Estudo dirigido - Leito Fixo

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PRATICAS DE LABORATÓRIO I
ESTUDO DIRIGIDO
TURMA
I – Estudo dirigido: PERMEABILIDADE EM LEITO
O estudo do escoamento fluido (gás / liquido, por um meio poroso) tem uma grande aplicação na indústria química indo de torres de adsorção a reatores de leito fixo. Balizado nesta informação responda aos seguintes questionamentos:
Quais as propriedades físico-químicas que devem ser consideradas na especificação de um leito de adsorvente (alumina / carvão ativo, etc.)?
As propriedades mais importantes para caracterizar o meio poroso são a área específica superficial das partículas, o coeficiente de permeabilidade e o coeficiente de difusão efetivo, que são dependentes da porosidade e tortuosidade do meio.
Que característica fisco-química pode ser considerada como restritiva na determinação da altura de um leito? Explique
Quais as principais características dos sólidos influenciam na determinação da perda de carga no leito
Porosidade, esfericidade, diâmetro, área superficial e densidade das partículas.
Qual a influência da viscosidade e da vazão de fluido na perda de carga do leito?
Quando maior a viscosidade, maior a perda de carga. Do mesmo modo, quanto maior a vazão de fluido, maior é a perda de carga, como pode ser observado pela lei de Darcy:
∆𝑃=𝑄*𝜇*L/(𝐴*𝐾)
Considerando a operação de adsorção com uma das mais utilizadas na indústria química em geral, a saber, secagem de gás (remoção de umidade), purificação de solvente petroquímico ou remoção de contaminantes em frações de petróleo pergunta-se:
Quais os tipos de adsorção possíveis de serem considerados?
Quando a adsorção ocorre por interações físicas entre as partes, é denominada fisissorção. Na adsorção física, as moléculas ou átomos se aderem à superfície do adsorvente, em geral, através de forças de Van der Waals, que são muito fracas e incapazes de formar ligações químicas. Por esse motivo, a adsorção física é um processo reversível.
Por outro lado, quando o processo de adsorção se dá por meio de forças de natureza química, é chamada de quimissorção. Nesse tipo de interação, a adesão do adsorvido à superfície do adsorvente se estabelece por ligações químicas covalentes. Uma vez que há a formação de ligações químicas, trata-se de um processo exotérmico e irreversível.
Quais os principais adsorventes e suas respectivas aplicações?
Os adsorventes mais utilizados em escala industrial atualmente são o carvão ativado, a sílica-gel, a alumina ativada e as peneiras moleculares.
A superfície do carvão ativado possui afinidade com substâncias de caráter orgânico, conferindo-lhe sua principal aplicação atualmente, a descontaminação de água destinada ao consumo humano. A aplicação industrial da alumina ativada mais importante também é na desidratação de correntes gasosas e em algumas purificações específicas de correntes líquidas.
Com relação à sílica gel, sua principal aplicação industrial como adsorvente é a retirada de umidade de correntes gasosas, mas também foi utilizada na separação de compostos aromáticos de parafínicos e naftênicos no processo Arosorb.
Quais os parâmetros devem ser considerados na especificação de um adsorvente?
Sendo a adsorção um fenômeno essencialmente de superfície, para que um adsorvente tenha uma capacidade adsortiva significante, deve apresentar uma grande área superficial específica, o que implica em uma estrutura altamente porosa. As propriedades adsortivas dependem do tamanho dos poros, da distribuição do tamanho dos poros e da natureza da superfície sólida.
O que vem a ser uma curva de ruptura, como ela é constituída?
Se uma solução contendo inicialmente um soluto que se deseja recuperar for mantida em contato de modo contínuo com um leito de adsovente inicialmente livre de soluto, e se for monitorada a concentração do soluto na saída do leito, em função do tempo ou volume, obtém-se uma curva da forma mostrada na figura abaixo denominada de curva de ruptura (breaktrough curve). Inicialmente, a camada de adsorvente situada na parte superior do leito adsorve a solução rápida e efetivamente reduzindo assim a concentração do soluto na saída da coluna. Na figura, a distribuição de adsorbato no leito é indicado pela proximidade das linhas horizontais. O efluente no fundo do leito está praticamente livre de soluto (primeira situação). Nessa situação, a camada superior do leito está praticamente saturada e a adsorção ocorre em uma zona de adsorção (Zad) relativamente estreita e a concentração muda rapidamente. Continuando com o fluxo da solução, a zona de adsorção move-se descendentemente como uma onda, a uma taxa ordinariamente muito mais lenta que a velocidade linear do fluido através do leito.
Em um certo tempo, caracterizado pela segunda situação na figura, praticamente metade do leito está saturado com o soluto, porém a concentração no efluente é ainda substancialmente zero. Quando a zona de adsorção estiver alcançado a parte inferior do leito, e a concentração do soluto no efluente aumentar sensivelmente, o sistema inicia a ruptura (breaktrough), conforme mostrado na terceira situação. Então a concentração do soluto no efluente aumenta rapidamente quando a zona de adsorção passa através do fundo do leito e a concentração do soluto iguala-se substancialmente ao valor da concentração na solução inicial (Co). Prosseguindo com o escoamento, pouca adsorção ocorrerá desde que, para propósitos práticos o leito está em equilíbrio com a solução alimentadora.
A taxa atual e o mecanismo do processo de adsorção, a natureza do equilíbrio de adsorção, a velocidade do fluido, a concentração de soluto na alimentação, e a altura do leito de adsorvente contribuem para a forma da curva de ruptura (breaktrough). O tempo de ruptura (breaktrough) diminui com o decréscimo da altura do leito, com o aumento do tamanho da partícula do adsorvente, com o aumento da velocidade do fluido através do leito e com o aumento da concentração inicial do soluto na alimentação.
O que vem a ser a operação de dessorção?
Sorção refere-se a absorção e adsorção ocorrendo simultaneamente. O processo inverso da sorção é a dessorção, que pode ser estudada em função de isotermas de dessorção.
Quais os fatores / aspectos que devem ser considerados na especificação de um adsorvente?
Duplicada com a letra c.
Qual a influencia da velocidade de escoamento de um fluido (gás / liquido) no fenômeno de adsorção?
Uma menor vazão (ou velocidade de escoamento) corresponde à menor perda de carga, e uma maior perda de carga corresponde à maior vazão, em vazões maiores ocorre a formação de canais preferenciais de forma bem pronunciada que tendem a diminuir a adsorção no leito. Para que se obtenha uma boa velocidade de transferência por unidade de volume da coluna, deve-se escolher um recheio que promova uma elevada área interfacial entre as duas fases e um alto grau de turbulência nos fluidos, com uma menor queda de pressão. Em baixos números de Reynolds, as forças viscosas dominam e a queda de pressão é proporcional à viscosidade do fluido e à velocidade superficial. Em altos números de Reynolds, a queda de pressão é proporcional à densidade do fluido e ao quadrado da velocidade superficial.
Qual a influencia da temperatura / pressão na operação de adsorção?
Em relação à temperatura, uma maior acarreta em maior tempo de residência médio, como ilustra o esquema abaixo.
Com relação à pressão, uma menor pressão aumenta o tempo de residência, como ilustra o esquema abaixo.
O que vem a ser velocidade espacial, qual a sua aplicação?
Velocidade espacial é o inverso do tempo espacial, que se refere ao tempo necessário para processar um volume de alimentação, correspondente a um volume, medido em condições específicas. Se aplica em estudos cinéticos do sistema.
Exercício
O solvente utilizado na obtenção do polietileno de alta densidade, n-hexano, deve ser pré-tratando para remoção da umidade antes da alimentação no reator. Em linhas gerais o processo ocorre em sistema dotado de duas colunas, basicamentecada uma delas tem como dimensões, o diâmetro da ordem de 2,5 metros e a altura de 9 metros. A torre opera afogada com a alimentação, controlada ( topo / fndo) é monitorada na saída e o solvente seco alimenta o tanque de solvente tratado, este é ligeiramente inertizado com nitrogênio seco para evitar entrada de umidade. Deste tanque, via sistema de bombeio, o solvente seco alimenta a unidade reacional. Quando traços de umidade são detectados no solvente, o sistema é posto para dessorver.
A operação de dessorção ocorre em sistema fechado, ou seja, inicialmente a torre é drenada via a injeção de nitrogênio, o solvente é transferido para um vaso intermediário e deste realimenta em baixa vazão a carga a ser tratada após a regeneração ter sido concluída.
Estando a torre sem solvente liquido, o nitrogênio é aquecido via uma fornalha a temperatura de 1200C, na saída um condensador condensa a umidade retirada do adsorvente que é separada em vaso separador, o gás recircula ao processo via um soprador e o condensado é drenado para a ETRI periodicamente com auxilio de uma bomba centrifuga.
 O controle da operação é feito por analise da fase gasosa na saída da torre. Estando esta dentro do valor especificado da umidade, o nitrogênio é cortado e inicia-se lentamente a alimentação do solvente de forma a se reduzir a temperatura do leito, entrando a unidade em regime. Sendo então colocada a segunda torre em operação de dessorção.
Balizado nesta descrição solicita-se:
Que se faça um fluxograma de tubulação e instrumentação representativo do sistema.
Considerando que a capacidade produtiva da unidade seja de 17 ton/hora, que a concentração da suspensão em normal hexano seja de 45 % e que a planta esteja operando com 85 de eficiência e com um rendimento de 95%. Estime a vazão de solvente a ser tratada na torres. Considerando as propriedades físico-químicas do recheio disponível no experimento da prática realizada, estime, para as dimensões da torre a pressão de descarga da bomba de alimentação de solvente. Havendo necessidade de mais dados, busque na literatura e os informe na resolução do exercício.
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n-Hexano