Absorção e Desabsorção de Gases

Prévia do material em texto

<p>Pag ▪ 1ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA</p><p>CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS</p><p>DEPARTAMENTO DE QUÍMICA e ENGENHARIA QUÍMICA</p><p>Absorção</p><p>Professora: Rita Superbi</p><p>Pag ▪ 2ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Absorção</p><p>▪ É um processo com o qual se pretende remover</p><p>preferencialmente um ou mais componentes de uma mistura gasosa</p><p>por contato com uma corrente líquida onde esses componentes se</p><p>dissolvem.</p><p>▪ A absorção de um gás envolve a transferência de um</p><p>componente solúvel de uma fase gasosa para um absorvente</p><p>líquido relativamente não volátil.</p><p>▪ A operação inversa chama-se Desabsorção, na qual um</p><p>componente dissolvido num líquido passa para a fase gasosa.</p><p>Pag ▪ 3ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Transferência de massa de uma substancia (A) presente em uma</p><p>fase gasosa para um líquido.</p><p>Absorção</p><p>interface</p><p>Pag ▪ 4ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ A absorção é um fenômeno em que uma substância</p><p>permeia o volume de outra enquanto a adsorção é um</p><p>fenômeno de superfície.</p><p>▪ No equipamento de absorção, o absorvente líquido está</p><p>abaixo do seu ponto de bolha e a fase gasosa está muito</p><p>acima do seu ponto de orvalho. Uma outra diferença entre a</p><p>absorção e a destilação é que as fases líquida e gasosa não</p><p>contém necessariamente os mesmos componentes.</p><p>Absorção</p><p>Pag ▪ 5ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Aplicações</p><p>Os processos de Absorção e Desabsorção são muito usados para</p><p>produção, separação e purificação de misturas gasosas:</p><p>▪ produção de ácidos (sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de</p><p>amoníaco, de amônia, de formaldeído, de carbonato de sódio,</p><p>▪ tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias do</p><p>petróleo,</p><p>▪ remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável</p><p>(como o gás H2S),</p><p>▪ purificação de gases industriais</p><p>▪ separação de hidrocarbonetos gasosos.</p><p>Pag ▪ 6ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ Na produção de amônia, uma corrente gasosa contendo ar e</p><p>amoníaco é colocada em contato com água onde o amoníaco é</p><p>preferencialmente absorvido, uma vez que o ar é muito pouco</p><p>solúvel em água.</p><p>▪ Para regenerar o solvente, ou para obter a corrente gasosa na</p><p>sua forma pura, pode elevar-se a temperatura numa coluna de</p><p>desabsorção.</p><p>▪ Processo: absorção de NH3 em água (NH4OH) a partir do ar,</p><p>seguido de elevação de temperatura para recuperação do NH3.</p><p>Aplicações</p><p>Pag ▪ 7ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ O ácido clorídrico é produzido pela absorção do cloreto de</p><p>hidrogênio gasoso em água.</p><p>▪ A fermentação aeróbia dos lodos de esgoto exige a absorção de ar.</p><p>▪ A carbonatação das bebidas refrigerantes envolve a absorção de</p><p>dióxido de carbono</p><p>▪ Absorção de SO2 de gases com soluções alcalinas.</p><p>▪ Hidrogenação de óleos comestíveis na indústria de alimentos.</p><p>Aplicações</p><p>Pag ▪ 8ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>A desabsorção (stripping) é empregada durante a produção do</p><p>petróleo para desaerar a água injetada nos poços, utilizando o</p><p>próprio gás natural para realizar operação.</p><p>Emprega-se também para retirar hidrocarbonetos leves como</p><p>propano e butano, de frações mais pesadas como gasolina,</p><p>natural ou de refino.</p><p>Na indústria alimentícia o stripping de óleos vegetais é feito</p><p>com vapor pré-aquecido visando a desodorização do óleo.</p><p>Aplicações</p><p>Pag ▪ 9ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Seleção do Solvente</p><p>▪ O processo de absorção é um processo de transferência de</p><p>massa que explora diferenças na solubilidade gás/líquido dos</p><p>diferentes componentes de uma mistura que se pretende tratar.</p><p>▪ Por isso, um dos pontos críticos para se obter uma eficiente</p><p>separação é a escolha do solvente.</p><p>▪ O solvente deve ser barato e acessível, não tóxico, não</p><p>inflamável, estável quimicamente e não corrosivo para não</p><p>encarecer o material de construção do equipamento.</p><p>Pag ▪ 10ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ A solubilidade do soluto deve ser elevada para se obter uma</p><p>maior velocidade de absorção e para necessitar de menor</p><p>quantidade de líquido.</p><p>▪ Um outro fator é a natureza química do soluto e do solvente que</p><p>devem ser semelhantes para aumentar a solubilidade.</p><p>▪ O solvente pode ser um líquido não reativo e a solubilização do</p><p>soluto é apenas um processo físico (forças de interação de Van der</p><p>Waals), ou pode ser um líquido que produz uma reação rápida com o</p><p>soluto, o que faz aumentar a velocidade de absorção e a quantidade</p><p>a ser absorvida.</p><p>Seleção do Solvente</p><p>Pag ▪ 11ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ Este último tipo de solvente é usado, em geral, quando o soluto se</p><p>encontra em baixas concentrações pois é um processo mais seletivo,</p><p>mas a reação deve ser reversível para que o soluto seja removido</p><p>numa segunda coluna.</p><p>▪ Um solvente reativo é também usado quando se pretende</p><p>converter um composto perigoso num composto mais inócuo.</p><p>▪ O solvente também deve ter baixa pressão de vapor (baixa</p><p>volatilidade) para reduzir a perda de solvente para a corrente gasosa.</p><p>▪ Além disso, deve ter baixa viscosidade para a velocidade de</p><p>absorção ser elevada e os custos de bombeamento serem baixos.</p><p>Seleção do Solvente</p><p>Pag ▪ 12ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Equipamento</p><p>▪ A área para transferência de massa, ou área de contato</p><p>gás/líquido, pode ser aumentada por divisão das correntes líquida</p><p>e/ou gasosa em pequenas porções.</p><p>▪ Isto é efetuado com recurso à passagem de gás pelos espaços</p><p>vazios de um leito poroso cheio de material inerte (o enchimento), o</p><p>qual está banhado de líquido, ou ainda à utilização de pratos com</p><p>orifícios por onde passam pequenas bolhas de gás que</p><p>estabelecem contato com a corrente líquida no topo do prato.</p><p>▪ Assim, este processo de separação é comum ser efetuado em</p><p>colunas cilíndricas verticais (ou torres).</p><p>Pag ▪ 13ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>• Torre de Pratos • Colunas de Enchimento</p><p>Equipamento</p><p>Pag ▪ 14ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Equipamento</p><p>O enchimento pode ter diversas configurações (como anéis de Raschig, de</p><p>Lessing ou de Pall, Selas de Berl, etc) e os pratos podem ser de vários tipos:</p><p>perfurados, de campânula, de válvulas, etc.</p><p>Coluna com enchimento e</p><p>coluna de pratos perfurados.</p><p>Pag ▪ 15ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Exemplos de enchimentos – anéis de Raschig (vidro),</p><p>anéis de Pall (metálicos) e anéis de Lessing (cerâmicos).</p><p>Equipamento</p><p>Pag ▪ 16ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Equipamento – coluna de recheio</p><p>Pag ▪ 17ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Pag ▪ 18ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Pag ▪ 19ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Pag ▪ 20ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Equipamento – coluna de recheio</p><p>Pag ▪ 21ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>A escolha do equipamento depende:</p><p>▪ da vazão de gás a tratar,</p><p>▪ do grau de separação a obter,</p><p>▪ da razão entre as vazões de líquido e de gás,</p><p>▪ da facilidade da remoção de calor,</p><p>▪ da simplicidade de construção,</p><p>▪ da resistência hidráulica,</p><p>▪ da impureza dos fluidos, das propriedades físicas do sistema e</p><p>▪ da sua corrosividade.</p><p>Equipamento</p><p>Pag ▪ 22ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ De forma resumida, a diferença de custo entre as colunas de</p><p>pratos e de enchimento não é grande embora as últimas sejam</p><p>mais caras. Estas são escolhidas quando o diâmetro é inferior a</p><p>0,8-0,9 m.</p><p>▪ As colunas de prato são mais fáceis de limpar. Como regra geral,</p><p>a coluna de pratos deve ser escolhida quando o diâmetro é</p><p>elevado e quando muitos pratos são necessários.</p><p>▪ As colunas recheadas podem sofrer os efeitos de formação de</p><p>canais.</p><p>Equipamento</p><p>Pag ▪ 23ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>▪ As colunas de pratos geralmente podem operar com maiores</p><p>cargas líquidas sem haver o risco de inundação do sistema;</p><p>▪ As colunas recheadas podem ser mais econômicas no</p><p>processamento de líquidos corrosivos, em virtude de usarem recheios</p><p>de cerâmica resistente à corrosão;</p><p>▪ As colunas de pratos são muito mais usadas que as recheadas,</p><p>especialmente na destilação.</p><p>▪ As colunas recheadas são preferidas nas operações em que colunas</p><p>de diâmetros relativamente pequenos</p><p>são suficientes para operar com</p><p>as vazões desejadas de líquidos.</p><p>Equipamento</p><p>Pag ▪ 24ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Arraste</p><p>O arraste é transporte de um prato para o superior, de gotículas</p><p>de líquido pela fase gasosa. Este transporte é indesejável pois</p><p>abaixa efetivamente a eficiência de estágio.</p><p>O arraste ocorre em velocidades elevadas de escoamento.</p><p>Problemas na operação</p><p>Pag ▪ 25ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>A inundação da coluna ocorre quando há um arraste excessivo ou</p><p>quando há acúmulo demasiado de líquido no vertedor descendente. A</p><p>inundação é o resultado de se tentar fazer passar ou muito gás ou</p><p>muito líquido através da coluna.</p><p>Nas colunas grandes, o espaçamento dos pratos deve ser pelo menos</p><p>de dois pés (0,66 m). Um espaçamento maior entre os pratos leva a</p><p>uma torre mais alta cujo custo, por isso, é mais elevado.</p><p>Um espaçamento menor leva a uma coluna mais curta, mas leva</p><p>também a um arraste.</p><p>Inundação</p><p>Pag ▪ 26ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Equilíbrio de Fases</p><p>Quando se coloca uma mistura gasosa em contato com um</p><p>líquido no qual um dos componentes é solúvel, a composição</p><p>do soluto no líquido vai evoluir até atingir um valor de</p><p>equilíbrio dinâmico (isto é, quando igual número de moléculas</p><p>de soluto passarem da fase gasosa para a fase líquida e no</p><p>sentido inverso).</p><p>Diz-se que se atingiu o valor da Solubilidade do soluto no</p><p>líquido, para as condições em que foi realizada a experiência.</p><p>Pag ▪ 27ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Lei de Henry</p><p>Quando a quantidade de gás que se dissolve em um líquido é</p><p>relativamente pequena, uma relação de equilíbrio linear pode</p><p>freqüentemente ser assumida com razoável exatidão:</p><p>onde H = cte da lei de Henry em atm/fração molar.</p><p>AA</p><p>Hxp </p><p>Se ambos os lados desta equação forem divididos por P</p><p>(pressão total) em atm, tem-se:</p><p>onde H’ é a constante da lei de Henry em fração molar do</p><p>gás/fração molar do líquido e é igual a H/P.</p><p>AA</p><p>x'Hy </p><p>Pag ▪ 28ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>V</p><p>1</p><p>L</p><p>0</p><p>V</p><p>2</p><p>L</p><p>1</p><p>L0 + V2 = L1 + V1</p><p>L0xA0 + V2yA2 = L1xA1 + V1yA1</p><p>Balanço total de massa:</p><p>Balanço de massa para (A):</p><p>Considerando-se:</p><p>L’ = moles inertes de H2O</p><p>V’= moles inertes de ar</p><p>L’ e V’ são constantes.</p><p>Exercício</p><p>Pag ▪ 29ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Tem-se:</p><p>V’ = V (1-yA) V’ = V2 (1-yA2)</p><p>V’ = 100 (1-0.20) V’ = 80 Kg mol/h</p><p>e que: L’ = L0 = 300Kg mol/h</p><p>Reescrevendo a equação do balanço de massa para CO2, tem-se:</p><p>A</p><p>y1</p><p>'V</p><p>V</p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p>1A</p><p>1A</p><p>A</p><p>1A</p><p>2A</p><p>2A</p><p>0A</p><p>0A</p><p>y1</p><p>y</p><p>'V</p><p>x1</p><p>x</p><p>'L</p><p>y1</p><p>y</p><p>'V</p><p>x1</p><p>x</p><p>'L</p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p> 1A</p><p>1A</p><p>1A</p><p>1A</p><p>y1</p><p>y</p><p>80</p><p>x1</p><p>x</p><p>300</p><p>2.01</p><p>2.0</p><p>80</p><p>01</p><p>0</p><p>100</p><p>Pag ▪ 30ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>Se H = 1.42 x 104 atm/fração molar então:</p><p>líquido molar fração</p><p>gás molar fração</p><p>10x142.0</p><p>p</p><p>H</p><p>'H 4</p><p>1</p><p>4</p><p>1</p><p>11</p><p>10.142,0</p><p>:,'</p><p>AA</p><p>A</p><p>xy</p><p>setemxAHy</p><p></p><p></p><p>Substituindo-se na equação acima do balanço de massa, tem-se:</p><p>2,0</p><p>10.41,1</p><p>1</p><p>4</p><p>1</p><p></p><p> </p><p>A</p><p>A</p><p>y</p><p>x</p><p>Para se calcular os fluxos totais</p><p>deixando o estágio tem-se:</p><p>hKgmol</p><p>x</p><p>L</p><p>L</p><p>A</p><p>/ 300</p><p>1</p><p>'</p><p>1</p><p>1 </p><p></p><p></p><p>Pag ▪ 31ENQ 332 – Operações Unitárias III</p><p>h/Kgmol100</p><p>2.01</p><p>80</p><p>y1</p><p>'V</p><p>V</p><p>1A</p><p>1</p><p></p><p></p><p></p><p></p><p></p><p>Neste caso, desde que a solução líquida é tão diluída, L0  L1.</p><p>Sabendo-se que:</p>