absorção - (recheios e metodo nut) (2)

7/29/2019 Absoro - (recheios e Metodo NUT) (2)

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Absoro

Colunas de Recheio

Joo Incio Soletti


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Mtodos grficos para anlise de mltiplos estgios em

cascata

ltima Aula:

Absoro em estgios

Esta Aula ter como foco principal:

Colunas de recheio


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SELEO DO EQUIPAMENTO

As torres de prato por sua vez sorecomendadas quando o sistema exigelimpezas constantes, e o projeto exige grandesdimetros (d > 4ft), transferncia de calor emaior flexibilidade de vazes de lquido e vapor.

Os equipamentos mais usuais para absoro so as torres de pratos etorres recheadas. A escolha deve ser feita em funo de vrios critrios.

Leva, Thibodeaux & Murrill apresentam vrias caractersticas que nosauxiliam a escolher a torre mais conveniente.

De uma maneira geral as torres recheadas so

recomendadas quando o sistema corrosivo,viscoso e tende a formar espuma, e o projetoexige baixo P, pequenos dimetros (d< 2ft) eelevados nmeros de estgios.

Liquido entrando

Vapor entrando

Vapor

saindo12

N1N

Liquido entrando

Vapor entra

Vapor

saindo

Lquidosaindo


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TORRES RECHEADAS

As consideraes mecnicas de interesse nas torres so:- P- Capacidade- Distribuidores e suportes

O projeto destas torres semelhante ao das torres de pratosou outras, envolvendo consideraes ligadas operaomecnica e eficincia do equipamento.

Os fatores relacionados com a eficincia do equipamentoso:

-Distribuio e redistribuio de lquido;-rea de contato gs-lquido.

O dimensionamento de uma torre de recheio requer omesmo cuidado dispensado com torres de pratos.


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Alguns princpios que devem ser lembrados no projeto:

A torre deve ser projetada para operar na regio de loading(40 a 80% do flooding). Isto determina a rea tima para aqual a eficincia mxima.

A dimenso do recheio no deve ser maior do que 1/8 do

dimetro da torre. A altura de cada seco de recheio limitada a

aproximadamente 3D para anis de Raschig e 5D para anisde Pall. No recomendado utilizar-se seco recheadamaior que 20ft.

Para sistema em que a resistncia se deve fase gasosa,

recomenda-se utilizar recheio com distribuio aleatria nacoluna. Caso contrrio usar recheio arrumado.


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Alguns princpios que devem ser lembrados no projeto:

A seqncia de projeto de uma torre recheada a seguinte:

- Escolha do recheio- Determinao do dimetro

- Determinao da altura- Avaliao da perda de carga

Para recheio com dimetros menores que 3 o custo do arranjo elevado. Tambm, para dimetros maiores de 2 no econmico utilizar recheio distribudo aleatoriamente. Adistribuio e redistribuio do lquido na coluna importantepara corrigir a migrao do lquido para as paredes.


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ESCOLHA DO RECHEIO

O aumento da dimenso do recheio contribui com o aumento

da capacidade mxima e o HETP (altura do prato tericoequivalente), mas reduz o custo por volume e o P.

A eficincia, perda de carga, capacidade do recheio sofunes da rea superficial e da porosidade apresentada pelo

recheio. As qualificaes importantes de um determinadorecheio so: porcentagem de molhabilidade da rea total eformato aerodinmico. Ento, anis de Raschig e anis de Palltm a rea e porosidade especfica aproximadamenteequivalentes, mas comportamento diferente.

O aumento na altura da torre mais oneroso do que o aumento

no dimetro.


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ESCOLHA DO RECHEIO

O tamanho nominal no deve ser maior do que 1/8 do dimetro

da coluna, com srios riscos de m distribuio do lquido. Naprtica, um recheio com metade desta dimenso freqentemente vantajoso, desde que a vazo de lquido sejacompatvel. No incio do projeto, como no se conhece adimenso da torre, adota-se uma velocidade de gs de 3ft/seg,

ento estima-se o dimetro baseado neste valor. De possedeste dimetro, estabelece-se a dimenso mxima do recheio.


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ESCOLHA DO RECHEIO

O recheio deve apresentar entre suas qualidades: altaporosidade e rea especfica, baixa perda de carga, boaresistncia qumica e mecnica, formato irregular, baixocusto e peso especfico. Como exemplo, seguem algunstipos de recheio utilizados na indstria:


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TIPOS DE RECHEIO


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GRAU DE MOLHAMENTO EM TORRES RECHEADAS

A transferncia de massa est relacionada diretamente com amolhabilidade do recheio na torre e est condicionada distribuio de lquido pelo recheio.

Verificou-se que a transferncia de massa diminui sensivelmentequando a razo do lquido inferior a certo valor crticodenominado MWR (grau de molhamento mnimo). Esta diminuiosugere que a rea molhada do recheio que diminui

consideravelmente. A flexibilidade de vazo de lquido em umatorre recheada e sua eficincia est condicionada ao fato de que arazo de lquido dentro da coluna no ser inferior a certo limite.


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GRAU DE MOLHAMENTO EM TORRES RECHEADAS

A vazo de molhamento dada por:onde:L = vazo de lquido, ft3/h x ft2

A = rea da seco transversal da torre, ft2

a = rea especfica do recheio, ft2/ft3

WR = vazo de molhamento, ft3/h x ftMorris e Jackson estipularam os seguintes limites:WRM = 0,85 ft3/h ft para recheio d 3inWRM = 1,30 ft3/h ft para outros recheios.A vazo de operao do lquido na torre deve estar entre avazo mnima WRM e a vazo de flooding.

WRL A

Periferia

L

a

A vazo de molhamento dada por:


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DETERMINAO DO DIMETRO

Em uma torre de absoro recheada e irrigada por uma determinada vazo

de lquido apresenta um limite superior para vazo de gs. A velocidadedo gs correspondente a este limite chamada de velocidade deinundao (ou flooding). Este ponto pode ser encontrado observando-se oHold-up do lquido e a perda de carga em funo da velocidade do gs etambm observando o aspecto do recheio.

O Hold-up do lquido praticamente constante para baixas vazes de gs,mas medida que a vazo de gs aumenta para valores acima do ponto decarga da coluna, o hold-up cresce rapidamente e no ponto de inundao orecheio apresenta uma camada de lquido que aumenta at sair pelo topoda coluna junto com o gs.

A perda de carga no ponto de carga Loading Point est entreaproximadamente 0,50 a 1,0 in H2O/ft recheio, e no ponto de floodingentre 2,0 e 3,0 in H2O/ft recheio.


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A razo de gs na torre deve estar abaixo da vazo de flooding. Usualmente,em projetos de absorvedora e stripper adota-se, em funo dascaractersticas do sistema, uma razo de gs entre 40 e 80% da vazo deflooding. As torres assim projetadas, normalmente apresentaro perda decarga entre 0,25 a 0,50 in H2O/ft recheio, operando prximo ao limite inferiorda regio de inundao. Existem vrias equaes para determinar a vazode flooding, em particular, a equao de Bain-Hougen muito utilizada:

nG C

g

L

Vf f

G L c

G

L

2 0 16

0 25 0 1250 507 4 03. .

. ., , .( ) .( )

,

, ,

onde:

Gf= vazo de flooding, lb/ft2.

G,L = densidade do gs e lquido,

lb/ft3.

= viscosidade do lquido, cp.

L = vazo de Lquido, lb/Hr.

V = razo de gs, lb/Hr.

Cf= caracterizao do recheio.

gc= 4,18x108lb.ft/lbf.hr2.


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A razo de flooding pode ainda ser obtida por meio grfico baseada nacorrelao de Sherwood. Neste grfico, a abcissa calculada partir dasvazes de processo e a ordenada partir do ponto de floodingcorrespondente. seguir, apresentado o grfico da correlao deSherwood. A razo de operao para o gs, em princpio, deve sercalculada pela otimizao da torre. comum, em funo da experincia doprojetista, utilizar-se o critrio de arbitrar uma certa porcentagem da razode flooding para a razo de operao do gs. Isto porque, para vriossistemas esta razo calculada excede a razo de flooding. Uma faixa devalor comumente adotada est entre 40 a 80% da razo de flooding.


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Grfico da correlao de Sherwood

L

G

G

L

L: Razo de lquido kg/(m2.s),[lb/(h.ft2)]

G: Razo de gs kg/(m2.

s),[lb/(h.ft2)]

G: Fluxo mssico de

gas por rea de seo

transversal na colunaF: fator de

empacotamento

: H20/ Lq.mL: viscosidade do

liquido em cP; 0.8 for

water)g: fator de converso =

2.994 (4.18.108)

(dimenses)

gFG

LG

L

2.02

)'(


17/47



18/47

Exemplo


19/47

Exemplo


20/47

Exemplo

Do Grfico de Sherwood obtemos


21/47

Exemplo


22/47


23/47

Transferncia de Massa

oconcentra

diferente

linterfacia

area/

atransferid

massadetaxakFlux

Cussler,Diffusion, Cambridge U. Press, 1991.

CI

pI

CL

(fluxo global)

pG


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Teoria dos dois filmes (viso microscpica)

IGG ppkJ

LIL CCkJ

II HCp

LGLG

HCpkHk

J

//1

1

CCkAMJ i /

)(timearea

mass

J: fluxo

k: coeficiente de massa transferida

(fluxo na fase gasosa)

(fluxo na fase lquida)

Fluxo :


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*

*

ppK

CCKJ

GOG

LOL

LG

OG

GL

OL

kHk

K

HkkK

//1

1

/1/1

1

L

G

HCp

HpC

*

*

Concentrao equivalente para oVolume de gs pressurizado

Concentrao equivalente para o

Volume de lquido pressurizado

Coeficiente de transferncia de

TM global para o lquido:

Coeficiente de transferncia de

TM global para o gs:


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Clculo da Altura

Anlise macroscpica de uma torre de recheio

acumulofluxo do soluto entrandode solutomenos fluxo de saida

dz

dxL

dz

dyG mm ''0

Balano molar no soluto para um

volume diferencial da torre

)('

'11 yy

L

Gxx

m

m 1

2

Lm: fluxo

molarde liquido

Gm: fluxomolar

de gs


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Clculo da Altura

Balano molar do soluto no gssolutefluxo do soluto que entrasoluto perdidoacumuladomenos fluxo que saipor absorcao

*)('0 yyaPKdz

dyG OGm

1

*'

0

y

yOG

mZ

Z yydy

aPKGdzZ Hxy *

1111ln1/'/'OGmmZZyHxZKaPGHLyHx

NTU?HTU?

a: rea do recheio por volume

(altura da torre)

11'1ln1'/'mOGmmZZGyHxKaPHGLyHx


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Clculo da Altura

11'' xx

GLyy

m

m

Balano de Massa

Equilbrio

Hxy *

1

*

' y

yOG

m

Z yy

dy

aPK

GZ

x1, y1*

x

1

, y

1

xZ,

yZ*

xZ,

yZ

soluo Alternativa :

*

*

11

**111

ln

;'

zz

zzLM

LM

z

OG

m

yy

yy

yyyyy

y

yy

aPK

GZ

Suposies para sistemas diludos/solvel

Linha deequilbrio com

inclinao m

Linhade

opera

o

m


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Clculo da Altura

Absoro para concentrao de vapor

Balano molar em um volume de controle

)'()'(0 xLdz

dyG

dz

dmm

Fluxo de Gs

yGG mm

1

1'' 0

Fluxo de Lquido

x

LL mm1

1'' 0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

11'

'

11

11'

'

1

x

x

x

x

G

L

y

y

x

x

x

x

G

L

y

y

y

m

m

m

m

x1, y1

x

1

,

y1*

xZ,

yZ*

xZ,

yZ

Linha de

Operao

Linha de

Equilbrio


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Clculo da Altura

Balano molar no gs em um volume diferencial

*)(

1

'0

2

0 yyaPKdz

dy

y

GOG

m

NTUHTUyyy dyaPKGdzZy

yOG

mZ

Z

1

*)1(' 200

aPK

GHTU

OG

m0'

1

*)()1( 2y

yZ yyy

dyNTU


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Clculo da Altura

HTU

(ft)

HTU

For a given packing material and

pollutant, HTU does not change much.


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Exemplo (01)

17Uma coluna de absoro (figura) com rea da seo transversal de 0,29 m2, contendoAnis Raschig de , utilizada na recuperao da amnia de uma corrente de ar. A coluna,

que opera a 25o

C e 1 atm, recebe uma mistura ar-amnia (massa molar = 29 g mol-1) comfrao molar 0,005 de amnia a uma vazo de 20 mol h-1. O gs estabelece contato com umacorrente de gua cuja vazo de 20 mol h-1. Nas condies praticadas, considerando orecheio e o sistema ar-amnia sob presso atmosfrica, a altura de uma unidade detransferncia dada por:

HG = 0,35 G0,1 L-0,39; na qual HG expresso em m e G e L em kg m-2 h-1.

A relao de equilbrio para a amnia dada por p = 1,12 x , sendo p a presso parcial da

amnia (atm) e x, a sua frao molar na fase lquida. Considere L e G constantes ao longo dacoluna.

Supondo o processo controlado pela etapa de transferncia de massa no filme gasoso edesejando-se um percentual de recuperao da amnia de 75%, calcule a altura da colunapara uma operao em contracorrente.

Lembre-se de que o nmero de unidades de transferncia (NG) calculado pela expresso

em que y a frao molar da amnia na fase gasosa e y* a frao molar da amnia emequilbrio com a fase lquida.

*BTyGydyNyy


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Soluo

Massa molar de mistura = 29 g.mol 1

Mistura gasosa = NH3 + ar

Clculo da altura da coluna de absoro, Z.

Z = NGHG (1)

HG calculada pela correlao fornecida:

HG = 0,35 G 0,1 L-0,39 (2)


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Soluo

em que G e L so, respectivamente, os fluxos mssicos da fase gasosa (NH3 + ar) efase lquida (H2O), expressos em Kg .h1.m2. Transformando as unidades:

Substituindo em (2):

HG = 0,35 (2)0,1 (1,24)-0,39HG = 0,345 m


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Soluo

Para se obter o integrando da expresso para NG, recorre-se ao balano demassa global, obtendo-se uma reta de operao:G (yTy) = L (xTx).

Como G = L = 20 mol.h-1 e xT = 0 obtm-se a relao linear:y = x + yT (3)

Calcula-se yT com base no percentual da amnia (75%):

Como p = y* PT e a presso total de 1 atm, a relao de equilbrio p = 1,12 x se transforma em:

y* = 1,12x (4)

Eliminando x entre (3) e (4) e com yT = 0,00125, resulta:

y* = 1,12 (yyT) = 1,12y0,0014

Logo: yy* = 0,00140,12y


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Soluo

005,0

00125,012,00014,0 y

dyNG

Assim:

NG = 3,72

Substituindo em (1):

Z = 3,72 (0,345)

Z = 1,28 m

00125,0*12,00014,0

005,0*12,00014,0ln

12,0

1GN


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Exemplo (02)

Uma corrente de 600 Nm3/h de um gs contendo 10% SO2, 5% O2 e85% N2 dever ser tratada em uma torre recheada com anis de

Raschig de 1 de porcelana com 4540 kg/h de gua para removertodo SO2. Especificar o dimetro da torre que ir operar 1atm e

21oC.


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Exemplo (03)5 Questo:

Uma planta de craqueamento cataltico d origem a 616.000 f/h (3,6 kg/s) de gs cido, com 3,5% de H2Sem

volume. Este gs deve ser tratado para reduzir o teor de H2Sa 10 ppm, mediante absoro em soluo aquosa

de DEA @ 2N. Determine o dimetro e a altura de uma torre recheada com anis de Pall de 1 1/2, plsticos,sabendo-se que a vazo de soluo de DEA 2N 219 GPM.(52,6 m3/h) Considerar os hidrocarbonetos e a

soluo de DEA como inertes.

Dados:

caractersticas do gs

presso = 151 psig (1,04 MPa)

temperatura = 104oF( 40oC)

PM = 20,6

soluo de DEA 2Ndensidade = 63,5 lb/ft3(1017 kg/m

3)

temperatura = 110oF (43oC)

viscosidade = 1,3 cp (1,3x10-3kg/ (m.s))

PM = 105

conc. DEA = 210 g/l (210 kg/m3)(20% peso)

Sugesto: Devido baixa concentrao de H2S, vamos considerar que a torre ir operar a uma temperaturamdia de 110oF. Nestas condies, o equilbrio DEA-H2S dado na tabela abaixo:

214,068,021,46,802,140,68P (atm x 103)

0,4550,2900,1720,0970,0500,021X (mol H2S/ mol DEA)


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a) Determinao do dimetro

Soluo de DEA entrada = 219 . 60 . 8,43 = 110.770 lb/hr

Gs sada = 616000/379 . 0,965 . 20,6 = 32310 lb/hr

abcissa:

da curva, na condio de flooding, ordenada = 0,060para o recheio considerado, Cf = 32

Adotando-se 40% da razo de flooding, devido tendncia a espumar

apresentada por sistemas de aminas, teremos:Gop= 0,40Gf = 2,084 x 103 lb/hr . ft

2

ento:

D = 46

Da, Gop corrigido = 2060 lb/ft2.h

G lb ft 165 7 20 6

10 73 5640 564

3, . ,

, ., /

L

G

G

L

. .,

,,

, ,

0 5 0 5

110770

32310

0 564

63 50 323

G Cf

g

f

G L C L

2 0 2

0 060. .

. .. ,

,

G x G x lb hr ftf f2

8

0 2

6 3 20 060 4 18 10 0 564

32 1 3 0 98263 5 27 10 5 21 10

, . , . . ,

. , . ,. , , / .

,

DA

ft

4 4 32310

20844 4

0 5 0 5. .

.,

, ,


41/47

b) Clculo da altura da torre

b.1) Vamos considerar as solues diludas. Da, a equao aplicada :

Para o problema, temos:kG a* = 4,5 lbmol H2S/hr . atm . Ft3

(* KOHL,A.L. e RIESELFELD, F.C., Gas Purification, McGraw Hill, NY, USA, 1960)

A composio do lquido obtida por balano de material:Mol de H2Sentrando =

Mol de MEA entrando =

ZG

k a P

P P

PG m

. ..

*

1 2

P y P x atmt1 1 0 03531657

14 70 3945 . , ,

,,

P y P x x atm x atmt2 26 5 5

10 1020 6

34

1657

14 710 6 83 10 . .

,.

,

,, .

0 035 616000

379

56 89, .

, / mol hr

1107700 20

105211.

,/ mol hr

X e X1 257

2110 270 0,


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atm

xn

xP

m0398,0

1083,6

341,0

1083,6341,0*

5

5

A estes pontos correspondem, respectivamente,

P1* = 0,056 e P2* = 0 atmDa:P1 = 0,397 - 0,056 = 0,341 atmP2 = 6,83 x 10

-5atm

Ento:

Zk a

ftG

2060 0 397

11 27 15 9

1

0 0398

92 1

4 5217

. ,

. . , . ,.

,

,

,,


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b.2) Considerando-se apenas a soluo gasosa diluda,

a altura da torre calculada pela expresso:

Z = NOG . HOG , com

Para baixas concentraes na fase lquida, temos:

A reta de operao dada por:

Ny

y yd yOG

y

y

2 303

2

1

,*

. loglog

log

HG

k a P yOG

G m

. . ( ) *1

100 68

0 021

0 68 10

0 021 11270 002873

3

p X yx

X X

,

,*

,

, . ..

y YL

GX X X 2111610 0 13,


44/47

0,98-1,41,175,0 x 10-3

0,0350,270

-1,61,102,3 x 10-3

2,6 x 10-2

0,200

-2,91,022,8 x 10-5

1,3 x 10-3

0,010

-3,91,022,8 x 10-

6

1,3 x 10-

4

0,001

0,99-5,21,00-6,2 x 10-6

-

(1-y)*mlog yy/(y-y*)y*yX


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Por integrao grfica obtemos

NOG= 9,1

Z = 19,1 ft

Hx x

x ftOG1667

4 5 1127 0 985

1

15921

, , , ..

ftxZ 11,191,21,9


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Exemplo (04)

An acetone-air mixture containing 0.015 mole fraction of acetone has

the mole fraction reduced to 1% of this value by counter-currentabsorption with water in a packed tower. The gas flow rate G is 1kg/m2s of air and the water entering is 1.6 kg/m2s. Calculate, usingthe data below:the number of overall transfer units NOGthe height of packing required.Equilibrium relation: y* = 1.75x where y* is the mole fraction ofacetone in vapour in equilibrium with a mole fraction x in the liquid.The overall coefficient for absorption KGa = 0.06 kmol/m3s (unit molefraction driving force)-1.molar mass of air = 29 kg/kmol

molar mass of water = 18 kg/kmol


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Exemplo (04)

Soluo

y1 = 0.015 x2 = 0

y2 = 0.015 0.01 = 0.00015 x1 = ?

G = 1 kg/m2s = (1 29) kmol/m2s = 0.0345 kmol/m2s

L = 1.6 kg/m2s = (1.6 18) kmol/m2s = 0.0889

kmol/m2s

Pelo balano de massa global temos:

G(y1 - y2) = L(x1 - x2) 0.0345(0.015 -

0.00015) = 0.0889(x1 - 0)

x1 = 0.00576

y*1 = 1.75x1 = 0.0101

y*2 = 1.75x2 = 0

Dy1 = y1 - y*1 = 0.015 - 0.0101 = 0.0049 (topo)Dy2 = y2 - y*2 = 0.00015 (base)

lm (y - y*) = (0.0049 - 0.00015) ln(0.0049

0.00015) = 0.00136

absorção - (recheios e metodo nut) (2)

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