Absorção Gasosa: Processo e Dimensionamento

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Absorção gasosa 
Absorção gasosa- definição 
A absorção de gases - “Scrubbing” é um processo com o 
qual se pretende remover preferencialmente um ou mais 
componentes de uma mistura gasosa por contacto com 
uma corrente líquida onde esses componentes se 
dissolvem. 
 
 
A operação inversa chama-se Desabsorção - “Stripping”, 
na qual um componente dissolvido num líquido passa 
para a fase gasosa. 
ABSORÇÃO / DESABSORÇÃO 
 
Principais aplicações 
 Separar misturas gasosa 
 Remover impurezas /contaminantes 
 Concentração de gases 
 Remover poluentes 
 Purificar catalisadores 
 Recuperar produtos químicos de elevado valor 
comercial 
 Remoção de odores e gostos da água 
Exemplo: Absorção de CO2 por solução 
aquosa de uma amina 
Absorção gasosa/ Desabsorção 
(a): Absorção 
 o gás transportador (ou 
diluente) A é insolúvel no 
solvente C. 
 
(b): Desabsorção 
 o diluente A é não-volátil 
 
SELEÇÃO DO SOLVENTE (ABSORVENTE) 
O Solvente ideal deverá: 
 Ter uma solubilidade elevada em relação ao soluto, 
minimiza a quantidade de solvente utilizada 
 Ter uma baixa volatilidade, reduz as perdas e facilita a 
recuperação do solvente 
 Ser estável, aumenta o tempo de vida do solvente, 
reduz as necessidades de make-up 
 Não corrosivo, materiais de construção comuns 
 Baixa viscosidade, para reduzir as perdas de carga, 
aumenta a velocidade de transferência de calor e massa 
 Não gerar espuma quando em contacto com o gás para 
não aumentar as dimensões do absorvedor 
 Estar disponível dentro do mesmo processo mais 
económico 
Escolha do solvente 
 
 
 
 
 
Solventes 
mais 
utilizados 
Diluentes 
mais 
utilizados 
água 
Hidrocarbonetos 
líquidos 
Soluções aquosas 
de ácidos e bases 
Hidrocarbonetos 
gasosos 
Vapor água 
ar 
Gases inertes 
Condições operatórias: 
• Alimentação do gás (caudal) 
• Extensão pretendida para a absorção do soluto 
• Pressão e Temperatura operatórias 
• Composição do absorvente 
 
Dimensionar: 
• Condições limites: número de andares de equilíbrio e 
caudal de solvente mínimos 
• Caudal de solvente e o número de andares 
ABSORÇÃO / DESABSORÇÃO 
 
 
 
Dimensionamento 
• Métodos Gráficos e Analíticos 
– Métodos para misturas diluídas (em termos de soluto) 
– Situação isotérmica (despreza-se a troca de energia) 
• No caso de misturas concentradas 
– Não é pratico usar métodos gráficos, usam-se métodos 
computacionais (eq. Multicomponente /transferência de massa 
e/ Transferência de energia) 
ABSORÇÃO / DESABSORÇÃO 
 
Método Gráfico - método de McCabe-Thiele 
Aplicado a : 
 
• Coluna de Pratos 
• fluxo em contra-corrente 
• Operação em contínuo 
• Operação em condições isobáricas e isotérmicas 
• Operação em estado estacionário 
Condições de aplicação do método de McCabe-Thiele 
 Equilíbrio entre as fases em cada prato (V e L) 
 Cada prato é um andar de equilíbrio 
 O único componente transferido é o soluto 
 Os caudais de gás (Gs) e líquido (LS) permanecem 
constantes 
 Não há vaporização do solvente para o gás arrastador 
(diluente) 
 Não há absorção para o líquido 
Método de McCabe-Thiele 
Curva de equilíbrio 
• Determinada pelo modelo teórico ( trata-se de uma 
curva ,não é linear mas passa pela origem). 
 
 Recta operatória 
• Condições terminais da coluna (Topo e Base): As 
correntes de entrada, saída e as razões molares do 
solutos estão agrupados em pares. 
Dados do equilíbrio de fases: 
• Gráficos das composições do soluto no vapor em função das 
composições do soluto no líquido 
 
• Para soluções diluídas -Lei de Henry: 
𝑝𝐵 = 𝑥𝐵𝐻𝐵 
 
𝑥𝐵- fracção molar do soluto B que se dissolveu no líquido 
𝐻𝐵-constante de Henry do soluto B no solvente líquido 
𝑦𝐵 = 
𝑝𝐵
𝑝
 
𝑦𝐵 =
𝐻𝐵
𝑝
𝑥𝐵 → Equação de uma recta na representação gráfica da 
composição do soluto na fase gasosa, yB em função da composição do 
soluto na fase líquida, xB 
 
Método de McCabe-Thiele 
 
Processos de separação por absorção/desabsorção: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• p1> p2* : soluto é transferido da fase 
gasosa para a fase líquida até 
atingir a curva de equilíbrio em 2 
• diminui a pressão parcial do soluto 
(de p1 para p2*) 
• aumenta a sua concentração na 
fase líquida (de x1 para x2) 
• linha operatória acima da linha de 
equilíbrio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• p3< p3* : soluto é transferido da 
fase líquida para a gasosa até 
atingir o equilíbrio em 4 
• aumenta a pressão parcial do 
soluto (de p3 para p4*) 
• diminui a sua concentração na 
fase líquida (de x3 para x4) 
• linha operatória abaixo da linha de 
equilíbrio. 
Linha operatória da absorção 
• Balanços de massa efectuados com base nos caudais de gás 
diluente, 𝐺𝑠 e de solvente, 𝐿𝑠, puros 
𝐺𝑠 = 1 − 𝑦 𝐺 
𝐿𝑠 = 1 − 𝑥 𝐿 
 𝐿 e 𝐺 - caudais molares totais de líquido (moles (solvente+soluto)/ 
unidade tempo) e de gás (moles diluente gasoso+soluto)/unidade 
tempo) 
 
 Para soluções diluídas, considera-se: 
– A entalpia de absorção é desprezável 
– A coluna é isotérmica e isobárica 
– O solvente líquido é não volátil 
– O gás diluente é insolúvel no solvente líquido 
 
Nº de andares de equilíbrio- Método de 
McCabe-Thiele 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Para soluções concentradas 
 
• Caudais totais de gás e do líquido não são constantes 
Linhas operatórias curvas em vez de rectas 
 
• BM de soluções concentradas 
Caudais do solvente Ls e do diluente Gs, puros : são constantes 
 
• BM ao soluto: definições de razões molares (ou mássicas) 
 
𝑋 =
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑢𝑟𝑜
=
𝑥
𝑥 − 1
 
 
𝑌 =
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑛𝑜 𝑔á𝑠
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑔á𝑠 𝑑𝑖𝑙𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜
=
𝑦
𝑦 − 1
 
 
𝐺𝑁+1 = ⋯ = 𝐺𝑗 = ⋯ = 𝐺1 = 𝐺𝑠 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 
𝐿𝑁 = ⋯ = 𝐿𝑗 = ⋯ = 𝐿0 = 𝐿𝑠 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 
0 ≤ 𝑥 ≤ 1 
0 ≤ 𝑋 ≤ ∞ 
𝐺𝑠 = 1 − 𝑦 𝐺 =
𝐺
1 + 𝑌
 
𝐿𝑠 = 1 − 𝑥 𝐿 =
𝐿
1 + 𝑋
 
BM no topo da coluna de absorção: 
 
𝑌𝑗+1𝐺𝑠 + 𝑋0𝐿𝑠 = 𝑌1𝐺𝑠 + 𝑋𝑗𝐿𝑠 
 
Resolvendo em ordem a 𝑌𝑗+1, vem a equação da linha operatória da absorção 
 
𝑌𝑗+1 =
𝐿𝑠
𝐺𝑠
𝑋𝑗 + (𝑌1 −
𝐿𝑠
𝐺𝑠
𝑋0) 
 
É uma recta de: 
Declive=
𝐿𝑠
𝐺𝑠
 e o. Origem =(𝑌1 −
𝐿𝑠
𝐺𝑠
𝑋0) 
 
 
 
 
 
Absorção 
Sequência para determinação do nº de andares de 
equilíbrio pelo método McCabe-Thiele 
• Representar os dados de equilíbrio líquido-vapor, Y em função de X, 
convertendo previamente, se necessário, as fracções molares em razões 
molares. 
• Marcar os pontos (que, em problemas de absorção são geralmente 
conhecidos), X0, YN+1, Y1 e Ls/Gs 
• Marcar o ponto (X0, Y1) que está sobre a linha Operatória pois representa 
correntes de passagem. 
• Traçar a linha operatória com o declive Ls/Gs. 
• Começando pelo topo da coluna, isto é, pelo ponto (X0, Y1), traçar os andares 
de equilíbrio, alternando, como de costume, entre a linha operatória e a linha 
de equilíbrio de fases. 
• Na linha de equilíbrio líquido-vapor, contar o número de andares de equilíbrio. 
• Para sistemas muito diluídos (concentrações de soluto inferiores a 1%) 
podemos usar fracções molares ou mássicas (x, y) em vez das razões molares 
ou mássicas (X, Y) e caudais molares ou mássicos totais de líquido e de gás (L, 
G) em vez de caudais molares ou mássicos de líquido e de gás isentos de 
soluto (Ls, Gs). 
 
condições limites: Caudal mínimo necessário para 
absorção 
O declive recta dá o valor de (Ls/Gs)mínimo. 
Na prática, tomamos o declive da linha operatória como 1.2 - 1.5 vezes 
superior ao valor do declive mínimo: 
(Ls/Gs)op= 1.2 (Ls/Gs)min 
𝑌𝑗+1 =
𝐿𝑠
𝐺𝑠
𝑋𝑗 + (𝑌1 −
𝐿𝑠
𝐺𝑠
𝑋0) 
desabsorção 
Absorção/ desabsorção 
Diagrama de McCabe-Thiele para um absorvedor de uma 
solução diluída 
 Linhas de equilíbrio líquido-vapor eoperatória são rectas 
paralelas 
 Linhas de equilíbrio líquido-vapor e operatória 
não são rectas paralelas 
exercício 
 
Um absorvedor vai recuperar 97% de álcool etílico de uma 
corrente proveniente de uma fermentação, a qual tem um 
caudal de 180 kmol/h com 98% de CO2, a 30ºC e 110 kPa 
numa coluna de pratos, isobárica e isotérmica, sendo o 
seu caudal 50% superior ao caudal mínimo. 
a) Calcule o número de andares de equilíbrio. 
Dados: 
-Pressão de vapor do álcool etílico a 30ºC: 10,5kPa. 
-Coeficiente de actividade a diluição infinita do álcool etílico 
em água a 30ºC: 𝛾∞ =6,0 
 
Pretende-se usar uma torre de absorção, para recuperar 
90% do amoníaco de uma corrente gasosa ar-amoníaco, 
com 20% molar de amoníaco, ao caudal de 100 mole/h, 
usando água líquida como absorvente. 
A separação será realizada à pressão atmosférica e a 20ºC. 
Nas condições de operação, considera-se que a água não 
se evapora e que o ar não se dissolve na corrente líquida. 
Os dados de equilíbrio do sistema amoníaco/água/ar a 20ºC 
e 1 atm, são fornecidos na tabela seguinte: 
 
a) Determine o caudal mínimo de água a utilizar. 
b) Para um caudal de água 40% superior ao mínimo, 
calcule o número de andares ideais, para realizar a 
separação pretendida. 
 
 
Dados de equilíbrio do sistema amoníaco/água/ar a 20ºC e 1 atm