Investigação fenomenológica de reatores fotocatalíticos por integração de simulação ótica e fluidodinâmica computacional

Abstract

A pesquisa em reatores fotocatalíticos, homogêneos e heterogêneos, apresenta relevância industrial e acadêmica para a degradação de poluentes e a síntese de compostos de alto valor agregado. Entre os principais desafios, destaca-se o transporte adequado de fótons no meio reacional, essencial para a eficiência do processo e a intensificação do fenômeno fotocatalítico. Este trabalho teve como objetivo integrar simulação ótica e fluidodinâmica computacional (CFD), empregando o software COMSOL® Multiphysics, a fim de caracterizar e otimizar o desempenho de reatores fotocatalíticos intensificados. A metodologia compreendeu a reconstrução de geometrias em CAD, a simulação ótica via ray tracing (método de Monte Carlo) para determinação do fluxo de fótons e do caminho ótico efetivo, a modelagem fluidodinâmica de escoamento laminar em regime estacionário e o acoplamento com transporte de espécies diluídas, considerando a reação modelo de cicloadição [4+2] do 9,10-difenilantraceno (DPA). Os resultados indicaram que materiais distintos (vidro, PTFE, PFA) apresentaram comportamento ótico semelhante devido à proximidade de seus índices de refração, com diferenças sutis na distribuição de intensidade luminosa. A variação do raio do cilindro de LEDs helicoidal evidenciou maior eficiência fotônica em geometrias menores, ainda que com maior risco de aquecimento, reforçando a necessidade de avaliação termo-fluidodinâmica em estudos futuros. A integração entre simulação ótica e CFD demonstrou-se promissora para avaliar a conversão química e identificar modificações geométricas que aumentam a homogeneidade de iluminação e reduzem perdas. Conclui-se que a abordagem fenomenológica adotada contribui para o avanço da compreensão dos mecanismos de intensificação em reatores fotocatalíticos e para a formação de recursos humanos capacitados em modelagem computacional, além de fornecer subsídios para a otimização e o escalonamento desses sistemas em aplicações farmacêuticas e ambientais.