Torres de Spray trabalho

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UNIDADE CENTRAL DE EDUCAÇÃO FAEM FACULDADES LTDA – UCEFF 
FACULDADE EMPRESARIAL DE CHAPECÓ – FAEM 
CURSO Engenharia Química 
PERÍODO 7º 
DISCIPLINA Fenômenos de Transportes III 
PROFESSOR Prof. (a): Vaniele Bugoni Martins 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
OPERAÇÕES E TIPOS DE EQUIPAMENTOS DE TRANSFERÊNCIA DE 
MASSA - TORRES DE SPRAY 
 
 
 
 
 
 
ANA CRISTINA BASSANI 
CAMILA DE MICHELI 
GUILHERME CAVALLI 
MAIARA VENANCIO 
PÂMELA PASQUALI 
 
 
 
 
 
 
CHAPECÓ/SC,2020 
1. INTRODUÇÃO 
 
As Torres de Spray, são câmaras espaçosas dentro das quais escoa a fase gasosa, 
denominada fase contínua. A fase líquida é introduzida por meio de atomizadores na 
forma de spray, caindo por gravidade em contracorrente com o gás e por ser constituída 
de gotas, é denominada dispersa. Pequenas gotas proporcionam maior área interfacial de 
contato, através da qual ocorre o fenômeno de transferência. Este equipamento está 
representado na Figura 1 (CREMASCO, 2015). 
 
Figura 1 – Torre de Spray 
 
Fonte: Cremasco (2015). 
 
O processo de absorção é uma operação na qual uma fase gasosa é posta em 
contato com uma fase líquida, com o objetivo de transferir um ou mais componentes da 
fase gasosa para a fase líquida, constituindo-se assim um processo de separação 
(REVELLO, 1998). 
A absorção de gases visa retirar um ou mais componentes de uma mistura de gases 
pelo contato direto com um líquido. A remoção de um componente (CO2, SO2, NH3, Cl2) 
de um gás para um líquido pode ocorrer por meio de: dissolução simples do componente 
da fase gasosa para a fase líquida; reação química entre o componente e algum reagente 
na fase líquida, com o produto da reação a permanecer na fase líquida (ALBUQUERQUE, 
2016). 
Os processos de absorção e dessorção são amplamente adotados na indústria em 
geral. O ácido clorídrico é produzido pela absorção do cloreto de hidrogênio gasoso em 
água. A fermentação aeróbica dos iodos de esgoto exige a absorção de oxigênio da 
corrente de ar. A carbonatação das bebidas refrigerantes envolve a absorção de dióxido 
de carbono, ocorrendo uma certa dessorção quando se abre a garrafa e a pressão é reduzida 
(REVELLO, 1998). 
Muitos são os tipos de colunas utilizadas nos processos de absorção gás-líquido, 
sendo as mais importantes: as colunas tipo “spray”, as colunas de bolhas, as colunas 
empacotadas e as colunas de parede molhada. O uso de uma ou outra depende em grande 
parte da solubilidade dos componentes de interesse da fase gasosa na fase líquida ou vice-
versa, e da resistência à transferência de massa imposta pelas fases (REVELLO, 1998). 
Quando tem-se um sistema envolvendo um gás altamente solúvel na fase líquida, 
e a resistência da fase gasosa controla o processo de transferência de massa, utiliza-se 
torre de spray. Sendo a fase gasosa contínua e a fase líquida dispersa, além disso, 
pequenas gotas proporcionam maior área interfacial de contato. Faz-se necessário atentar-
se a um fator, as gotas não devem ser demasiadamente pequenas, pois correm risco de 
serem arrastadas pela corrente gasosa (ALBUQUERQUE, 2016). 
O presente trabalho tem por objetivo, realizar uma pesquisa bibliográfica sobre o 
equipamento Torre de Spray, visando explicar o seu funcionamento, os conceitos 
relacionados a transferência de massa, além de sua aplicação e utilização na indústria. 
 
2. FUNCIONAMENTO DO EQUIPAMENTO 
 
As torres de Spray são caracterizadas como um modelo de equipamento 
absorvedor, amplamente utilizado na lavagem de gases. Nela o fluxo de gás contendo 
poluentes é introduzido em uma câmara (podendo esta ser vertical ou horizontal) onde 
entra em contato com gotículas líquidas formadas por bicos de pulverização. Estes 
lavadores também são conhecidos como lavadores de pulverização, uma vez que o líquido 
é formado em gotículas antes do contato com a corrente de gás. O tamanho dessas 
gotículas é regulado para maximizar o contato líquido-gás e, consequentemente, a 
eficiência da coleta de poluentes. Um lavador de gases tipo torre de spray operando de 
forma otimizada é aquele que apresenta elevadas taxas de remoção de poluentes por área 
de lavagem disponível. A Figura 2 exibe um esquema construtivo de uma Torre de Spray 
Vertical, na qual a corrente de gás contaminada entra pela parte inferior e a sua exaustão 
acontece pela parte superior da torre (FERREIRA, 2018). 
Figura 2 – Torre de spray 
 
Fonte: Lisboa (2014). 
 
As torres de aspersão, ou “spray” são utilizadas tanto para particulados como para 
gases. Na coleta de material particulado bicos pulverizados atomizam o líquido do alto 
da torre, formando pequenas gotas que servem como coletoras das partículas presentes 
no gás carreador, por meio do mecanismo de impactação, basicamente. Quanto maior for 
o espalhamento das gotas, maior a possibilidade de ela se chocar com a partícula, 
portanto, uma pulverização eficiente é fundamental para uma coleta bem-sucedida. As 
torres de spray designadas para coleta de material particulado só são justificáveis se as 
partículas presentes no gás carreador forem inflamáveis ou se o gás carreador for 
inflamável, pois, por ser um aparelho úmido, consegue operar bem nessas condições. 
Todavia, são ineficientes para a coleta de material particulado menor que 10 µm, pois 
surge outro problema: a formação de um lodo, no fundo da torre, que precisa ser tratado 
posteriormente para poder ser descartado, em decorrência da mistura do liquido 
pulverizado com as partículas solidas presentes no gás, configurando mais um problema 
e custo para o processo (GUIMARÃES, 2016). 
Podem operar em regime de fluxo contracorrente e concorrente. O contato entre o 
gás e o líquido é feito através da superfície de gotas (atomização) formadas. Os 
parâmetros mais importantes são: granulometria do particulado, velocidade do gás, razão 
líquido-gás e o comprimento do lavador (LISBOA, 2014). Estes parâmetros podem variar 
dependendo do regime de fluxo (Quadros 1 e 2). 
 
Quadro 1 – Parâmetros de funcionamento para torre “spray” em fluxo concorrente 
Diâmetro do particulado [µm] 2,5 – 4,0 
Diâmetro gotículas spray [µm] 700 – 900 
Comprimento do lavador [ft] 35 – 45 
Velocidade do gás [ft.s-1] 18 – 22 
Fonte: Adaptado de Lisboa (2014). 
 
Quadro 2 – Parâmetros do projeto para torre spray em fluxo contracorrente 
Diâmetro gotículas spray [µm] 700 – 1420 
Comprimento do lavador [ft] 8 – 16 
Velocidade do gás [ft.s-1] 9 – 11 
Fonte: Adaptado de Lisboa (2014). 
 
São comumente utilizadas em plantas de dessulfurização, com o objetivo de 
capturar SO2 por meio do mecanismo de absorção. Das torres absorvedoras, as torres de 
spray são as que tem o funcionamento mais simples, mais barato e de fácil operação, 
quando comparadas com as demais (GUIMARÃES, 2016). 
 
3. TRANSFERÊNCIA DE MASSA ATRAVÉS DA ABSORÇÃO GASOSA 
 
Os processos de transferência de massa em torres de absorção gasosa são áreas 
extremamente importantes para o ramo industrial, principalmente em virtude da 
simplicidade de construção experimental e na determinação da área de contato gás-
líquido. 
Nessas colunas, o processo de transferência de massa ocorre através da convecção 
forçada, em que o escoamento do fluido e a difusão ocorrem em condições tais que o 
campo de velocidade é considerado como praticamente independente do processo 
difusivo. Logo, considera-se que a absorção de um certo gás (A) por um líquido (B), que, 
como um filme delgado, escoa ao longo de uma placa plana vertical (BIRD et al., 2009). 
E ainda, torna-se necessário considerar também que a espécie A é apenas 
parcialmente solúvel em B, ou seja, a viscosidade de B pode ser considerada constante. E 
ainda, segundo Revello (1998) o processo de transferência de massa depende da 
solubilidade dos componentes de interesse na fase líquida ou gasosa. Isso porque, com 
gases altamente solúveis e com resistência na fase gasosa, normalmentequem controla o 
processo é fase gasosa. 
Mas o processo de transferência de massa nas torres de absorção gasosa só é 
efetivo porque tem-se um contato íntimo entre as fases líquida e gasosa, permitindo a 
difusão das espécies químicas entre as fases constituídas. Sendo assim, agora será descrito 
como ocorre o processo de transferência de massa em uma coluna de absorção gasosa, de 
acordo com Bird et al. (2009), com base na figura 3.1. 
 
Figura 3.1: Absorção de um gás por uma coluna com líquido descendente. 
 
Fonte: Bird et al., 2009. 
 
Primeiramente, para o perfil de velocidade do líquido, considera-se que não ocorre 
transferência de massa, logo, o mesmo é dado por: 
 
𝑉𝑧(𝑥) = 𝑣𝑚á𝑥 [1 − (
𝑥
𝛿
)
2
] (1) 
 
Sabendo os efeitos nas pontas e nos terminais são desprezados. 
Considerando um balanço de massa para espécie A, pode-se nota de CA é função 
tanto de x, quando de y, como demonstra a figura 3.1. Isso significa que o volume de 
fluído é formado pela intersecção de Δx e Δz. Sendo assim, o balanço de massa no filme 
líquido com uma largura (W) é: 
𝑁𝐴𝑧|𝑧𝑊𝛥𝑥 − 𝑁𝐴𝑧|𝑧+𝛥𝑧𝑊𝛥𝑥 + 𝑁𝐴𝑥|𝑥𝑊𝛥𝑧 − 𝑁𝐴𝑥|𝑥+𝛥𝑧𝑊𝛥𝑧 = 0 (2) 
 
Dividindo a eq. (2) por WΔxΔz, considerando que o volume tende a zero: 
 
𝑑𝑁𝐴𝑧
𝑑𝑧
+
𝑑𝑁𝐴𝑥
𝑑𝑥
= 0 (3) 
 
Adaptando esta equação para o fluxo molar de A, tem-se: 
 
𝑁𝐴𝑧 = −𝐷𝐴𝐵
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑧
+ 𝑥𝐴(𝑁𝐴𝑧 + 𝑁𝐵𝑧) ≈ 𝑐𝐴𝑣𝑧(𝑥) (4) 
 
Primeiramente, pode-se descartar o termo sublinhado, em decorrência de o 
transporte de A em z ser predominantemente feito por convecção, o que significa que V 
é praticamente igual a V*, significando que o fluxo de A em x é dado por: 
 
𝑁𝐴𝑥 = −𝐷𝐴𝐵
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑥
+ 𝑥𝐴(𝑁𝐴𝑥 + 𝑁𝐵𝑥) ≈ −𝐷𝐴𝐵
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑥
 (5) 
 
Novamente, o termo em destaque da eq. (5) pode ser descartado, em razão de o 
transporte de massa por ação convectiva em x ser praticamente nulo. Considerando DAB 
constante, e combinando (5) com (3) e (4): 
 
𝑉𝑧
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑥
= 𝐷𝐴𝐵
𝜕2𝐶𝐴
𝜕𝑥2
 (6) 
 
Inserindo o perfil de velocidade, dado pela eq. (1): 
 
𝑣𝑚á𝑥 [1 − (
𝑥
𝛿
)
2
] = 𝐷𝐴𝐵
𝜕2𝐶𝐴
𝜕𝑥2
 (7) 
 
Essa é a equação diferencial para CA(x,z). 
Em um primeiro momento, pode-se estabelecer as seguintes condições de 
contorno: 
 
CC1: z=0; CA=0 
CC2: x=0; CA=CA0 
CC3: x=δ; 
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑥
 
 
E considerando, é claro, que se tem um tempo de contato curto dentro da torre. 
Porém, voltando a figura 3.1, percebe-se que A penetra apenas em uma pequena 
distância dentro do filme líquido, sendo assim, para A, o filme escoa em 𝑣𝑚á𝑥. E ainda, 
essa entrada de A é restringida a região próxima da interface líquido-gás, longe da parede, 
onde x=δ. 
Se o filme tivesse uma espessura infinita, com um 𝑣𝑚á𝑥, o material difundido não 
conseguiria notar essa diferença. Sugerindo, que para eq. (7), pode-se obter um resultado 
bastante apropriado mudando as condições de contorno para: 
 
CC1: z=0; CA=0 
CC2: x=0; CA=CA0 
CC3: x=∞; CA=0 
 
A solução da equação (7) com essas condições de contorno é: 
 
 𝐶𝐴 
𝐶𝐴0
= 1 −
2
√𝜋
∫ 𝑒𝑥𝑝 (−𝜉2)𝜕𝜉
𝑥/√
4𝐷𝐴𝐵𝑧
𝑣𝑚á𝑥
0
 (8) 
 
Uma vez conhecido os perfis de concentração, o fluxo mássico fica: 
 
𝑁𝐴𝑥|𝑥=0 = −𝐷𝐴𝐵
𝑑𝐶𝐴
𝑑𝑥
= 𝐶𝐴0√
𝐷𝐴𝐵𝑣𝑚á𝑥
𝜋𝑧
 (9) 
 
Sabendo que o fluxo molar está sendo absorvido pelo filme líquido de 
comprimento L e largura W, tem-se: 
 
𝑊𝐴 = ∫ ∫ 𝑁𝐴𝑥|𝑥=0𝑑𝑧𝑑𝑦 = 𝑊𝐿𝐶𝐴0√
4𝐷𝐴𝐵𝑣𝑚á𝑥
𝜋𝐿
𝐿
0
𝑊
0
 (10) 
 
Sendo assim, a equação (10) monstra claramente que a taxa de transferência de 
massa em uma torre de absorção gasosa é diretamente proporcional à raiz quadrada da 
difusividade e inversamente proporcional à raiz quadrada do tempo de contato dentro da 
mesma. Essa relação foi estabelecida, segundo Revello (1998) por Higbie em 1935, e 
significa que um elemento de volume de um líquido B entra em contato com o gás por 
um tempo suficiente para que o gás A, que se difunde, consiga alcançar o lado posterior 
do elemento de volume de controle, considerando o tempo constante para todos os 
volumes de controle do líquido. 
 
 4. APLICAÇÕES NA INDUSTRIA 
 
A lavagem por spray líquido é um dos mais eficazes processos empregados na 
coleta de materiais particulados e poluentes gasosos solúveis de correntes gasosas. 
Existem várias configurações de lavadores e sistemas de lavagem projetados para permitir 
o contato eficiente entre o líquido de lavagem e o gás contaminado, para efetiva captura 
das partículas ou gases poluentes, como torres de recheio, torres spray, hidro ciclones, 
lavadores Venturi, etc. (Vallero, 2008). 
O presente equipamento pode ser empregado na limpeza de gases provenientes de 
industrias químicas, como por exemplo uma fábrica de ácido fosfórico, contendo 
compostos gasosos de flúor e sílica na forma de material particulado. 
Segundo Krebs (2002) o ácido fosfórico é o resultado da reação do fosfato contido 
na rocha fosfática com ácido sulfúrico. Nos gases gerados há principalmente vapor de 
água, dióxido de carbono, material particulado na forma de sílica e compostos fluorados. 
O flúor é uma substância poluente e prejudicial tanto ao meio ambiente como à saúde 
humana e animal e precisa ser removido da corrente gasosa (Manahan, 1999). A sílica, 
embora inerte, precisa ser removida da corrente gasosa pois contribui na emissão de 
material particulado acima do limite permitido pela legislação brasileira. 
Logo a utilização de uma torre de spray, para esse tipo de processo é de suma 
importância para a remoção dos poluentes e partículas indesejadas, pois para a lavagem 
de partículas dispersas em gases as torres de spray têm uma excelente eficiência com até 
99,5%. 
A indústria siderúrgica pode ser outra aplicação para o nosso equipamento, pois 
as principais emissões atmosféricas provenientes das várias unidades operacionais que 
compõe a indústria siderúrgica são constituídas de material particulado, óxidos de 
nitrogênio, óxidos de enxofre, monóxido de carbono, metais pesados, compostos 
orgânicos voláteis, compostos cíclicos aromáticos, dioxinas e furanos, bifenilas 
policloradas e compostos ácidos. 
Um dos equipamentos utilizados no abatimento de alguns dos compostos acima 
citados, são as torres de spray. Nas indústrias de alumínio e siderúrgica é utilizado para a 
absorção de dióxido de enxofre (SO2). 
Agentes alcalinos de absorção (soluções ou suspensões) são pulverizados no fluxo 
de gás, para que através do contato entre eles o gás seja dessulfurizado. A utilização de 
água pura nos lavadores é possível, mas isto implica em baixa eficiência de remoção. 
No processo de limpeza úmida, cal e calcário são as substâncias mais amplamente 
usadas para a remoção de SO2 em lavadores de gás, mas MgO e Na2CO3 podem também 
serem usados. 
Este processo baseia-se na absorção de SO2 em uma solução de absorção com 
calcário, onde o calcário é dissolvido e o SO2 absorvido. 
A previsão da taxa de dissolução do calcário é importante para o projeto e 
operação de plantas de dessulfurização. A taxa de dissolução do calcário afeta, por 
exemplo, a relação entre a alcalinidade do líquido e do sólido, a relação entre tempo de 
residência no tanque de reação e a taxa de transferência de massa do SO2 dentro da zona 
de nebulização. Todos esses fatores afetam o capital e custos de operação de uma unidade 
de dessulfurização. (Brogren e Karlsson, 1997). 
As torres de spray apresentam um bom rendimento para esse tipo de aplicação 
cerca de 80 a 95% de eficiência. 
Nosso equipamento, tem algumas vantagens como um custo não muito elevado e 
facilidade de operação, habilidade de remover com alta eficiência material particulado, 
não suscetível a entupimento dos bicos (utilizando água), por exemplo, porem em 
contrapartida, é bastante vulnerável a corrosão, tem um grande consumo de agua e o 
efluente da lavagem precisa ser tratado para voltar ao processo e/ouambiente, o que pode 
elevar o custo da operação. 
 
5. CONCLUSÃO 
 
Equipamentos que ocorrem fenômenos de transferência são de grade importância 
para nós estudantes de engenharia química, pois esses equipamentos são indispensáveis 
nas indústrias pelas suas aplicações em inúmeros ramos de produção industrial. Logo o 
campo de transferência de massa e seus equipamentos, o funcionamento e conceitos então 
correlacionados com as competências de engenheiros na indústria, desde projetos até o 
processo produtivo. 
Para as aplicações do equipamento, ficou claro a importância de torres de Spray 
para remoções de materiais particulados, metais pesados entre outros poluentes de gases 
contaminados, provenientes de unidades industriais, como nos exemplos de aplicações na 
industrial de alumínio e siderúrgicas ou em unidade produtora de ácido fosfórico. 
Esses gases se não tratados causam grande impacto ambiental, afetando a 
atmosfera e meio ambiente como um todo. As torres Spray são bons equipamentos para 
o processo em questão, com boa eficiência, pouco custo na montagem, em contrapartida 
alguns pontos a serem melhorados seriam, um projeto de equipamento para diminuição 
de consumo de água e maior resistência a corrosão. 
Sua eficiência depende do tamanho das gotículas de líquido que entra em contato 
com o gás, na operação deve ser buscado sempre maximizar o contato líquido-gás, Para 
o princípio de absorção o processo de líquidos absorvedores de impurezas com foco no 
tratamento ou ainda modificação de poluentes de gases efluentes em torre spray o gás 
contaminado flui para cima do equipamento e as partículas se chocam com gotas de 
líquido na extensão de todo o fluxo do fluido, assim podemos pontuar que cada operação 
industrial tem seus próprios parâmetros de qualidade, devendo ser levado em conta muitas 
variáveis, tanto de cálculos, equipamentos, das substâncias a serem processadas para não 
gerar custo e problemas no processo desnecessários. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
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BIRD, R. Byron, et al. Fenômenos de transporte. 2º ed. Tradução por Afonso S. Tales 
et. al. LTC: São Paulo, 2009. 
 
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CREMASCO, M. A. Fundamentos de transferência de massa. 3ª Ed. – São Paulo: 
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GUIMARÃES, Claudinei de Souza. Controle e Monitoramento de Poluentes 
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LISBOA, Henrique de Melo. Controle da poluição atmosférica. 2014. Disponível em: 
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MANAHAN, S.E. Industrial Ecology: environmental chemistry and hazardous 
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