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Keywords:

  • Acid Red 27;
  • azo dyes;
  • ozonation;
  • kinetic rate constants;
  • mass-transfer coefficient;
  • gas–liquid reactions;
  • reactor design;
  • reactor scale-up

Abstract

The design of a semibatch bubble column reactor with its mathematical description is proposed for the study of ozonation reactions. The mathematical model used to describe the gas–liquid mass transfer rate in the reactor is based on the unstationary film theory and the resulting model is theoretically analysed to identify its relevant parameters. After its structural identifiability analysis, the parameters are reduced to five, that is, the gas hold-up, the ratio of diffusivities of the reacting species, the volumetric mass transfer coefficient and two time constants related with the kinetic rate constant. From the sensitivity analysis of this reduced model, we conclude that it is not sensible to the gas hold-up and the diffusivity ratio of the reacting species for optimization purposes in moderate and slow kinetic regimes. The model is tested with the reaction between the ozone and the azo-compound Acid Red 27. The experimental data match quite well the model allowing the estimation of the volumetric mass transfer coefficient together with the kinetic constant. The kinetic rate constant for the direct reaction between the ozone and the Acid Red 27 is estimated in k2 = 3723 ± 127 M−1 s−1 at 21.2 ± 0.5°C. The self-coherence of the model, the absence of hypothesis about the state of the film together with the proposed optimization procedure, allows to consider the proposed methodology as a viable alternative for the study of gas–liquid systems in semi-batch bubble columns reactors in comparison with classical approaches.

La conception d'un réacteur semi-continu de type colonne à bulles avec sa description mathématique est proposée pour l'étude des réactions d'ozonation. Le modèle mathématique utilisé pour décrire le taux de transfert de masse gaz–iquide dans le réacteur est fondé sur la théorie des pellicules en régime instationnaire et une analyse théorique du modèle en résultant est faite pour identifier ses paramètres pertinents. Après l'analyse d'identifiabilité structurale, les paramètres sont réduits à cinq, c.-à-d., la retenue de gaz, le rapport de diffusivité des espèces en réaction, le coefficient volumétrique de transfert de masse et deux constantes de temps liées à la constante du taux cinétique. À partir de l'analyse de sensibilité de ce modèle réduit, nous concluons qu'il n'est pas sensible à la retenue de gaz et au rapport de diffusivité des espèces de réaction pour les besoins d'optimisation. Le modèle est examiné par rapport à la réaction entre l'ozone et l'azocomposé acide rouge 27. Les données expérimentales s'accordent tout à fait au modèle permettant l'estimation du coefficient volumétrique de transfert de masse ainsi que de la constante cinétique. La constante de taux cinétique pour la réaction directe entre l'ozone et l'acide rouge 27 est estimé à k2 = 3723 ± 127 1/(M.s) à 21,2 ± 0,5°C. L'auto-cohérence du modèle, l'absence d'hypothèse relative à l'état de la pellicule, ainsi que le processus d'optimisation proposé, nous permettent de considérer la méthodologie proposée comme une alternative viable pour l'étude des systèmes gaz-liquides dans des réacteurs semi-continus de type colonne à bulles comparée aux approches classiques.