, incluindo um agitador, a extensão (15) do elemento inserto, a câmara de pressão (39), uma alimentação primária (2) (de preferência proveniente de uma fonte de reciclagem), que passa através de um ejector para arrastar o gás introduzido na câmara de pressão (39) e que forma portanto uma entrada terciária para o reactor, num ponto inferior do mesmo. Nesta forma de realização proporciona-se também uma entrada secundária (6). A saída (3) pode passar para um depósito de retenção agitado e, a partir daí, reciclado como atrás se descreveu.

Na fig. 8 está representada uma outra forma de realização, na qual em vez de um espaço anular na parte superior de um reactor, com diâmetro substancialmente constante, é proporcionada uma zona de entrada (14) formada por uma zona do reactor que tem um diâmetro exterior limitado. Este reactor serve para um fim semelhante ao do anel das formas de realização anteriores, visto ser uma zona com secção transversal com área limitada, na qual se verifica uma mistura mais violenta do gás e do líquido. Podem proporcionar-se entradas secundária e/ou terciária, como se mostra nas fig. 6 e 8, nessa forma de realização. A invenção anterior foi descrita por meio de um reactor de fluxo descendente, vertical, concorrente. E evidentemente possível utilizar um reactor horizontal ou substancialmente horizontal, caso em que o reactor é substancialmente horizontal e uma entrada faz a alimentação tangencialmente para o interior do anel formado entre uma parede e um elemento inserto (5). Pode proporcionar-se um agitador, na extremidade de jusante do reactor, dado que há a tendência para a mistura de gás/líquido se separar quando passa horizontalmente ao longo do reactor. A forma de realização inclui uma zona de recolha (25) para este gás não arrastado, que de preferência é reciclado para o processo, através de um ejector.

Como pode ver-se, a utilização da presente invenção permite a realização de uma bio-reacção num volume comparativamente pequeno e numa base substancialmente contínua, com uma saída elevada e rápida. A presente invenção pode evidentemente ser combinada com outros processos convencionais num processo de tratamento multi-estádios. Nesses casos, pode ser aconselhável a recirculação de alguns ou de todos os fluidos. A presente invenção refere-se essencialmente, mas não necessariamente, à mistura de gases e líquidos numa área limitada, numa extremidade de uma coluna reactora. Isso pode criar uma zona de bolha nessa extremidade da coluna, que pode ter uma profundidade ou comprimento de 0,914 a 1,219 m (3 a 4 pés). Esta zona de bolhas no volume limitado promove a inter-reacção entre o gás e o líquido, devido à grande área interfacial entre o líquido e o gás, fomentada pelo fluxo de entrada tangencial. Dão-se aaora exemplos da invenção

ESTUDOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

Fizeram-se estudos de transferência de massa, utilizando uma concepção onde a dispersão de bolhas poderia ser estendida para baixo, a todo o comprimento da coluna. Como indicação do grau de transferência de massa de gás-líquido, calculou-se o coeficiente volumétrico de transferência de massa gás-líquido (kLa).

Usaram-se dois modelos clássicos para calcular kLa, o modelo de escoamento tamponado (“plugflow”) e o modelo completamente misturado (STR). Estes modelos estão représentados nas equações 1 e 2 seguintes:

Modelo “plugflow”

Ln (C (C* Çi)Cf) (1)

Modelo completamente misturado

Ln (Cr-C,) (C*-Cr) (2)

Onde: kLa = Coeficiente volumétrico de transferência de massa gás-líquido (s'1). Q = Caudal volumétrico através do reactor (mV1), 20 f V = Volume do reactor (m3),

Cs = Concentração de equilíbrio de gás dissolvido no líquido (mol/1),

Ci = Concentração inicial de gás dissolvido no líquido (mol/l).

Cf = Concentração de gás dissolvido no líquido que abandona o reactor (mol/1). O reactor foi operadp numa base contínua e utilizaram-se as condições de operação seguintes, para todas execuções:

Temperatura de reacção 10,2-12,5°C

Pressão de reacção 89631,9 - 165474,2 N/m2 (13,0 - 24,0 psig)

Caudal na coluna 3,0 - 20,01/min

Caudal superior com turbilhão 6,0 - 17,0 1/min Retenção de gás 35 - 50 %

Como comparação, preparou-se um reactor convencional CDC e calcularam- -se os coeficientes de transferência para o CDC e faz-se a comparação. Os resultados estão representados a seguir.

Configuração do reactor kLa s'1 ("plugflow") kLa s‘ (ST.R) Elemento inserto médio (entrada com turbilhão 3 mm diâmetro) 0.22-0.63 0.33 - 1,57 Elemento inserto médio (entrada com turbilhão 4 mm diâmetro) 0.33 - 0.65 0,76-2,45 Elemento inserto largo (entrada com turbilhão diâmetro 4 mm) 0,28 - 0.63 0,21-1.91 CDC normal (orifício 3 mm) 0.12-0,35 0.15-0.61

Calcularam-se valores muito grandes de ki.a, utilizando ambos os modelos que indicam o contacto gás-líquido bom e a transferência de massa de gás-líquido eficientes obtidos no reactor.

Genericamente, quando se utilizou a entrada no reactor com elemento inserto largo (obtendo-se uma velocidade de circulação no turbilhão mais elevada), determinaram-se, numa média geral, valores ligeiramente maiores de kLa, quando comparados com os valores calculados utilizando a entrada no reactor com elemento inserto de dimensão média. Ambos os. elementos insertos do reactor de dimensões diferentes deste desenho deram valores melhores de kLa que o CDC convencional, indicando uma transferência de massa de gás-líquido no reactor melhor que no reactor CDC para a absorção de oxigénio/água.

Deve também notar-se que foi difícil o colapso da dispersão e das bolsas de gás a formar. No entanto, quando se formou uma bolsa de gás foi muito fácil recuperar a dispersão estável de bolhas, aumentando o caudal líquido longitudinal ou o caudal tangencial.

Numa tentativa de melhorar as capacidades de transferência de massa do reactor, incorporou-se um fluxo turbilhonar num ponto inferior do reactor, no sistema do reactor, através de uma entrada tangencial de 3 mm. O jacto criado através da entrada tangencial permitiria um maior grau de corte das bolhas e da turbulência na zona inferior da coluna e portanto aumentaria ainda mais o grau de transferência de massa de líquido no sentido descendente na coluna. Devido às limitações da bomba do sistema do reactor, o caudal com turbilhão na parte inferior do reactor variou de 2 a 4 1/min.

Calculou-se a seguinte gama de valores de kL para a operação com fluxo turbilhonar:

Configuração do reactor kLa s1 (“Plugflow”) kLa s'1 (STR) Fluxo turbilhonar (elemento inserto largo) 0,50 - 0,57 1,15,-1,52 Fluxo turbilhonar (elemento inserto médio) 0,26 - 0,36 m 00 θ' 1 O </-> θ'

De novo se determinaram valores de kLa grandes, utilizando quer o modelo STR quer o modelo “plugflow”, o que indica uma boa mistura gás-líquido e uma 22 transferência de massa gás-líquido eficientes. Também, proporcionando valores elevados de kLa, o fluxo com turbilhão na zona inferior da coluna aumentou a vantagem na retenção do gás no reactor, permitindo 100% de utilização do gás, mesmo para caudais elevados na coluna.

Como no caso dos estudos anteriores, pode ver-se que, quando se utilizarem elementos insertos largos, se obtêm melhores valores de kLa. Dão-se exemplos a seguir. QUA. 23o -o o T3

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Operações ak - ao : utilizando turbilhão inferior e elemento inserto largo Operações ap - au : utilizando turbilhão inferior e elemento inserto médio

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Devido à velocidade de entrada, comparativamente elevada, na área limitada, há uma maior mistura dos componentes, uma maior turbulência e, desse modo, uma maior taxa de dissolução de oxigénio/ar/gás no líquido. Quando a mistura de bolhas se move para baixo ou para fora, a partir da zona de entrada, a sua velocidade de escoamento descendente é maior que a velocidade de escoamento descendente numa zona média da coluna. Isso limita a velocidade de subida das bolhas na secção de entrada da área limitada, evitando desse modo qualquer acumulação continuada de gás na parte superior ou extremidade de entrada da coluna. A fim de controlar o desenvolvimento de bolhas na mistura, verificou-se que, em alguns casos, pode ser vantajoso introduzir líquido apenas na entrada primária (2) e introduzir gás ou gás e líquido na entrada secundária (6). Pode introduzir-se mais gás e/ou líquido nas entradas terciárias e nas outras entradas (8).

Na ausência da zona de entrada da área limitada da presente invenção, seria de esperar que a velocidade de escoamento descendente do líquido ou do líquido/gás fosse da ordem de 10 cm/s. Porém, uma vantagem da presente invenção é que, devido à área limitada, na parte superior da coluna, a velocidade de escoamento descendente pode ser pelo menos dupla daquele valor. Como se admite que 3 a 5 mm de bolhas na água subirão com uma velocidade de 20 cm/s, é muito pouco provável que essas bolhas subam para o interior da, ou através da área limitada da zona de entrada. Bolhas maiores na água podem subir com uma velocidade ligeiramente mais elevada, por exemplo 20 a 30 cm/s, mas uma vantagem da invenção é que a formação de bolhas maiores é desencorajada pela velocidade de introdução de mistura de fluidos e, possivelmente, também a presença de efeitos de 26 superfície da parede da coluna. A viscosidade da mistura aumentará, evidentemente, por qualquer presença na mesma de material sólido e pela velocidade de circulação rotativa no fluxo do fluido na entrada. A velocidade de circulação do fluido, elevada na zona de entrada da área limitada, juntámente com a provisão de uma superfície rugosa, permite esperar que se faça a dispersão de quaisquer bolhas maiores, digamos maiores que 5,0 mm. Portanto, como se descrèveu atrás, haverá uma menor tendência para que o gás suba através da coluna.

Em sistemas onde sejam de esperar bolhas maiores, pode ser vantajoso fornecer uma corrente secundária de líquido apenas para o interior do espaço limitado da zona de entrada e fornecer a mistura de gás/líquido para o interior do espaço limitado, num ponto do mesmo inferior ou a jusante.

Em algumas formas de realização da invenção, proporciona-se uma extremidade inferior, ou a jusante, da coluna que tem um diâmetro maior e portanto um volume maior. Isso, ou a presença nesse espaço de um agitador, pode fazer com que bolhas descendentes, digamos com um diâmetro de 1 mm, coalesçam, caso em que tais bolhas maiores coalescidas, como atrás se estabeleceu, têm maior probabilidade de subir, subam de facto e reajam com mais liquido entrado num ponto médio do reactor. A parte estendida (15) do elemento inserto obvia qualquér tendência para a formação de um turbilhão através de toda a estrutura de bolhas, a qual pode ter uma profundidade entre 0,914 e 1,219 m (3 a 4 pés). Além disso, um tal elemento inserto pode aumentar a turbulência e a mistura no centro da coluna. Este último efeito pode ainda ser aumentado proporcionando um elemento inserto com uma superfície 27 rugosa. Assim, a presença da extensão (15) do elemento inserto preencherá qualquer vazio que possa ser provocado pelo fluxo circulatório de fluido e permitirá uma maior velocidade de circulação na coluna.

Se for necessária uma maior solubilidade do gás, a presente invenção pode ser operada a uma pressão maior que a pressão atmosférica. A necessidade de energia do processo é menor que a do aparelho convencional do tipo que tem um ou mais reactores maiores com borbulham ento do gás. Isso deve-se à capacidade de executar o processo num tempo de reacção total mais curto e à necessidade de uma agitação menos vigorosa nós reactores de retenção.

Como foi descrito, há uma diferença muito nítida nos padrões de fluxo entre o reactor da presente invenção e os descritos na patente UK 1 596 738 e US 4 834 343. No presente pedido de patente, a corrente de jacto descendente de gás, disperso na forma de pequenas bolhas, é envolvida por uma corrente descendente com um teor de oxigénio comparativamente baixo. Mas, nas duas patentes anteriores, a corrente de jacto descendente de gás disperso é envolvida por uma corrente de recirculação proveniente da parte inferior da coluna, que tem uma elevada concentração de oxigénio. Portanto, na presente invenção, o gradiente da concentração de oxigénio do jacto para o líquido envolvente é maior que nas patentes anteriores, ajudando assim a transferência de massa, em particular na parte superior da coluna, onde o nível de concentração de oxigénio total é menor. No aparelho de acordo com a invenção, a rotação da pequena corrente descendente de oxigénio que envolve a corrente do jacto aumenta a estabilidade da coluna.

Lisboa, 16; de Agosto de 2000 O Agente Oficial da Propriedade, Industrie^ JOSÉ DE SAMPAIO A.O.P.I.

Rua do Salitre, 195, r/c-Drt.

1250 LISBOA

Claims (15)

1. 7k Reivindicações 1. Processo para por em contacto um gás e um líquido, que compreende a provisão de um reactor alongado, substancialmente cilíndrico, que tem uma zona de entrada adjacente a uma primeira extremidade superior do mesmo, e a introdução de um primeiro fluxo para o interior da referida zona de entrada, substancialmente tangencialmente em relação ao eixo longitudinal do reactor, para provocar o fluxo de rotação do primeiro fluxo no interior da referida zona de entrada, caracterizado por se introduzir um segundo fluxo, que compreende uma corrente de gás, optativamente misturado com líquido, numa direcção substancialmente axial, através de uma segunda entrada, disposta numa zona intermédia do referido reactor adjacente a uma extremidade da zona de entrada, por o referido segundo fluxo ter uma componente de velocidade descendente, por a zona de entrada ter uma área reduzida da secção transversal e o referido primeiro fluxo compreender pelo menos algum do líquido, optativamente incluindo algum do gás, e por o primeiro fluxo ser introduzido com uma velocidade elevada para re-dispersar quaisquer bolhas grandes de gás, que possam ter-se acumulado na zona de entrada.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o segundo fluxo ser orientado, ou genericamente longitudinalmente em relação ao reactor, ou num sentido de rotação em concorrência ou em contra-corrente, relativamente ao primeiro fluxo, e ser introduzido no ponto onde o primeiro fluxo rotativo no reactor produz uma zona de turbilhão central.
3. 3. Processo de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por o primeiro fluxo compreender gás e líquido, que são combinados inicialmente num limitador de Venturi ou numa placa perfurada que, por sua vez, estão na zona de entrada ou a montante da mesma e desse modo servem para dispersar o gás e produzir bolhas pequenas.
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por a velocidade do fluxo de gás/líquido no limitador ser maior que 150 cm/s.
5. 5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o gás e/ou o líquido introduzidos através da segunda entrada serem aquecidos, de modo a aumentar a temperatura global do líquido no interior do reactor.
6. 6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se introduzirem mais líquidos e/ou gases, por meio de uma terceira entrada, numa zona intermédia do referido reactor, tangencialmente em relação ao eixo longitudinal do reactor, ou concorrentemente com o fluxo rotativo gerado anteriormente, ou em contra-corrente com o fluxo de rotação gerado anteriormente.
7. 7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se proporcionar um segundo reactor, e uma saída do primeiro reactor ser fornecida ao segundo reactor.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o primeiro fluxo compreender líquido, como aqui se define, recirculado do segundo reactor, e o segundo fluxo compreender gás e líquido frescos a tratar.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o segundo fluxo compreender gás misturado com líquido, como aqui se define, recirculado do segundo reactor, e o primeiro fluxo compreender líquido fresco a tratar.
10. 10. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, 3 7Κ caracterizado por o líquido ser um resíduo orgânico, tal como lama de esgotos.
11. 11. Aparelho para pôr em contacto um gás e um líquido, que compreende um reactor (1), alongado, meios de entrada (2), adjacentes a uma sua extremidade superior e meios de saída (3), adjacentes a uma sua segunda extremidade, compreendendo os meios de entrada uma entrada para líquido que contém gás, disposta de modo a dirigir o líquido de entrada tangencialmente em relação ao eixo longitudinal do reactor e para o interior de uma zona de entrada (4) do mesmo, caracterizado por os meios de entrada incluírem meios para arrastar gás para o interior do fluxo de líquido, por a zona de entrada (4) ter uma área da secção transversal menor que a da maior parte do reactor (1), por se proporcionar uma segunda entrada (6) adjacente a uma extremidade longitudinal mente a jusante da zona de entrada do reactor, para fornecer gás, optativamente contendo líquido, numa direcção descendente substancialmente axial e por a zona de entrada ter uma área da secção transversal que aumenta progressivamente ou escalonadamente, à medida que se estende a partir dos meios de entrada (2).
12. 12. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a zona de entrada (4) compreender um anel adjacente à primeira extremidade do reactor, tendo o referido anel um diâmetro substancialmente igual ao do reactor, e um diâmetro interior formado por um componente inserto substancialmente cilíndrico, cónico ou troncocónico, ou um elemento inserto (5) que é uma combinação de quaisquer dos mesmos.
13. 13. Aparelho de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o elemento inserto (5) ter uma superfície provida de saliências ou ondulações para promover uma maior turbulência. 4
14. 14. Aparelho de acordo com qualquer das reivindicações 12 ou 13, caracterizado por a segunda entrada (6) se estender longitudinalmente para o interior do reactor e passar através do elemento inserto (5).
15. 15. Aparelho para a realização de uma bio-reacção que envolve um gás e um líquido, como atrás se definiu, que compreende um aparelho de acordo com qualquer das reivindicações anteriores 11 a 14, caracterizado por compreender ainda um segundo reactor (11) que tem meios de entrada, ligados aos meios de saída (3) do referido primeiro reactor, estando o referido segundo reactor provido de meios de agitação e meios de saída do mesmo. Lisboa, 16 de Agosto de 2000 O Agente Oficial da Propriedade Industrial

    JOSÉ DE SAMPAIO A.O.P.I. Rua do SaEiíra, 155, rA-Drt. 1250 LISBOA 1 Resumo “Processo e aparelho para pôr em contacto um gás e um líquido” Um processo para pôr em contacto um gás e um líquido compreende a provisão de um reactor alongado, substancialmente cilíndrico (1), que tem junto de uma sua extremidade uma zona de entrada (4) com uma área de secção transversal reduzida, a introdução de pelo menos uma parte do gás e/ou do líquido na zona de entrada, numa direcção tangencial, relativamente ao eixo longitudinal do reactor (1), por meio da entrada (2), para provocar o fluxo rotacional no interior da zona de entrada e a partir da mesma, para o interior do reactor e com uma velocidade tal que provoque uma mistura mais íntima do líquido e do gás. Pode introduzir-se gás e/ou líquido adicionais, através de uma segunda entrada (6) disposta numa zona intermédia do reactor, colocada de modo tal que o fluido introduzido através da mesma flui numa direcção ou genericamente longitudinal em relação ao reactor, ou numa direcção rotacional. 6

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    Lisboa, 16 de Agosto de 2000 O Aaente Oficial da Propriedade industrial

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