Reactive flow and photon fate in a mesoscale reactor applied to the photocatalytic abatement of pollutants in gas phase: a theoretical investigation

Abstract

A fotocatálise heterogênea tem ganhado crescente interesse desde os anos de 1970. Desde então, diversas aplicações estão associadas com a fotocatálise heterogênea, tais como a busca por fontes alternativas de energia, síntese orgânica e tratamento de correntes líquidas e gasosas. Ao longo das últimas décadas, misturadores estáticos e reatores em escala milimétrica ou inferior têm ganhado atenção. Mili- e microdispositivos têm sido empregados em processos químicos pelo fato de otimizarem as trocas de calor e massa. Associados a fotocatálise, mili- e microreatores podem ser uma vantajosa alternativa para a degradação de poluentes orgânicos contidos em correntes gasosas. Os reatores fotocatalíticos enfrentam duas limitações principais: transferência de massa e transferência de fótons. Essas limitações podem ser superadas por meio de mudanças no sistema de iluminação do reator e por meio de melhorias na geometria do mesmo. Neste trabalho, a transferência de fótons no milireator fotocatalítico denominado NETmix é avaliada usando um algoritmo baseado na técnica conhecida como ray tracing. Este tipo de algoritmo é capaz de simular o comportamento da luz utilizando os princípios da óptica geométrica associada à técnicas de Monte Carlo. A radiação sobre uma superfície fina de catalisador de TiO2 é avaliada para vários sistemas de iluminação, considerando a posição e um número distinto de LEDs. O impacto que o sistema de iluminação tem sobre a degradação fotocatalítica de uma corrente de ar contendo n-decano é investigada e permite a determinação de um número ideal / econômico de LEDs no sistema de iluminação, bem como uma distância ideal entre os LEDs e o reator. Neste trabalho avalia-se também, através de números adimensionais, a performance do sistema fotocatalítico, determinando qual é a etapa limitante do sistema - transferência de massa ou taxa de reação - para distintas condições operacionais.

Abstract: Heterogeneous photocatalysis has gained increasing interest since the 1970s. Since then, several applications have been associated with heterogeneous photocatalysis, such as the search for alternative energy sources, organic syntheses and the treatment of liquid and gas streams. Over the past few decades, static mixers and reactors on a millimeter scale or less have gained attention. Milli- and microdevices have been used in chemical processes due to the fact that they optimize heat and mass transfer. Associated with photocatalysis, milli- and micro-reactors can be an advantageous alternative for the degradation of organic pollutants contained in gas streams. Photocatalytic reactors face two main limitations: mass transfer and photon transfer. These limitations can be overcome through changes in the illumination system of reactor and through improvements on the reactor?s geometry. In this work, the photon transfer in the NETmix milli-photoreactor is evaluated using a ray tracing algorithm. This type of algorithm is capable to simulate the behavior of light using the principals of geometrical optics associated with Monte Carlo techniques. The radiation field over a TiO2 thin catalyst surface is evaluated for several illumination systems, considering the position and a distinct number of LEDs. The impact that the illumination system has over the photocatalytic degradation of an air stream containing n-decane is investigated and allows the determination of an ideal/economical number of LEDs in the illumination system, as well as an ideal LEDs-to-reactor distance. In the current work, it is also evaluated through dimensionless numbers the performance of the photocatalytic system to determine the system bottleneck phenomena - mass transfer or reaction rate - under distinct operational conditions.