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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA OPERAÇÕES UNITÁRIAS III

OPERAÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA: ABSORÇÃO QUÍMICA

JOÃO PESSOA - PB

Sumário 1.

INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 3

2.

FUNDAMENTOS................................................................................................................ 3

3.

ESCOLHA DO SOLVENTE.............................................................................................. 4

4.

EQUILÍBRIO DE FASES .................................................................................................. 5

5.

EQUIPAMENTO DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA ................................................. 5

6.

MODELOS DE PROJETO ................................................................................................ 7 6.1.

PROJETO COLUNA DE PRATOS ............................................................................. 7

6.2.

PROJETO COLUNA DE ENCHIMENTO .................................................................. 9

7.

OUTROS ASPECTOS ...................................................................................................... 11

8.

CONCLUSÃO ................................................................................................................... 11

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................ 12

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1. INTRODUÇÃO As operações unitárias englobam um campo da engenharia química que é focada na operação química efetiva, ou seja, no que realmente ocorre na indústria do ponto de vista dos equipamentos e do processo em si. Essas operações agregam os dimensionamentos dos equipamentos, descrição do processo e cálculo do processo e dos mecanismos que ocorrem nos processos. Além do ponto de vista do processo, também tem as considerações econômicas e principalmente as considerações práticas do mundo real, o que aumenta o campo da aplicabilidade desse campo. A operação unitária se divide em três áreas: quantidade de movimento, troca de calor e troca de massa, similarmente aos fenômenos de transporte. A operação unitária III trata das operações unitárias que ocorrem com transferência de massa como mecanismo principal. Esses mecanismos incluem processos como destilação, extrações líquido-líquido e absorção. Neste trabalho será abordado o processo de absorção nos aspectos dos mecanismos que são responsáveis por esse processo, dos equipamentos e de projeto. 2. FUNDAMENTOS A absorção gasosa é uma operação unitária que tem como principal mecanismo a transferência de massa, como já foi citado anteriormente. Esse processo consiste na retirada de um certo gás de uma corrente de alimentação através do contato com um solvente. O gás ou mistura gasosa é absorvida ou dissolvida pelo solvente. Esse processo é realizado em colunas verticais com múltiplos estágios e recheada, afim de aumentar o contato entre as fases e aumentar a turbulência. Esse aumento de turbulência faz com que as camadas limites formadas entre as fases diminuam, o que diminui a resistência à transferência de massa e aumenta a eficiência do processo. Essa operação é utilizada para remoção de contaminantes e purificação de certos produtos químicos. Alguns exemplos de processos de absorção gasosa são na produção de diversos ácidos, purificação de misturas gasosas, remoção de compostos de enxofre, tratamento ambiental de gases de combustão, mas, principalmente, absorção de dióxido de carbono e amônia de correntes gasosa, com a finalidade de evitar que esses gases se dispersem na atmosfera.

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A operação que é inversa da absorção é chamada de stripping, na qual um componente que se encontra na fase líquida é passado para a fase gasosa. Porém, mesmo sendo contrárias, os mecanismos entre esses dois processos são os mesmos. Com relação às condições de operação, a temperatura do equipamento de absorção deve ser baixa, já que a solubilidade dos gases aumenta à medida que a temperatura diminui. Também, a capacidade de o solvente absorver o gás depende da pressão parcial do gás a ser absorvido, logo a pressão mais alta favorece a absorção. Desta forma, a regeneração ou stripping pode ser feito diminuindo a pressão ou aumentando a temperatura, o que causaria na diminuição da solubilidade do gás no solvente, ocorrendo a separação. Podemos ainda comparar a absorção e a destilação por serem processos que ocorrem em colunas e em estágios. Por outro lado, podemos apontar algumas diferenças importantes entre os processos. Enquanto na absorção a transferência de massa ocorre por absorção de um soluto gasoso que se encontra em uma corrente de gás por uma corrente líquida, que seria o solvente, na destilação ocorre a separação do componente mais volátil por causa da evaporação da mistura e condensação e evaporação parcial dos componentes menos e mais voláteis, respectivamente. Assim, podemos dizer que enquanto a destilação tem difusão molecular em ambas as direções de correntes, na absorção existe um fluxo unidirecional para a fase líquida (solvente). Além dessa diferença primordial, temos que a absorção ocorre longe do ponto de ebulição da fase líquida, enquanto na destilação temos a formação de vapores gerados pela evaporação parcial. 3. ESCOLHA DO SOLVENTE A escolha do solvente é a etapa mais importante para o projeto de uma coluna de absorção gasosa. Essa etapa influi não só no processo, mas na parte econômica do mesmo. Portanto, não podemos apenas usar conhecimento acerca dos mecanismos de separação, mas também do ponto de vista econômico. Os principais critérios de seleção de um solvente é uma alta solubilidade, baixa volatilidade, baixa viscosidade e alta seletividade. Primeiramente, quando um soluto tem alta solubilidade no solvente, o uso da quantidade de solvente é menor e mais eficiente, logo economiza-se dinheiro na compra de solvente e otimiza-se a eficiência do processo. 4

A baixa volatilidade é importante para que não haja perda de solvente durante o processo, caso o equipamento esteja em um local que a temperatura seja elevada. Também, a viscosidade do solvente deve ser baixa, preferivelmente, já que assim a queda de pressão seria menor e a eficiência do processo não seria prejudicada, além de melhorar o escoamento do processo. Por fim, a seletividade deve ser alta afim de que o mínimo possível de outros gases seja absorvido pelo solvente, além do gás desejado. Além dessas características, deve-se destacar que o solvente, assim como nos processos de extração líquido-líquido, não deve ser corrosivo, tóxico ou inflamável. Com relação à característica da absorção, o solvente pode ser classificado físico, como o metanol e o DMPG, ou químico, como o MEA, DEA e DGA. 4. EQUILÍBRIO DE FASES Quando uma mistura gasosa que contém o gás de interesse é colocada em contato com um solvente, essa concentração de gás no solvente só aumenta, até que a concentração de equilíbrio seja atingida. Esse equilíbrio é fortemente dependente da temperatura e pode ser descrito por um gráfico de curva de solubilidade. Também é fortemente dependente da pressão parcial dos componentes que estão na mistura e, principalmente, da pressão parcial do gás absorvido. Em geral, a pressão total do equipamento é de até 5 atm. 5. EQUIPAMENTO DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA A transferência de massa depende da área de transferência, coeficiente de transferência de massa e da driving-force. Assim, a transferência de massa pode ter a sua eficiência aumentada com a introdução de um recheio inerte, que aumenta a área de contato gás-líquido e aumenta a turbulência, diminuindo a resistência à transferência de massa. Também pode-se introduzir o gás na forma de bolhas, o que aumenta a área de contato entre as fases. Também, sabemos que quanto menor a concentração de soluto no solvente, maior é a driving-force para a transferência de massa, logo o processo deve ser colocado em contracorrente, fazendo com que essa driving-force seja distribuída ao longo da coluna, favorecendo o aumento da eficiência do equipamento.

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Com relação ao equipamento em si, os pratos (estágios) da coluna de absorção podem ser classificados com relação ao número de passes, geometria, diâmetro do prato, espaçamento, área ativa, número de furos e diâmetro dos furos, características do vertedouro, dentre outras. Quando se têm colunas com diâmetro pequeno, o líquido se distribui uniformemente no prato, aumentando a eficiência do mesmo. Quando temos colunas com altos valores de diâmetro, a eficiência diminui por causa de formação de caminhos preferenciais no corpo da coluna. A eficiência de um prato é calculada da mesma forma que é calculada para a coluna de destilação, ou seja, pela eficiência de Murphree. Ainda, temos os recheios que, como já dito anteriormente, aumentam a área de contato gás-líquido. Esses recheios devem, além de aumentar a área de contato entre fases, serem favoráveis na questão hidrodinâmica, ou seja, apresentarem baixa perda de carga. Além disso, esses recheios devem ser feitos de materiais inertes, como cerâmicas e vidro. A utilização de recheio é apenas feita com solventes pouco viscosos, porque o solvente deve ser capaz de ocupar os espaços vazios desse recheio. Com relação às colunas, existem alguns tipos mais comuns, como a coluna recheada, coluna com parede molhada, coluna de pratos e colunas de spray. A coluna recheada consiste em uma coluna vertical que possui um recheio inerte no seu interior por onde passam os fluidos que transferirão massa. Esse equipamento tem a vantagem de ter um alto fator de contrato entre as fases, promovendo uma alta transferência de massa, além de ser mais barata, operação mais simples e um custo de manutenção mais em conta. As desvantagens desse equipamento é que pode haver uma formação de canais preferenciais, que iriam diminuir ou até inviabilizar a operação de transferência de massa e ser limitada com relação aos fluxos de operação, não suportando altos nem muito baixos fluxos de fluidos, gasosos ou líquidos. As colunas de parede molhada consistem em uma coluna na qual um filme líquido é formado na parede da coluna, que possui uma grade para viabilizar um certo grau de turbulência. As paredes desse tipo de coluna são, geralmente, de vidro. A vantagem da utilização desse tipo de coluna é que pode operar com gases corrosivos, como ocorre no processo de síntese de ácidos. As desvantagens incluem o projeto muito complexo desse tipo de coluna e um custo de manutenção bastante elevado.

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A coluna de pratos possui o funcionamento bem similar à coluna de destilação de pratos. As vantagens desse tipo de equipamento é que este se adapta a qualquer nível de fluxo de fluidos, sejam estes altos ou baixos, e são altamente flexíveis para diversos parâmetros de operação. As desvantagens incluem quedas de pressão maiores do que as colunas recheadas, reação mais lenta no interior da coluna e a ocorrência ocasional de incrustações. Por fim, as colunas de spray funcionam com o gotejamento induzido do solvente em meio à um ambiente composto pela mistura de gases. A vantagem dessa operação é a baixa queda de pressão e a efetividade alta para solutos com alta solubilidade na fase líquida, já que se a solubilidade for baixa, a transferência de massa ocorrerá com baixa eficiência. Algumas desvantagens é essa baixa transferência de massa, baixo tempo de residência e um alto custo de bombeamento. 6. MODELOS DE PROJETO Para o projeto de colunas de absorção são utilizados dois modelos, o de coluna com recheio e coluna com pratos. 6.1.

PROJETO COLUNA DE PRATOS O método utilizado para a estimação dos pratos é o McCabe e Thiele. Temos o

seguinte desenho para a configuração da coluna:

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A fração de soluto a se recuperar é dado por: 𝑓=

𝐺𝑁+1𝑌𝑁+1 −𝐺1 𝑌1

𝑓=

𝐿0 𝑥0 −𝐿𝑁 𝑥𝑁

𝐺𝑁+1𝑌𝑁+1 𝐿0 𝑥0

. : . 𝒀𝟏 = (𝟏 − 𝒇)𝒀𝑵+𝟏

. :. 𝑿𝑵 = 𝑿𝟎 (𝟏 − 𝒇)

(absorção) (desabsorção)

A linha de operação da coluna de absorção de pratos em qualquer seção é dada por:

𝒀𝑵+𝟏 =

𝑳𝒔 𝑳𝒔 𝑿𝒏 + 𝒀𝟏 − 𝑿 𝑮𝒔 𝑮𝒔 𝟎

Para o número de pratos, utiliza-se o método de McCabe e Thiele parecido com o que é usado tipicamente em colunas de destilação. Pelos balanços de massa: 𝐿𝑠,min 𝑌𝑁+1 − 𝑌1 = 𝑋0 − 𝑋𝑁 𝐺𝑠 e 𝐿𝑠

𝐺𝑠,min

=

𝑌1,𝑚𝑎𝑥 − 𝑌𝑁+1 𝑋0 − 𝑋𝑁

Logo:

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6.2.

PROJETO COLUNA DE ENCHIMENTO Para colunas recheadas temos o seguinte esquema:

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A fração de soluto a se recuperar é dado por: 𝑓=

𝐺1 𝑌1 −𝐺2 𝑌2

. : . 𝒀𝟐 = (𝟏 − 𝒇)𝒀𝟏

𝑓=

𝐿2 𝑥2 −𝐿1 𝑥1

. :. 𝑿𝟏 = 𝑿𝟐 (𝟏 − 𝒇)

𝐺1 𝑌1

𝐿2 𝑥2

(absorção) (desabsorção)

A linha de operação da coluna de absorção de pratos em qualquer seção é dada por:

𝒀=

𝑳𝒔 𝑳𝒔 𝑿 + 𝒀𝟏 − 𝑿 𝑮𝒔 𝑮𝒔 𝟏

Para o número de pratos, utiliza-se o método de McCabe e Thiele parecido com o que é usado tipicamente em colunas de destilação. Pelos balanços de massa: 𝐿𝑠,min 𝑌1 − 𝑌2 = 𝑋1,𝑚𝑎𝑥 − 𝑋2 𝐺𝑠 e 𝐿𝑠

𝐺𝑠,min

=

𝑌2,𝑚𝑎𝑥 − 𝑌1 𝑋2 − 𝑋1

Mesmo o processo em contracorrente sendo mais eficiente, algumas vezes pode-se utilizar processos em co-correntes em alguns tipos de associação de colunas:

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7. OUTROS ASPECTOS A altura de uma torre de recheio é calculada a partir da análise de troca de massa, onde analisamos os valores das frações molares nas extremidades e no equilíbrio, o coeficiente de transferência de massa, o fluxo de soluto gasoso sendo absorvido e a pressão parcial deste. Desta forma, teremos que: 𝐻𝑟𝑒𝑐ℎ𝑒𝑎𝑑𝑎 =

𝑌𝑓 − 𝑌0 𝑁𝐴 ; 𝑌𝐿𝑀 = 𝑌 𝐾𝐺 𝑎 ∗ 𝑃𝐴 ∗ 𝑌𝐿𝑀 ln ( 𝑓 ) 𝑌0

O valor de 𝐾𝐺 𝑎 é o coeficiente de transferência de massa convectivo global da fase gasosa vezes a área interfacial do equipamento, que é dado por correlações específicas do equipamento. 8. CONCLUSÃO Com o que foi exposto nesse trabalho, foi possível analisar diferentes fatores acerca da operação de absorção gasosa por solvente líquido e entender como o mecanismo funciona. Também se estudou os tipos de equipamentos que promovem essa operação, quais as influências dos tipos de equipamentos e como uma operação de absorção deve ser projetada. Além disso, vimos um pouco sobre o projeto das colunas de absorção de pratos, a qual se assemelha bastante da coluna de destilação com pratos, e a coluna de absorção recheada.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Site: < http://www.separationprocesses.com/Absorption/GA_Chp03.htm>. Acesso em: 27 de outubro de 2018. Site: < http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=35 &Itemid=152>. Acesso em: 27 de outubro de 2018.

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