Coluna de Absorção final

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Universidade Federal de São João del-Rei 
Campus Alto Paraopeba
Ouro Branco – Março 2017
Coluna de Absorção com 
Reação Química
Camila Monteiro
Cássia Souza
Cecília dos Anjos
Josianne Silva
Ludmila Sara
Nathália Wiggers
Ramon Bonela
Thaís Adriany
Thiago Marinho
Yuna dos Anjos
Laboratório de Engenharia Química III
Sumário
 Introdução ..................................................................................................................................... 3
 Conceitos ................................................................................................................................. 4
 Absorção Física ....................................................................................................................... 5
 Absorção Química .................................................................................................................... 6
 Lei de Henry ............................................................................................................................. 7
 Coluna de absorção ................................................................................................................. 8
 Recheio .................................................................................................................................... 9
 Anel de Rasching ................................................................................................................... 11
 Objetivos ..................................................................................................................................... 12
 Metodologia ................................................................................................................................ 14
 Materiais ................................................................................................................................. 15
 Aparato experimental ............................................................................................................. 18
 Procedimento experimental ................................................................................................... 19
 Variáveis e medições ............................................................................................................. 20
 Tratamento de Dados ................................................................................................................. 21
 Aplicações na Indústria .............................................................................................................. 35
 Considerações finais .................................................................................................................. 37
2
INTRODUÇÃO
3
CONCEITOS
4
 Absorção é o processo utilizado para a separação de um ou mais
componentes de uma corrente gasosa, através do contato com um
solvente líquido, podendo ocorrer ou não reação química entre eles.
 Absorção pode ser classificada em absorção física ou absorção
química com reação reversível e absorção química com reação
irreversível.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
[1] MELLO, L. C. Estudo do Processo de Absorção de CO2 em Soluções de Aminas empregando-se Coluna Recheada. Universidade de São Paulo, 2013.
ABSORÇÃO FÍSICA
5
 A solubilidade do contaminante na corrente gasosa deve apresentar
maior solubilidade na solução absorvedora do que outros componentes
da corrente.
 A solubilidade do gás no líquido depende da temperatura, da pressão
parcial do gás na fase gasosa e da composição do líquido.
 A solubilidade diminui com o aumento da temperatura e aumenta com
a pressão total.
[2] Khol, A. L; Nielsen, R. B. Gas purification. 5 Edition. Texas. Gulf Publishing Company. 1997.1414 p.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
ABSORÇÃO QUÍMICA
6
 Velocidades de difusão e de reação química simultaneamente;
 Tem-se reação química entre o componente da corrente gasosa que
será absorvido e a solução absorvedora formando o produto de
reação, cuja pressão de vapor é baixa;
 Reações reversíveis e irreversíveis;
 Aplicação comum quando se pretende converter um composto
perigoso num composto mais inócuo.
[2] Khol, A. L; Nielsen, R. B. Gas purification. 5 Edition. Texas. Gulf Publishing Company. 1997. 1414 p.
[3] Danckwerts, P. V. Gas liquid reactions. 1 Edition. New York. McGraw-Hill. 1970. 276 p.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
LEI DE HENRY APLICADA EM PROCESSO DE ABSORÇÃO
7
 A Lei de Henry aplica-se a soluções diluídas, sendo útil no estudo das
substâncias presentes em baixa concentração, chamadas solutos.
PAi= H.XAi (I)
Onde:
PAi = pressão parcial na fase gasosa;
H = constante de proporcionalidade ou constante da Lei de Henry;
XA = fração molar de equilíbrio do gás em solução (solubilidade).
[4] Científico e cultural. Disponível em: < http://www.ecientificocultural.com/ECC3/solu04.htm >. Acesso em: 29 mar. 2017. 
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
COLUNA DE ABSORÇÃO
8
 Promove contato entre as fases gasosa e líquida em um tempo necessário
para que ocorra a difusão interfacial do componente gasoso.
 Uso de colunas verticais com diversas configurações de
internos:
 Recheios;
 Pratos;
 Vazia.
 Características do processo levam à escolha do interno
adequada.
Figura 1: Dispositivos de contato
empregados em colunas de
absorção[Figura 1] Fonte: Catálogo da empresa Sulzer (2012)
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
RECHEIO
9
 Características necessárias ao recheio
 Ser quimicamente inerte;
 Ser resistente e ter baixa massa especifica;
 Menor perda de carga possível;
 Oferecer um contato sólido-fluido efetivo (molhabilidadade);
 Custo razoável.
 Os recheios podem ser dos seguintes tipos:
 Sólidos quebrados;
 Recheios de forma definida.
[1] MELLO, L. C. Estudo do Processo de Absorção de CO2 em Soluções de Aminas empregando-se Coluna Recheada. Universidade de São Paulo, 2013.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
RECHEIO
10
Figura 2: Exemplos de Recheio – Anéis de Rasching, Anéis de Pall (metálicos), Anéis de Lessing
(cerâmicos),
[Figura 2] Fonte: Portal Laboratórios Virtuais de Processos Químicos
Introdução Objetivos Metodologia
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ANEL DE RASCHING
11
 Forma definida;
 Turbulência necessária para a transferência de massa;
 Redução no consumo de energia;
 Custo baixo e são de fácil instalação;
 Cerâmicas, metais, vidros, plásticos, carbono.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações finais
OBJETIVOS
12
OBJETIVOS
13
 Determinar o coeficiente de transferência de massa (kya) e a
porcentagem de recuperação do CO2 de uma corrente gasosa através
de um fluxo contracorrente de água em uma coluna de absorção com
recheio do tipo anel de Rasching.
Introdução Objetivos Metodologia
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METODOLOGIA
14
MATERIAIS
15
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
[Figuras 3, 4 ,5 e 6] Fonte: LEQ UFSJ.
Figura 3: Reservatório de 
água
Figura 4: Soprador
Figura 5: Bomba Figura 6: Rotâmetros e interruptores
MATERIAIS
16 [Figuras 7, 8 ,9e 10] Fonte: LEQ UFSJ
Figura 7: Indicadores de 
temperatura digital com sensor 
externo
Figura 10: Tubo em U
Figura 8: Sensores de temperatura
Figura 9: Anéis Rasching
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
MATERIAIS
17 [Figuras 11, 12, 13 e 14] Fonte: LEQ UFSJ
Figura 11: Coluna de absorção
Figura 12: Saída de água na base
Figura 13: Saída de água no topo
Figura 14: Solução de fenoftaleína
e NaOH 0,01M
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
APARATO EXPERIMENTAL
18 [Figura 15] Fonte: LEQ UFSJ
Figura 15: Aparato experimental
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
19
Ligar os 
interruptores
Encher o 
reservatório
Coletar a 
amostra
Controlar a 
vazão
Repetir 
variando a 
vazão
Titular com 
NaOH 0,01M
Geral, 
bomba, 
soprador, e 
indicador
H2O, CO2 e 
Ar
Anotar 
temperatura
Regime 
permanent
e
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
[6] Fonte: Autor
VARIÁVEIS E MEDIÇÕES
20 [6] Fonte: Autor
 Variáveis:
 Vazão de água;
 Temperatura da mistura gasosa e água (entrada e saída);
 Vazões nos rotâmetros;
 Altura manométrica;
 Titulação (volume de NaOH).
 Dados fixos:
 Diâmetro da coluna de absorção;
 Altura do recheio;
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
TRATAMENTO
DE DADOS
21
22
 Reações químicas envolvidas
Reação 1: 𝐶𝑂2 𝑔 ⇌ 𝐶𝑂2(𝑎𝑞)
Reação 2: 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻 𝑎𝑞
+ + 𝑂𝐻 𝑎𝑞
−
Reação 3: 𝐶𝑂2 𝑎𝑞 + 𝑂𝐻 𝑎𝑞
− ⇌ 𝐻𝐶𝑂3 𝑎𝑞
−
Reação 4: 𝐻𝐶𝑂3 𝑎𝑞
− ⇌ 𝐻 𝑎𝑞
+ + 𝐶𝑂3 𝑎𝑞
2−
Reação 5: 𝐶𝑂3 𝑎𝑞
2− + 2 𝐻 𝑎𝑞
+ ⇌𝐻2𝐶𝑂3 𝑎𝑞
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais COLUNA DE ABSORÇÃO
23
 Balanço de Massa
 Considerações:
Ar inerte e insolúvel em água;
Água não se evapora na fase gasosa;
Fase gasosa composta apenas por 𝐶𝑂2 e ar;
Fase líquida constituída apenas por 𝐶𝑂2 e água;
𝐶𝑂2 é o único componente presente tanto na fase gasosa (V),
quanto na fase líquida (L).
COLUNA DE ABSORÇÃO
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
24
 Balanço de Massa
Segundo a Lei de Conservação das Massas:
m𝐶𝑂2𝐸,𝑇 +𝑚𝐶𝑂2𝐸,𝐵 = 𝑚𝐶𝑂2𝑆,𝐵 +𝑚𝐶𝑂2𝑆,𝑇 (2)
Logo,
𝐿𝑇𝑋𝑇 + 𝑉𝐵𝑌𝐵 = 𝐿𝐵𝑋𝐵 + 𝑉𝑇𝑌𝑇 (3)
Onde: E: Entrada; S: Saída; T: topo; B: Base
L: Fluxo molar da fase líquida;
V: Fluxo molar da fase gasosa;
X: Razão molar do 𝐶𝑂2 na fase líquida;
Y: Razão molar do 𝐶𝑂2 na fase gasosa.
[Equação 1 e 2] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade 
Santa Cecília, 2012..
COLUNA DE ABSORÇÃO
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
25
 Balanço de Massa
Considerando mistura diluída, temos que X é bem pequeno, logo
𝐿𝑇 ≅ 𝐿𝐵 = L e 𝑉𝑇 ≅ 𝑉𝐵 = V:
𝐿𝑋𝑇 + 𝑉𝑌𝐵 = 𝐿𝑋𝐵 + 𝑉𝑌𝑇 (4)
Onde : L: Fluxo molar da fase líquida;
V: Fluxo molar da fase gasosa;
X: Razão molar do 𝐶𝑂2 na fase líquida;
Y: Razão molar do 𝐶𝑂2 na fase gasosa
Logo, rearranjando a equação, temos:
𝐿
𝑉
=
𝑌𝑇−𝑌𝐵
𝑋𝑇−𝑋𝐵
(5)
[Equação 4 e 5] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade 
Santa Cecília, 2012..
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 Balanço de Massa
Lembrando que,
𝐿 =
 𝑚á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑀á𝑔𝑢𝑎
=
𝜌á𝑔𝑢𝑎∗𝑄á𝑔𝑢𝑎
𝑀𝑀á𝑔𝑢𝑎
(6)
E, considerando um comportamento de gás ideal para a fase gasosa:
𝑉 =
𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎∗𝑄𝑎𝑟
𝑅∗𝑇
=
𝑃𝑎𝑡𝑚+ℎ∗
𝜌á𝑔𝑢𝑎
𝜌𝐻𝑔
∗𝑄𝑎𝑟
𝑅∗𝑇
(7)
Onde: Q refere-se à vazão volumétrica e, h à altura manométrica apresentada pelo tubo em
U.
[Equação 6 e 7] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade 
Santa Cecília, 2012..
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Introdução Objetivos Metodologia
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 Balanço de Massa
Além disso, é possível encontrar uma relação entre a razão molar
de 𝐶𝑂2 na mistura gasosa da base (𝑌𝐵) e a fração molar de 𝐶𝑂2 na
mistura gasosa da base (𝑦𝐵) através da seguinte equação:
𝑌𝐵 =
𝑦𝐵
1 −𝑦𝐵
(8)
No qual
𝑦𝐵 =
𝑚𝐶𝑂2
𝑚𝑎𝑟+𝑚𝐶𝑂2
=
𝑄𝐶𝑂2
𝑄𝑎𝑟+𝑄𝐶𝑂2
(9)
[Equação 8 e 9] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade 
Santa Cecília, 2012..
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 Balanço de Massa
Similarmente, 
𝑋𝑇 =
𝑥𝑇
1−𝑥𝑇
(10) 
𝑋𝐵 =
𝑥𝐵
1−𝑥𝐵
(11)
Onde
𝑋𝑇: razão molar de CO2 no fluido presente no topo da coluna;
𝑥𝑇: fração mássica de CO2 no fluido presente no topo da coluna;
𝑋𝐵: razão molar de CO2 no fluido presente na base da coluna;
𝑥𝐵: fração mássica de CO2 no fluido presente na base da coluna.
[Equação 10 e 11] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. 
Universidade Santa Cecília, 2012..
.
COLUNA DE ABSORÇÃO
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 Reações químicas envolvidas
Reação 7: 𝐻2𝐶𝑂3 𝑎𝑞 +𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞)⇌ 𝑁𝑎(𝑎𝑞)
+ +𝐻𝐶𝑂3
−
(𝑎𝑞)
+𝐻2𝑂
Reação 8: 𝐻𝐶𝑂3
−
(𝑎𝑞)
+𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) ⇌𝑁𝑎𝑎𝑞
+ + 𝐶𝑂3
2−
(𝑎𝑞)
+𝐻2𝑂
Reação 9: 𝐻2𝐶𝑂3 𝑎𝑞 + 2 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞)⇌ 2 𝑁𝑎(𝑎𝑞)
+ + 𝐶𝑂3
2−
(𝑎𝑞)
+ 2 𝐻2𝑂
 Balanço de massa
𝑚𝐶𝑂2 =
1
2
∗ 𝐶𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 ∗ 𝑀𝑀𝐶𝑂2 (12)
[Equação 12] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. 
Universidade Santa Cecília, 2012..
TITULAÇÃO
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 Balanço de massa
Relacionando-se com a fração molar da base e do topo temos:
𝑥𝑇 =
𝑚𝐶𝑂2𝑇𝑜𝑝𝑜
𝑀𝑀𝐶𝑂2
𝑚𝐻2𝑂𝑇𝑜𝑝𝑜
𝑀𝑀𝐻2𝑂
+
𝑚𝐶𝑂2𝑇𝑜𝑝𝑜
𝑀𝑀𝐶𝑂2
(13)
𝑥𝐵 =
𝑚𝐶𝑂2𝐵𝑎𝑠𝑒
𝑀𝑀𝐶𝑂2
𝑚𝐻2𝑂𝐵𝑎𝑠𝑒
𝑀𝑀𝐻2𝑂
+
𝑚𝐶𝑂2𝐵𝑎𝑠𝑒
𝑀𝑀𝐶𝑂2
(14)
[Equação 13 e 14] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. 
Universidade Santa Cecília, 2012..
TITULAÇÃO
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 Razão molar de CO2 na fase gasosa
De forma a obter-se a razão molar de CO2 na fase gasosa no topo
da coluna (Y𝑇), podemos reescrever a Equação 3 e substituir os valores
de V, L, Y𝐵, X𝐵e X𝑇 :
𝑌𝐵 =
𝐿
𝑉
𝑋𝐵 +
(𝑉𝑌𝑇 −𝐿𝑋𝑇)
𝑉
(15)
[Equação 15] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química.Universidade Santa Cecília, 2012..
TITULAÇÃO
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finais
32
 Determinação do Coeficiente de Transferência de Massa
Sabendo-se os valores de 𝑌𝐵 e 𝑌𝑇, é possível determinar o número de
unidade de transferência (𝑁𝑂𝐺) ∶
𝑁𝑂𝐺 = 𝑌𝑇
𝑌𝐵 𝑑𝑌
(𝑌−𝑌∗)
(16)
E, em seguida, determinar a altura de uma unidade de transeferência
(𝐻𝑂𝐺):
𝐻𝑂𝐺 =
𝑍
𝑁𝑂𝐺
(17)
Onde z é a altura do recheio no interior da coluna.
TITULAÇÃO
[Equação 16 e 17] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade Santa Cecília, 2012
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
33
 Determinação do Coeficiente de Transferência de Massa:
𝑘𝑦𝑎 =
𝑉
𝐻𝑂𝐺.𝑆
(18) 
Onde 𝑆 é a área da seção transversal da coluna de absorção, que neste
caso pode ser calculada através do cálculo da área da seção transversal de
um cilindro:
𝑆 =
𝜋 ∗ 𝑑2
4
(19) 
No qual 𝑑 corresponde ao diâmetro da seção transversal.
[Equação 18 e 19] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. 
Universidade Santa Cecília, 2012..
TITULAÇÃO
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finais
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 Taxa de Recuperação do Gás Carbônico:
Assim, de modo a determinar a taxa de recuperação do gás
carbônico (𝑇𝑅):
𝑇𝑅 =
𝑌𝐵− 𝑌𝑇
𝑌𝐵
∗ 100 (20)
Onde:
𝑌𝐵: razão molar de CO2 no gás presente na base da coluna;
𝑌𝑇: razão molar de CO2 no gás presente no topo da coluna.
[Equação 20] Fonte: MORAIS., D.; LIA, L. R. B.; ALCANTARA, G,. LEMOS, V.; MORAES, M. S.; RESSURREIÇÃO,I. P.; Coluna de Absorção com Reação Química. Universidade 
Santa Cecília, 2012..
TITULAÇÃO
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
APLICAÇÕES NA 
INDÚSTRIA
35
36
 As operações de absorção possuem diversas aplicações nas indústrias
químicas, petroquímicas e de alimentos, bem como nos equipamentos
do controle de poluição;
 Remoção de 𝐶𝑂2 na fabricação de amônia;
 Produção de ácidos clorídrico e sulfúrico;
 Purificação de gases de combustão.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais
[Figura 16] Fonte:< https://pt.slideshare.net/KatiaSouza5/absoro-gasosa> 
APLICAÇÕES NA INDÚSTRIA
Figura 16: Esquema coluna de absorção
CONSIDERAÇÕES 
FINAIS
37
38
 Através da obtenção dos parâmetros desejados, coeficiente de
transferência de massa e porcentagem de recuperação do gás pode-se
compreender o funcionamento da coluna de absorção.
 Observa-se ampla aplicabilidade do equipamento na área de
separação, onde tem-se o objetivo de separar todo produto sem
perdas nem desperdício de energia.
 No experimento será realizada a titulação, utilizando-se indicador de
amostras da base e do topo da coluna, que determinará a
concentração de CO2. Uma outra sugestão seria realizar a titulação
através da medição do pH utilizando-se um pHmetro.
Introdução Objetivos Metodologia
Tratamento de Dados Aplicações na Indústria Considerações
finais CONSIDERAÇÕES FINAIS
OBRIGADO!
39