6. Absoro

Absoro (gas absorption componentes atravs da adio de uma nova fase, onde ocorrem processos de transferncia de massa, predominantemente difusivos, baseados na diferena de solubilidade de um ou mais componentes entre as fases. Na operao de absoroabsorvente (ou solvente) capaz de dissolver seletivamente um ou mais componentes da mistura gasosa. Nesta operao ocorre transferncia de massa da fase gasosa para a lquida. Os componentes que se transferem so denominado A operao inversa da absoro o esgotamento (dessoro ou lquida colocada em contato com o gs absorvente que capaz de remover (absorver) seletivamente um ou mais componentes transferindo A absoro pode ser um processo puramente fsico ou seguido por reaes qumicas, dependendo do grau de solubilidade do soluto no solvente. A absoro com reao qumica tem vasta aplicao industrial, principalmente para a remhidrocarbonetos em correntes de ar. Quando utilizada, a reao qumica aumenta a taxa de absoro e a eficincia de transferncia de massa, devido ao incremento da solubilidade decorrente da presena dos reagentes. Alm disso, a manipulao dos parmetros de processo (temperatura, presso, vazes de alimentao, entre outros) influencia diretamente nas taxas de reao. Em geral, o processo de absoro exotrmico, sendo acompanhado pela liberao de calor. Contudo, em muitos casos os efeitos trmicos resultantes so pequenos. Assim como a destilao, a absoro tambm pode ser representada como uma sequncia de estgios de equilbrio entre as fases, o que, na prtica, ocorre em colunas verticais cilndricas, nas quais so instalados dispositivos de contato, tais como pratos ou recheios. Os fluxos das correntes lquidas e gasosas normalmente ocorrem em contracorrente e os dispositivos garantem superfcie de contato e turbulncia necessria para que ocorra a transfer As torres de pratos podem ser projetadas com o auxlio do mtodo McCaberecheadas so projetadas geralmente com base nos fundamentos de transferncia de massa.

6.1 Aplicaes industriais

Os processos de absoro e dessoropetroqumicas e de alimentos, bem como nos equipamentos de controle da poluiopara produo, separao e purificao de misturas gasosas e concentrao de gases industriais, na produo de cidos (sulfrico, clordrico, ntrico e fosfrico), amonaco, amnia, formaldedo, carbonato de sdio, fertilizantes inorgnicosrefinarias de petrleo, na remoo de compostos txicos ou odorferos e na sepahidrocarbonetos gasosos. Em unidades industriais usual associar a coluna de absoro com uma coluna de dessoro para recuperao do solvente (utilizao em ciclo fechado), conforme exemplo da Fig. 6.1. Para regenerar o solvente ou para obter a corrente gasosa de soluto na forma pura, pode-se elevar a temperatura, diminuir a presso ou pode-se usar outro gs (vapor dgua) numa coluna de dessoro (coluna regeneradora).

gas absorption ou scrubbing) uma operao unitria de separao de componentes atravs da adio de uma nova fase, onde ocorrem processos de transferncia de massa, predominantemente difusivos, baseados na diferena de solubilidade de um ou mais

Na operao de absoro, uma mistura gasosa colocada em contato com um lquido absorvente (ou solvente) capaz de dissolver seletivamente um ou mais componentes da mistura gasosa. Nesta operao ocorre transferncia de massa da fase gasosa para a lquida. Os componentes que se transferem so denominados solutos ou absorbatos.

operao inversa da absoro o esgotamento (dessoro ou strippinglquida colocada em contato com o gs absorvente que capaz de remover (absorver) seletivamente um ou mais componentes transferindo-os da fase lquida para a gasosa.

A absoro pode ser um processo puramente fsico ou seguido por reaes qumicas, dependendo do grau de solubilidade do soluto no solvente. A absoro com reao qumica tem vasta aplicao industrial, principalmente para a remoo de gases cidos, misturas inertes e hidrocarbonetos em correntes de ar. Quando utilizada, a reao qumica aumenta a taxa de absoro e a eficincia de transferncia de massa, devido ao incremento da solubilidade decorrente da

Alm disso, a manipulao dos parmetros de processo (temperatura, presso, vazes de alimentao, entre outros) influencia diretamente nas taxas de reao.

Em geral, o processo de absoro exotrmico, sendo acompanhado pela liberao de calor. em muitos casos os efeitos trmicos resultantes so pequenos.

Assim como a destilao, a absoro tambm pode ser representada como uma sequncia de estgios de equilbrio entre as fases, o que, na prtica, ocorre em colunas verticais cilndricas, nas

ais so instalados dispositivos de contato, tais como pratos ou recheios. Os fluxos das correntes lquidas e gasosas normalmente ocorrem em contracorrente e os dispositivos garantem superfcie de contato e turbulncia necessria para que ocorra a transferncia de massa.

As torres de pratos podem ser projetadas com o auxlio do mtodo McCaberecheadas so projetadas geralmente com base nos fundamentos de transferncia de massa.

Aplicaes industriais

Os processos de absoro e dessoro so muitos usados nas indstrias qumicas, petroqumicas e de alimentos, bem como nos equipamentos de controle da poluiopara produo, separao e purificao de misturas gasosas e concentrao de gases industriais, na

s (sulfrico, clordrico, ntrico e fosfrico), amonaco, amnia, formaldedo, fertilizantes inorgnicos, no tratamento de gases de combusto do carvo e de

refinarias de petrleo, na remoo de compostos txicos ou odorferos e na sepa

Fig. 6.1: exemplo de unidade de absoro com coluna regeneradora

45

uma operao unitria de separao de componentes atravs da adio de uma nova fase, onde ocorrem processos de transferncia de massa, predominantemente difusivos, baseados na diferena de solubilidade de um ou mais

locada em contato com um lquido absorvente (ou solvente) capaz de dissolver seletivamente um ou mais componentes da mistura gasosa. Nesta operao ocorre transferncia de massa da fase gasosa para a lquida. Os

stripping) onde uma mistura lquida colocada em contato com o gs absorvente que capaz de remover (absorver)

fase lquida para a gasosa. A absoro pode ser um processo puramente fsico ou seguido por reaes qumicas,

dependendo do grau de solubilidade do soluto no solvente. A absoro com reao qumica tem oo de gases cidos, misturas inertes e

hidrocarbonetos em correntes de ar. Quando utilizada, a reao qumica aumenta a taxa de absoro e a eficincia de transferncia de massa, devido ao incremento da solubilidade decorrente da

Alm disso, a manipulao dos parmetros de processo (temperatura, presso, vazes de alimentao, entre outros) influencia diretamente nas taxas de reao.

Em geral, o processo de absoro exotrmico, sendo acompanhado pela liberao de calor.

Assim como a destilao, a absoro tambm pode ser representada como uma sequncia de estgios de equilbrio entre as fases, o que, na prtica, ocorre em colunas verticais cilndricas, nas

ais so instalados dispositivos de contato, tais como pratos ou recheios. Os fluxos das correntes lquidas e gasosas normalmente ocorrem em contracorrente e os dispositivos garantem superfcie de

As torres de pratos podem ser projetadas com o auxlio do mtodo McCabe-Thiele. As torres recheadas so projetadas geralmente com base nos fundamentos de transferncia de massa.

nas indstrias qumicas, petroqumicas e de alimentos, bem como nos equipamentos de controle da poluio. So utilizados para produo, separao e purificao de misturas gasosas e concentrao de gases industriais, na

s (sulfrico, clordrico, ntrico e fosfrico), amonaco, amnia, formaldedo, , no tratamento de gases de combusto do carvo e de

refinarias de petrleo, na remoo de compostos txicos ou odorferos e na separao de

exemplo de unidade de absoro com coluna regeneradora

6.2 Equilbrio de fases

Para o aprofundamento de nossos estudos de absoro, iremos considerar apenas a fsica e isotrmica, com transferncia entre fases unidirecional de apenas um componente (soluto), considerando gs insolvel no lquido (inerte) e lquido no voltil (presso de vapor muito baixa). Quando se coloca uma mistura gasosa em contatocomponentes solvel, a composio do soluto no lquido vai evoluir at atingir um valor de equilbrio dinmico (solubilidade do soluto no lquido). Esta solubilidade funo da natureza dos componentes, da temperatura, da Para sistemas ideais (gs e lquido), as composies de equilbrio (do soluto) esto relacionadas linearmente entre si atravs da Lei de Raoult:

, No entanto, a maioria das misturas no so ideais. Neste caso, as composies de equilbrio podem ser relacionadas de acordo com a Lei de Henry, onde

OBS: no caso da absoro, para simplificao da notao, consideramos o soluto como referncia, suprimindo o ndice quando nos referimos a ele. A Lei de Henry vlida para misturas diludas (usualmente, concentraes molares de soluto menor do que 5 %), pois nestas condies a relao entre as composies de equilbrio (y e linear (H constante). Para maiores concentrao de soluto, a curva de equilbrio tende a se afastar da condio linear. Alm disso, as relaes de equilbrio normalmente variam com a temperatura e presso, de forma que, via de regra, quanto maior a temperatura, menor a solubilidade na fase lquidatendncia do soluto permanecer na fase gasosa (maior y). Tais comportamentos podem ser visualizados qualitativamente na Fig. 6.2. Em geral, opresso anlogo, mas oposto ao efeito da temperatura

6.3 Colunas de pratos

Colunas de pratos so equipamentos de separao onde cada prato constitui um estgio de equilbrio. Elas so representadacomo conveno padro de notao, numeragasosas so alimentadas pela base da coluna e saem pelo topo, o oposto das correntes lquidas, em uma configurao do tipo contracorrente. Na operao de absoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser absorvido, est na fase gasosa (GN+1) e a fase adicionada uma corrente solvente lquida (temos duas correntes de sada, uma gasosa exaurida de soluto (absorvido (LN), conforme mostrado na correntes de entrada (yN+1 e x0) e especificada a composio da corrente gasosa de sada (composio da corrente lquida de sada ( J na operao de dessoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser dessorvido, est na fase lquida (Neste caso, temos duas correntes de sada, uma lquida exaurida de soluto (contendo o soluto absorvido (G1composies das correntes de entrada (

Para o aprofundamento de nossos estudos de absoro, iremos considerar apenas a fsica e isotrmica, com transferncia entre fases unidirecional de apenas um componente (soluto), considerando gs insolvel no lquido (inerte) e lquido no voltil (presso de vapor muito baixa).

Quando se coloca uma mistura gasosa em contato com um lquido no qual um dos componentes solvel, a composio do soluto no lquido vai evoluir at atingir um valor de equilbrio dinmico (solubilidade do soluto no lquido). Esta solubilidade funo da natureza dos componentes, da temperatura, da presso parcial do gs na fase gasosa e da composio do lquido.

Para sistemas ideais (gs e lquido), as composies de equilbrio (xAdo soluto) esto relacionadas linearmente entre si atravs da Lei de Raoult:

No entanto, a maioria das misturas no so ideais. Neste caso, as composies de equilbrio

podem ser relacionadas de acordo com a Lei de Henry, onde H a constante de Henry:

absoro, para simplificao

da notao, consideramos o soluto como referncia, suprimindo o ndice quando nos referimos a ele.

A Lei de Henry vlida para misturas diludas (usualmente, concentraes molares de soluto menor do

ies a relao entre as e x) aproximadamente

constante). Para maiores concentrao de soluto, a curva de equilbrio tende a se afastar da

Alm disso, as relaes de equilbrio m a temperatura e presso, de

forma que, via de regra, quanto maior a temperatura, menor a solubilidade na fase lquida e maior a tendncia do soluto permanecer na fase gasosa (maior

Tais comportamentos podem ser visualizados Em geral, o efeito da

oposto ao efeito da temperatura.

Fig. 6.2: relaes de equilbrio gse efeito qualitativo da temperatura

Colunas de pratos so equipamentos de separao por contato descontnuo (multiestgios), onde cada prato constitui um estgio de equilbrio. Elas so representadas por torres verticais e como conveno padro de notao, numera-se os estgios de cima para baixo. As correntes gasosas so alimentadas pela base da coluna e saem pelo topo, o oposto das correntes lquidas, em uma configurao do tipo contracorrente.

operao de absoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser absorvido, ) e a fase adicionada uma corrente solvente lquida (

temos duas correntes de sada, uma gasosa exaurida de soluto (G1) e uma lquida contendo o soluto ), conforme mostrado na Fig. 6.3. Via de regra, so conhecidas as composies das

) e especificada a composio da corrente gasosa de sada (composio da corrente lquida de sada (xN) pode ser determinada via balanos materiais.

J na operao de dessoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser dessorvido, est na fase lquida (L0) e a fase adicionada uma corrente absorvente gasosa (

rentes de sada, uma lquida exaurida de soluto (1), conforme mostrado na Fig. 6.4. Via de regra, so co

composies das correntes de entrada (x0 e yN+1) e especificada a composio da corrente lquida de 46

Para o aprofundamento de nossos estudos de absoro, iremos considerar apenas a absoro fsica e isotrmica, com transferncia entre fases unidirecional de apenas um componente (soluto), considerando gs insolvel no lquido (inerte) e lquido no voltil (presso de vapor muito baixa).

com um lquido no qual um dos componentes solvel, a composio do soluto no lquido vai evoluir at atingir um valor de equilbrio dinmico (solubilidade do soluto no lquido). Esta solubilidade funo da natureza dos

presso parcial do gs na fase gasosa e da composio do lquido. A e yA, fraes molares

, No entanto, a maioria das misturas no so ideais. Neste caso, as composies de equilbrio

a constante de Henry:

relaes de equilbrio gs-lquido e efeito qualitativo da temperatura

contato descontnuo (multiestgios), s por torres verticais e

se os estgios de cima para baixo. As correntes gasosas so alimentadas pela base da coluna e saem pelo topo, o oposto das correntes lquidas, em

operao de absoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser absorvido, ) e a fase adicionada uma corrente solvente lquida (L0). Neste caso,

ma lquida contendo o soluto . Via de regra, so conhecidas as composies das

) e especificada a composio da corrente gasosa de sada (y1). A pode ser determinada via balanos materiais.

J na operao de dessoro, a corrente de alimentao, a qual contm o soluto a ser e a fase adicionada uma corrente absorvente gasosa (GN+1).

rentes de sada, uma lquida exaurida de soluto (LN) e uma gasosa . Via de regra, so conhecidas as

) e especificada a composio da corrente lquida de

sada (xN). A composio da corrente materiais. Por convenincia matemtica, podedefinido, para a absoro, como a razo entre o soluto absorvido e o soluto que entra na corrente gasosa, e, para a dessoro, como a razo entre o soluto dessorvido e o soluto que entra na corrente lquida. Assim, pode-se determinar a composio de sada para um processo em contracorrente. Assim, para a absoro:

1 1

De forma anloga, para a dessoro:

1 1

Fig. 6.3: representao esquemtica de um processo de absoro

6.3.1 Mtodo McCabe Para o clculo do nmero de estgios tericos necessriosMcCabe-Thiele, onde necessita-se da linha de equilbrio correntes em equilbrio (que saem de cada estgio) e a linha de operaocomposies das correntes que se cruzam em cada estgio. Se considerarmos que s o soluto se transfere entre as correntes, podemos utilizar o linha de operao pode ser aproximada por uma reta, devendo ser observado se as correntes so diludas ou concentradas (conforme demonstrado na seo

1 1

L.OP.

). A composio da corrente gasosa de sada (y1) pode ser determinada via balanos

Por convenincia matemtica, pode-se utilizar o conceito de frao de soluto a recuperar (definido, para a absoro, como a razo entre o soluto absorvido e o soluto que entra na corrente gasosa, e, para a dessoro, como a razo entre o soluto dessorvido e o soluto que entra na corrente

se determinar a composio de sada para um processo em contracorrente.

!"#$%& $'(&

+ 1

De forma anloga, para a dessoro:

1

representao esquemtica de um processo Fig. 6.4: representao esquemtica de um processo de dessoro

McCabe-Thiele Para o clculo do nmero de estgios tericos necessrios (N), pode-se utilizar o mtodo de

se da linha de equilbrio (L.EQ.) que relaciona as correntes em equilbrio (que saem de cada estgio) e a linha de operao (L.OP.) composies das correntes que se cruzam em cada estgio. Se considerarmos que s o soluto se transfere entre as correntes, podemos utilizar o conceito de correntes isentas de soluto (linha de operao pode ser aproximada por uma reta, devendo ser observado se as correntes so diludas ou concentradas (conforme demonstrado na seo 3.6.2, caso B).

1 1 + 1

ou + 47

) pode ser determinada via balanos

utilizar o conceito de frao de soluto a recuperar (f), definido, para a absoro, como a razo entre o soluto absorvido e o soluto que entra na corrente gasosa, e, para a dessoro, como a razo entre o soluto dessorvido e o soluto que entra na corrente

se determinar a composio de sada para um processo em contracorrente.

+

representao esquemtica de um processo de dessoro

se utilizar o mtodo de que relaciona as composies das

(L.OP.) que relaciona as composies das correntes que se cruzam em cada estgio. Se considerarmos que s o soluto se

conceito de correntes isentas de soluto (L e G) e a linha de operao pode ser aproximada por uma reta, devendo ser observado se as correntes so

1

+

48

Para correntes diludas, a L.OP. representada satisfatoriamente por uma reta no diagrama [x, y] e pode ser facilmente representada por dois pontos: (x0, y1) e (xN, yN+1). Para corrente concentradas, no entanto, a L.OP. s representada satisfatoriamente por uma reta no diagrama [X, Y]. Neste caso, ela representada pelos pontos: (X0, Y1) e (XN, YN+1). Em virtude das caractersticas de cada uma das operaes, na operao de absoro, a L.OP. fica acima da L.EQ. no diagrama, enquanto que, na operao de dessoro, a L.OP. fica abaixo da L.EQ. Na Fig. 6.5, mostrado um exemplo hipottico de aplicao do mtodo McCabe-Thiele para um processo de absoro. Na Fig. 6.6, mostrado outro exemplo hipottico para um processo de dessoro. Em ambos os casos, so representadas linhas de operao retas em diagramas [x, y] (vlidas para correntes diludas) e N ~ 2,6. Para correntes concentradas, o procedimento anlogo, desde que se utilize um diagrama [X, Y], com as devidas converses (inclusive para a L.EQ.).

Fig. 6.5: exemplo de aplicao do mtodo McCabe-Thiele para um processo de absoro

Fig. 6.6: exemplo de aplicao do mtodo McCabe-Thiele para um processo de dessoro

6.3.2 Vazo mnima de absorvente A inclinao da L.OP. proporcional razo entre as vazes lquidas e gasosas isentas de inerte (L/G). Na absoro, a diminuio da vazo de solvente (L), para uma mesma vazo de gs a ser tratado (G), ocasiona a diminuio da inclinao da L.OP., aproximando-a da L.EQ. Assim, aumenta o nmero de estgios necessrios para a separao e a concentrao de soluto na corrente de sada de solvente. No caso limite, haver uma vazo mnima de lquido absorvente (solvente), para a qual o ponto extremo superior da L.OP. atingir a L.EQ., situao associada a um infinito nmero de estgios necessrios para a separao desejada e a mxima concentrao de soluto da corrente lquida de sada (xN,MAX). Tal comportamento pode ser visualizado na Fig. 6.7. Para a dessoro, a ideia anloga, mas oposta, conforme Fig. 6.8. Assim, as vazes mnimas de absorvente, para cada um dos casos (LMIN ou GMIN), podem ser determinadas pela prpria definio da inclinao da L.OP., da seguinte forma:

,- .,,/ 0 ,- .,,/ 0

Analisando os efeitos da mudana da inclinao da L.OP. para a absoro: L.OP. se afasta da L.EQ., xN , N , diminuem os custos de investimento na absoro, mas aumentam os custos de operao e recuperao do soluto no lquido L.OP. se aproxima da L.EQ., xN , N , aumentam os custos de investimento na absoro, mas diminuem os custos de operao e recuperao do soluto no lquido

Fig. 6.7: vazo mnima de absorvente na

O conceito o mesmo para misturas concentradas. Contudo, neste caso, devediagrama apropriado [X, Y] e as devidas converses nas Uma anlise econmica determina a relao tima

Outras regras prticas podem ser usadas. De acordo com Geankoplis:

Onde m a inclinao mdia da L.EQ. No caso linear: Seader e Henley apresentam umano fator de dessoro (S), definidos por:

1 ' Dessa forma, o fator de absoro a (m) e o fator de dessoro, o inverso. Seader e Henley recomendam que seja considerado um afastamento timo entre estas linhas

Como heurstica de projeto, usual considerar:

6.3.3 Mtodo de Kremser Para misturas diludas (composio de soluto inferior a 5e gasosas na coluna pouco significativa e podemos considerar vlida a Lei dea linha de operao como a linha de equilbrio podem ser representadas aproximadamente por linhas retas em um diagrama [xanaliticamente o nmero de estgios tericos neces(tambm conhecido como mtodo do fator de absoro)calcular as composies de sada para colunas com nmero de pratos ( Para a absoro:

2 3 4 ' ' 5131

vazo mnima de absorvente na absoro Fig. 6.8: vazo mnima de absorvente na dessoro

O conceito o mesmo para misturas concentradas. Contudo, neste caso, deve] e as devidas converses nas equaes (x por X e y

Uma anlise econmica determina a relao tima L/G de projeto e operao

67 1,2 1,5 6

7,- Outras regras prticas podem ser usadas. De acordo com Geankoplis:

67 1,5 ' a inclinao mdia da L.EQ. No caso linear: y = mx.

presentam uma relao tima L/G com base no fator de absoro (), definidos por:

: ' Dessa forma, o fator de absoro a razo entre as inclinaes da L.OP. (

) e o fator de dessoro, o inverso. Seader e Henley recomendam que seja considerado um afastamento timo entre estas linhas (AOT ou SOT) na seguinte faixa: 1,25 ; 1

Para a dessoro:

2 3 4' ' 53:

Quando os fatores de absoro e dessoroequaes so indeterminadas. Neste caso, para a absoro (com

2 ' Para a dessoro (com S = 1):

2 5' ? O mtodo de Kremser tambm pode ser usado para correntes concentradas, desde que a L.EQ. seja uma linha reta no diagrama [y por Y.

6.4 Torres recheadas

A utilizao de recheio em colunas de e gasosa e preferida quando a eficincia do contato por estgios baixa. Estas colunas podem operar tanto em concorrente (igual sentido) como em contraque apenas um soluto absorvido, a sua concentrao na fase gasosa vai diminuindo, desde a sua entrada at sua sada, enquanto desta. Como consequncia, num processo ao longo da coluna (independentemente da entrada das correntes ser na base ou no topo), reduzindo deste modo a velocidade de transferncia de massamotriz no varia muito ao longo da coluna (elevadas, os processos em contracorrente necessitam

Fig. 6.9: fora motriz de um processo de absoro em concorrente

Em ambos os processos, aumentando no sentido de fluxoconstantes ao longo da coluna (considerando que o primeiro no solvel no lquido e que o segundo tem uma presso de vapor baixa).

51 1:? 1:@ A: 1: 1B 5

Quando os fatores de absoro e dessoro forem unitrios (L.EQ. e L.OP. paralelas), tais so indeterminadas. Neste caso, para a absoro (com A = 1):

22 = 1):

? 52

2 O mtodo de Kremser tambm pode ser usado para correntes concentradas, desde que a

L.EQ. seja uma linha reta no diagrama [X, Y], ou seja Y = mX, substituindo nas equaes

A utilizao de recheio em colunas de absoro permite o contato contnuo das fases lquida e gasosa e preferida quando a eficincia do contato por estgios baixa. Estas colunas podem

ncorrente (igual sentido) como em contracorrente (sentidos opostos). absorvido, a sua concentrao na fase gasosa vai diminuindo, desde a sua

entrada at sua sada, enquanto que na fase lquida ela vai aumentando desde a entrada at sada desta. Como consequncia, num processo em concorrente (Fig. 6.9), a fora motriz ao longo da coluna (independentemente da entrada das correntes ser na base ou no topo), reduzindo

dade de transferncia de massa. J num processo em contracorrente, a fora motriz no varia muito ao longo da coluna (Fig. 6.10). Por isso, para recuperaes de soluto

contracorrente necessitam de menor altura de enchimento.

fora motriz de um processo de absoro Fig. 6.10: fora motriz de um processo de absoro em contracorrente

m ambos os processos, a vazo de gs (G) vai diminuindo e ano sentido de fluxo. Contudo, as vazes isentas de soluto

coluna (considerando que o primeiro no solvel no lquido e que o segundo tem uma presso de vapor baixa).

50

B 5 ' ? ' forem unitrios (L.EQ. e L.OP. paralelas), tais

2 ' 1

52 ' ? 1 O mtodo de Kremser tambm pode ser usado para correntes concentradas, desde que a

, substituindo nas equaes x por X e

absoro permite o contato contnuo das fases lquida e gasosa e preferida quando a eficincia do contato por estgios baixa. Estas colunas podem

corrente (sentidos opostos). Supondo absorvido, a sua concentrao na fase gasosa vai diminuindo, desde a sua

desde a entrada at sada a fora motriz vai diminuindo

ao longo da coluna (independentemente da entrada das correntes ser na base ou no topo), reduzindo cesso em contracorrente, a fora

Por isso, para recuperaes de soluto de menor altura de enchimento.

fora motriz de um processo de absoro em contracorrente

vai diminuindo e a de lquido (L) vai (G e L) mantm-se

coluna (considerando que o primeiro no solvel no lquido e que o

Assim, iremos aprofundar mtodos de clculo de torres recheadas considerando a operao de absoro em contracorrente, com misturas diludas (concentrao de soluto em todas as correntes de no mximo 5 %). Para diferenciar das colunas de pratos (que utilizam o conceito de estgios), utilizaremos a seguinte notao, conforme Fig. 6.11:

C 1 C = C 1 C =

= 1 C1 C

6.4.1 Escolha do recheio Os recheios podem ser produzidos num amplo espectro de materiais, geralmente metlicos (resistncia mecnica com baixo custo relativo), cermicos (alta resistncia mecnica e corroso), plsticos (baixo peso e baixo custo) e de carvo (quimicamente resistentes, tambm podusados em altas temperaturas, mas tem elevado custo). O recheio deve apresentar algumas qualidades desejadas, entre elas alta porosidade, alta rea especfica, baixa perda de carga, resistncia qumica e mecnica, formato irregular para evitar escoamento preferencial (os recheios randmicos so geralmente utilizados no formato de celas ou anis), baixo custo e baixo peso especfico. O tamanho do recheio influencia no dimetro e na altura da coluna, na perda de carga total e no custo do recheio. A eficincia, a perda de carga e a capacidade dos recheios so funes da rea superficial e da porosidade dos recheios. As caractersticas fsicas dos recheios podem ser obtidas nos catlogos dos fabricantes. Contudo, existem na literatura muitas tabelas prcompilados para recheios tpicos. Alguns deles so mostrados na

Tab.

Recheio Tamanho nominal

(TN) Porosidade

Anis de Raschig

(cermicos)

1

2

Anis de Raschig

(metlicos)

1

2

Anis de Pall

1

2

Selas de Berl

1

2

Assim, iremos aprofundar mtodos de clculo de torres recheadas considerando a operao de absoro em contracorrente, com

centrao de soluto em todas as correntes de no mximo 5 %). Para diferenciar das colunas de pratos (que utilizam o conceito de estgios), utilizaremos a seguinte

1 = 1 =

C

Fig. 6.11: notao para colunas recheadas

Escolha do recheio ser produzidos num amplo espectro de materiais, geralmente metlicos

(resistncia mecnica com baixo custo relativo), cermicos (alta resistncia mecnica e corroso), plsticos (baixo peso e baixo custo) e de carvo (quimicamente resistentes, tambm podusados em altas temperaturas, mas tem elevado custo).

O recheio deve apresentar algumas qualidades desejadas, entre elas alta porosidade, alta rea especfica, baixa perda de carga, resistncia qumica e mecnica, formato irregular para evitar

amento preferencial (os recheios randmicos so geralmente utilizados no formato de celas ou anis), baixo custo e baixo peso especfico.

O tamanho do recheio influencia no dimetro e na altura da coluna, na perda de carga total e ficincia, a perda de carga e a capacidade dos recheios so funes da rea

superficial e da porosidade dos recheios. As caractersticas fsicas dos recheios podem ser obtidas nos catlogos dos fabricantes. Contudo, existem na literatura muitas tabelas prcompilados para recheios tpicos. Alguns deles so mostrados na Tab. 6.1.

Tab. 6.1: Caractersticas de recheios industriais

Porosidade ()

rea superficial (a, ft2/ft3)

Fator de empacotamento

(F)

Massa especficado empilhamento

0,63 111 580

0,73 58 155

0,74 28 65

0,73 118 410

0,85 57 137

0,92 31,4 57

0,93 66,3 48

0,94 36,6 20

0,63 142 240

0,69 76 110

0,72 32 45

51

notao para colunas recheadas

ser produzidos num amplo espectro de materiais, geralmente metlicos (resistncia mecnica com baixo custo relativo), cermicos (alta resistncia mecnica e corroso), plsticos (baixo peso e baixo custo) e de carvo (quimicamente resistentes, tambm podem ser

O recheio deve apresentar algumas qualidades desejadas, entre elas alta porosidade, alta rea especfica, baixa perda de carga, resistncia qumica e mecnica, formato irregular para evitar

amento preferencial (os recheios randmicos so geralmente utilizados no formato de celas ou

O tamanho do recheio influencia no dimetro e na altura da coluna, na perda de carga total e ficincia, a perda de carga e a capacidade dos recheios so funes da rea

superficial e da porosidade dos recheios. As caractersticas fsicas dos recheios podem ser obtidas nos catlogos dos fabricantes. Contudo, existem na literatura muitas tabelas prticas com dados

Massa especfica do empilhamento

(lb/ft3) 54

40

38

132

71

37

33

27,5

54

45

40

O tamanho nominal do recheio randmico no deve ser maior que 1/8 do dimetro da torre, devido formao de canais preferenciais da fase lquida junto s paredes da coluna e a m distribuio de lquido. Em unidades industriais, raramente so usados recheios menore(1/2). Regras prticas recomendam a utilizao de recheios de 25 mm (1) para vazes de gs de 0,2 m3/s e recheios de 50 mm (2) para vazes de gs de 4 m

6.4.2 Clculo do dimetro da coluna A determinao do dimetro da coluna pode ser feita projeto, entre eles o critrio do afastamento da inundao e o critrio da queda de presso recomendada.

Critrio do afastamento da inundao:do gs, chamado de velocidade de inundao. Esta velocidade pode ser encontrada pela observao da perda de carga apresentada pelo recheio em funo da velocidade do gs ou e pela observao da reteno de lquido na coluna de recheio. A velocidade mssica de gs para inundapode ser determinada, para recheios randmicos, de acordo com a Correlao Generalizada de Queda de Presso (CGQP), mostrada na

LG

LS FGR

=

994,2

2,02

Fig. 6.12: correlao generalizada de queda de presso (CGQP) em leitos recheados

Legenda: LS = fluxo mssico de lquido (kg/mGS = fluxo mssico de gs (kg/mL = massa especfica do lquido (kg/mG = massa especfica do gs (kg/mF = fator de empacotamento do recheio = fator de correo da densidade: L = viscosidade do lquido (mPa

nominal do recheio randmico no deve ser maior que 1/8 do dimetro da torre, devido formao de canais preferenciais da fase lquida junto s paredes da coluna e a m distribuio de lquido. Em unidades industriais, raramente so usados recheios menore(1/2). Regras prticas recomendam a utilizao de recheios de 25 mm (1) para vazes de gs de

/s e recheios de 50 mm (2) para vazes de gs de 4 m3/s.

do dimetro da coluna A determinao do dimetro da coluna pode ser feita atravs de diferentes critrios de

projeto, entre eles o critrio do afastamento da inundao e o critrio da queda de presso

Critrio do afastamento da inundao: Uma torre recheada possui um limite superior para a vazo velocidade de inundao. Esta velocidade pode ser encontrada pela observao

da perda de carga apresentada pelo recheio em funo da velocidade do gs ou e pela observao da reteno de lquido na coluna de recheio. A velocidade mssica de gs para inundapode ser determinada, para recheios randmicos, de acordo com a Correlao Generalizada de Queda de Presso (CGQP), mostrada na Fig. 6.12.

L

G

S

SLG G

LF

=

orrelao generalizada de queda de presso (CGQP) em leitos recheados

= fluxo mssico de lquido (kg/m2s) = fluxo mssico de gs (kg/m2s) = massa especfica do lquido (kg/m3) = massa especfica do gs (kg/m3)

= fator de empacotamento do recheio = fator de correo da densidade: H2O/L = viscosidade do lquido (mPas)

52

nominal do recheio randmico no deve ser maior que 1/8 do dimetro da torre, devido formao de canais preferenciais da fase lquida junto s paredes da coluna e a m distribuio de lquido. Em unidades industriais, raramente so usados recheios menores que 13 mm (1/2). Regras prticas recomendam a utilizao de recheios de 25 mm (1) para vazes de gs de

atravs de diferentes critrios de projeto, entre eles o critrio do afastamento da inundao e o critrio da queda de presso

Uma torre recheada possui um limite superior para a vazo velocidade de inundao. Esta velocidade pode ser encontrada pela observao

da perda de carga apresentada pelo recheio em funo da velocidade do gs ou e pela observao da reteno de lquido na coluna de recheio. A velocidade mssica de gs para inundao na coluna pode ser determinada, para recheios randmicos, de acordo com a Correlao Generalizada de

orrelao generalizada de queda de presso (CGQP) em leitos recheados

53

Alternativamente ao mtodo grfico, pode-se determinar a velocidade mssica gasosa na condio de inundao utilizando uma equao analtica (mais adequada para a resoluo computacional), que relaciona o parmetro do recheio (RIN), com o parmetro de fluxo (FLG). Wankat apresenta uma expresso analtica que representa, de forma aproximada, a linha de inundao:

3D- 1,6678 1,085 3HIJ 0,29655 L3HIJMN O dimetro de uma coluna recheada pode ser determinado utilizando o critrio do afastamento da condio de inundao. O objetivo deste critrio permitir que o leito recheado opere com uma velocidade da fase gasosa abaixo da condio de inundao. Usualmente, adota-se uma vazo de gs entre 40 % e 80 % da vazo de inundao (recomendado para colunas absorvedoras e regeneradoras). Nestas condies, as torres apresentaro queda de presso entre 200 e 400 Pa/m (0,25 a 0,50 in H2O/ft de recheio), prximo ao limite inferior da regio de reteno dinmica de lquido. De acordo com este critrio, pode-se utilizar o algoritmo mostrado a seguir:

1. Determinar o parmetro de fluxo, usando vazes mssicas isentas de soluto: HIJ PP QRJRI

2. Determinar o parmetro do recheio para a condio de inundao (RIN) 3. Escolher tipo e tamanho nominal (TN) do recheio e determinar o fator de empacotamento (F) 4. Determinar o fluxo gasoso para a condio de inundao (GS,IN) 5. Determinar o fluxo gasoso de projeto, segundo critrio especificado: GS = [0,4 a 0,8]GS,IN

6. Calcular o dimetro da coluna (D) com a rea transversal: 1= PP 7. Validar o clculo: se TN D/8, OK. Seno, retornar ao passo 3

Critrio da queda de presso recomendada: Os grandes fabricantes de recheio, aps acumularem informaes e experincia de operao de colunas industriais, realizaram atualizaes na CGQP e passaram a recomendar valores de queda de presso para o dimensionamento de colunas recheadas. De uma forma geral, os leitos recheados devem ser projetados para operar com queda de presso entre 8 e 64 mm H2O/m de recheio. Abaixo do limite inferior, a eficincia de separao torna-se muito baixa e acima do limite superior, aproxima-se da condio de inundao. Especificamente para colunas absorvedoras/regeneradoras, recomenda-se queda de presso entre 21 e 42 mm H2O/m de recheio. O dimetro de colunas recheadas pode ser determinado pelo critrio da queda de presso recomendada, com auxlio da CGQP, conforme algoritmo a seguir:

1. Determinar o parmetro de fluxo, usando vazes mssicas isentas de soluto: HIJ PP QRJRI

2. Especificar a queda de presso a ser considerada (21 42 mmH2O/m) 3. Determinar o parmetro do recheio para a queda de presso especificada (R) 4. Escolher tipo e tamanho nominal (TN) do recheio e determinar o fator de empacotamento (F) 5. Determinar o fluxo gasoso de projeto (GS)

6. Calcular o dimetro da coluna (D) com a rea transversal: 1= PP 7. Validar o clculo: se TN D/8, OK. Seno, retornar ao passo 4

6.4.3 Coeficientes de transferncia de massa Na operao de absoro, onde apenas o soluto se transfere de fase, podetaxa de transferncia de massa com base na teoria dos dois filmes (teoria da dupla camada ou das duas resistncias), considerando um processo de difuso unidirecional ou difuso atravs de um componente estacionrio. A taxa de absoro (r) poindividuais ou globais baseados nas fases lquida ou gasosa. Normalmente so utilizados coeficientes volumtricos, pois mais difcil determinar os coeficientes por unidade de rea e, alm disso, em geral, o objetivo determinar o volume total da coluna absorvedora.

" ST UOnde: kya = coeficiente volumtrico de transferncia de massa individual da fase gasosa (kgmol/mkxa = coeficiente volumtrico de transferncia de massa individual da fase lquida (kgmol/mKya = coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase gasosa (kgmol/mKxa = coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase lquida (kgmola = rea interfacial por unidade de volume da coluna recheada (my; x = fraes molares do soluto na fase gasosa e lquidayi; xi = fraes molares do soluto na interface da fase gasosa e lquiday*; x* = fraes molares globais (fictcias) de eq

Salienta-se que a fora motriz a ser considerada na equao da taxa de absoro (y ou x) depende do coeficiente volumtrico utilizado. Conhecidos os coeficientes individuais possvel encontrar as composies interfaciais em um diagrama [x, y] com as linhas de operao e de equilbrio (L.OP. e L.EQ.), conforme mostrado na Fig. 6.13, assumindo a L.EQ. representada por uma linha reta (y Como a determinao dos coeficientes individuais mais difcil, o uso dos coeficientes globais mais comum. Contudo, de acordo com a teoria resistncias, os coeficientes globais esto relacionados com os coeficientes individuais da seguinte forma:

1VT W 1ST W 'SWRG RFG RFL

OBS: em colunas recheadas comum a seguinte relao: As resistncias globais (dependendo da fora motriz global a ser utilizada Contudo, so sempre definidas como lquido e do filme gasoso (RFLproporo relativa (percentual) das resistncias individuais a mesma.

Coeficientes de transferncia de massa Na operao de absoro, onde apenas o soluto se transfere de fase, pode

taxa de transferncia de massa com base na teoria dos dois filmes (teoria da dupla camada ou das duas resistncias), considerando um processo de difuso unidirecional ou difuso atravs de um

) pode ser expressa de diferentes maneiras, utilizando coeficientes individuais ou globais baseados nas fases lquida ou gasosa. Normalmente so utilizados coeficientes volumtricos, pois mais difcil determinar os coeficientes por unidade de rea e, alm

sso, em geral, o objetivo determinar o volume total da coluna absorvedora. SX U VT VX

= coeficiente volumtrico de transferncia de massa individual da fase gasosa (kgmol/mvolumtrico de transferncia de massa individual da fase lquida (kgmol/m

= coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase gasosa (kgmol/m= coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase lquida (kgmol

= rea interfacial por unidade de volume da coluna recheada (m-1) = fraes molares do soluto na fase gasosa e lquida = fraes molares do soluto na interface da fase gasosa e lquida

= fraes molares globais (fictcias) de equilbrio na fase gasosa e lquida

se que a fora motriz a ser considerada na equao da taxa de absoro

) depende do coeficiente

Conhecidos os coeficientes individuais possvel encontrar as composies interfaciais em um diagrama

] com as linhas de operao e de equilbrio (L.OP. e L.EQ.), conforme

, assumindo a L.EQ. y = mx).

Como a determinao dos coeficientes individuais mais difcil, o uso dos coeficientes globais mais comum. Contudo, de acordo com a teoria das duas resistncias, os coeficientes globais esto relacionados com os coeficientes individuais Fig. 6.13: relao entre os coeficientes de

transferncia de massa e foras motrizes

'SX W 1VX W 1SX W ' Z[

RFL RG RFL RF

OBS: em colunas recheadas comum a seguinte relao: SX \ ]3 20_ As resistncias globais (RG) ao processo de absoro so numericamente diferentes

dependendo da fora motriz global a ser utilizada (considerando o filme lquido ou o filme gasoso). definidas como sendo o somatrio das resistncias individuais do filme

RFL ou RFG), descritas para a respectiva fora motriz.relativa (percentual) das resistncias individuais a mesma.

54

Na operao de absoro, onde apenas o soluto se transfere de fase, pode-se determinar a taxa de transferncia de massa com base na teoria dos dois filmes (teoria da dupla camada ou das duas resistncias), considerando um processo de difuso unidirecional ou difuso atravs de um

de ser expressa de diferentes maneiras, utilizando coeficientes individuais ou globais baseados nas fases lquida ou gasosa. Normalmente so utilizados coeficientes volumtricos, pois mais difcil determinar os coeficientes por unidade de rea e, alm

sso, em geral, o objetivo determinar o volume total da coluna absorvedora.

= coeficiente volumtrico de transferncia de massa individual da fase gasosa (kgmol/m3s) volumtrico de transferncia de massa individual da fase lquida (kgmol/m3s)

= coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase gasosa (kgmol/m3s) = coeficiente volumtrico de transferncia de massa global da fase lquida (kgmol/m3s)

uilbrio na fase gasosa e lquida

relao entre os coeficientes de transferncia de massa e foras motrizes associadas

1 ST [` [a RFG

_ ST numericamente diferentes

(considerando o filme lquido ou o filme gasoso). o somatrio das resistncias individuais do filme

descritas para a respectiva fora motriz. Assim, a

Dessa forma, a resistncia global dependente da relao de equilbrio. Se a inclinao da L.EQ. (RFL >> RFG), indicando que o soluto pouco solvel na fase lquidaRG RFL. Assim: Kxa kxa e Ky Se a inclinao da L.EQ. (RFG >> RFL), indicando que o soluto muito solvel na fase lquida (exemplo: NHRG RFG. Assim: Kya kya e K

6.4.4 Clculo da altura da coluna Para dimensionar a altura de recheio (em uma coluna de absoro para uma determinada separao desejada, partiremos de um balano molar do componente a ser removido (soluto), sobre um elemento diferencial de altura dZ, em uma coluna com rea de seo transversal conforme Fig. 6.14. A abordagem apresentada desconsidera variaes nas vazes das fases lquida e gasosa (e omite fatores de correo para difuso unidirecional, o que, na prtica, representativo para correntes diludas. Desconsiderando a variao na vazo molar da corrente gasosa, a quantidade absorvida de soluto deve ser igual taxa de absoro volumtrica multiplicada peloelemento diferencial:

%Z[` [a VT Z[[[`quantidade de soluto absorvida

taxa de absoro

volumtrica

A coluna pode ser projetada usando quaisquer das equaes da taxa de absoro (Contudo, o uso do coeficiente global baseado no filme gasoso (consideraes sobre qual resistncia (filme lquido ou filme gasoso) controla o processo de transferncia de massa e utiliza uma fora motriz associada fase a ser tratada (gasosa)disso, mesmo se a absoro for controlada pelo filme lquido, um projeto com base no preciso quanto um projeto com base em Rearranjando e integrando

b %cdedf b VT

TeTf

A integral representa a variao na fora motriz mdia, e chamada de nmero de unidades de transferncia (NUT, ou NTU em ingls). NUT uma medida da dificuldade de separao, pois quanto menor for a fora motriz, maior o nmero de unidades de transferncia necessrias para dada separao. A outra parte da equao (aproximadamente constante no intervalo de integrao) tem unidade de comprimento e chamada altura da unidade de transferncia (HUT, ou HTU em ingls). HUT uma medida da eficincia do recheio para determinada separao, pois quanto maior for o coeficiente de transferncia de massa, menor a altura de uma unidade de transferncia e mais eficiente o processo de transferncia de massa. Dessa forma, a altura de recheio de Transferncia, calculando NUT e multiplicando por HUT

Dessa forma, a resistncia global dependente da relao de equilbrio.Se a inclinao da L.EQ. for muito grande (m), a absoro controlada pelo filme lquido

), indicando que o soluto pouco solvel na fase lquida (exemplo: COya kxa/m.

e a inclinao da L.EQ. for muito pequena (m), a absoro controlada pelo filme ), indicando que o soluto muito solvel na fase lquida (exemplo: NH

Kxa mkya.

Clculo da altura da coluna Para dimensionar a altura de recheio (Z) necessria

em uma coluna de absoro para uma determinada separao desejada, partiremos de um balano molar do componente a ser removido (soluto), sobre um elemento diferencial de

, em uma coluna com rea de seo transversal AT,

A abordagem apresentada desconsidera variaes nas vazes das fases lquida e gasosa (GB GT G e LB LT L)

correo para difuso unidirecional, o que, na prtica, representativo para correntes diludas. Desconsiderando a variao na vazo molar da corrente gasosa, a quantidade absorvida de soluto deve ser igual taxa de absoro volumtrica multiplicada pelo volume do

`[[[a 1= %cZ[` [a taxa de

absoro volumtrica

volume do elemento

diferencial

Fig. 6.14: de altura

de absoro

A coluna pode ser projetada usando quaisquer das equaes da taxa de absoro (Contudo, o uso do coeficiente global baseado no filme gasoso (Kya) mais comum, pois no requer

resistncia (filme lquido ou filme gasoso) controla o processo de e utiliza uma fora motriz associada fase a ser tratada (gasosa)

disso, mesmo se a absoro for controlada pelo filme lquido, um projeto com base no preciso quanto um projeto com base em Kxa ou kxa.

e integrando a equao da altura de recheio:

% 1= c VT 1=Z[` [a

HUT A integral representa a variao na concentrao do soluto na fase gasosa, dividida pela

fora motriz mdia, e chamada de nmero de unidades de transferncia (NUT, ou NTU em ingls). NUT uma medida da dificuldade de separao, pois quanto menor for a fora motriz,

des de transferncia necessrias para dada separao.A outra parte da equao (aproximadamente constante no intervalo de integrao) tem

unidade de comprimento e chamada altura da unidade de transferncia (HUT, ou HTU em ingls). icincia do recheio para determinada separao, pois quanto maior for o

coeficiente de transferncia de massa, menor a altura de uma unidade de transferncia e mais eficiente o processo de transferncia de massa.

de recheio da coluna pode ser determinada pelo Mtodo das Unidades de Transferncia, calculando NUT e multiplicando por HUT:

c gh 2gh iT 2iT 55

Dessa forma, a resistncia global dependente da relao de equilbrio. controlada pelo filme lquido

(exemplo: CO2 em gua), e

), a absoro controlada pelo filme gasoso ), indicando que o soluto muito solvel na fase lquida (exemplo: NH3 em gua), e

: elemento diferencial de altura dZ em uma coluna

de absoro

A coluna pode ser projetada usando quaisquer das equaes da taxa de absoro (r). ) mais comum, pois no requer

resistncia (filme lquido ou filme gasoso) controla o processo de e utiliza uma fora motriz associada fase a ser tratada (gasosa). Alm

disso, mesmo se a absoro for controlada pelo filme lquido, um projeto com base no Kya to

=a b % TfTeZ[[[`[[[a

NUT concentrao do soluto na fase gasosa, dividida pela

fora motriz mdia, e chamada de nmero de unidades de transferncia (NUT, ou NTU em ingls). NUT uma medida da dificuldade de separao, pois quanto menor for a fora motriz,

des de transferncia necessrias para dada separao. A outra parte da equao (aproximadamente constante no intervalo de integrao) tem

unidade de comprimento e chamada altura da unidade de transferncia (HUT, ou HTU em ingls). icincia do recheio para determinada separao, pois quanto maior for o

coeficiente de transferncia de massa, menor a altura de uma unidade de transferncia e mais

na pode ser determinada pelo Mtodo das Unidades

56

De acordo com a notao padro utilizada, o ndice y indica a utilizao de uma fora motriz baseada na fase gasosa e o ndice x indica a utilizao de uma fora motriz baseada na fase lquida. Alm disso, a adio do ndice o indica a utilizao de uma fora motriz global. No caso acima, o ndice oy indica a utilizao de uma fora motriz global baseada na fase gasosa, conforme abordagem realizada. Salienta-se que tal notao pode variar conforme a referncia bibliogrfica utilizada. O nmero de unidades de transferncia (NUT) pode ser calculado utilizando o diagrama [x, y] em conjunto com a L.OP. e a L.EQ. e pode ser interpretado, analogamente, como o nmero de estgios ideais de separao, embora seus valores geralmente difiram. Se a L.OP. e a L.EQ. forem retas paralelas, a fora motriz constante ao longo da coluna, conforme Fig. 6.15. Neste caso, a integral do NUT recai em um caso mais simples:

2iT C = Contudo, de uma forma mais geral, a L.OP. para a absoro mais inclinada do que a L.EQ. e, assim, a fora motriz no topo bem menor que a fora motriz na base da coluna, conforme Fig. 6.16. Dessa forma, utiliza-se uma fora motriz mdia logartmica entre os extremos da coluna:

2iT C =,I ,I C C = =& 4C C= =@

Fig. 6.15: exemplo de fora motriz constante para L.OP. e L.EQ. paralelas

Fig. 6.16: exemplo de fora motriz varivel para L.OP. e L.EQ. no paralelas

O mesmo conceito pode ser utilizado para obter as expresses associadas s outras foras motrizes (global da fase lquida ou individual das fases lquida e gasosa). Alm disso, a menos que a L.OP. e a L.EQ. sejam linhas retas paralelas, NOx e NOy no so iguais. De uma forma geral, a L.OP. para a absoro mais inclinada do que a L.EQ. e, assim, Nox < Noy. Contudo, a altura total da coluna pode ser determinada utilizando as duas abordagens baseadas em foras motrizes globais. A altura de uma unidade de transferncia (HUT) pode ser obtida diretamente da literatura para alguns casos, experimentalmente atravs de plantas-piloto ou estimada atravs de correlaes empricas, geralmente baseadas nos coeficientes individuais de transferncia de massa. Resumindo, a altura total de uma coluna recheada pode ser determinada pelo produto HUTNUT, com base em diferentes abordagens. As mais comuns consideram foras motrizes e coeficientes individuais ou globais baseados nas fases lquida ou gasosa, conforme compilado na Tab. 6.2.

57

Tab. 6.2: Mtodo das Unidades de Transferncia (correntes diludas)

Fora motriz

Altura da unidade de transferncia HUT

Nmero de unidades de transferncia NUT

Smbolo Expresso Smbolo Expresso

Global da fase gasosa (y - y*)

Hoy VT 1= Noy

b % TfTe

C =,I

,I C C = =& 4C C= =@

Individual da fase gasosa (y - yi)

Hy ST 1= Ny

b % UTfTe

C =,I

,I .C C,U0 .= =,U0& k.C C,U0.= =,U0l

Global da fase lquida (x* - x)

Hox VX 1= Nox

b % XfXe

C =,I

,I C C = =& 4C C= =@

Individual da fase lquida (xi - x)

Hx SX 1= Nx

b %U XfXe

C =,I

,I .C,U C0 .=,U =0& k.C,U C0.=,U =0l

Para correntes concentradas, as linhas de operao e de equilbrio podem apresentar curvaturas significativas, o que invalida as hipteses simplificativas consideradas na abordagem anterior, assumindo correntes diludas. Dessa forma, a equao da altura total da coluna apresenta outros termos (que foram negligenciados) e torna-se mais complexa. Uma abordagem rigorosa a resoluo mediante integrao grfica ou numrica da equao na sua forma integral. Uma abordagem aproximada pelo Mtodo das Unidades de Transferncia tambm possvel e, nesse caso, pode-se obter expresses analticas para os termos HUT e NUT, as quais, via de regra, agregam fatores de correo s expresses apresentadas para correntes diludas.

58

6.5 Seleo do solvente

O processo de absoro um processo de transferncia de massa que explora diferenas na solubilidade gs/lquido dos diferentes componentes de uma mistura que se pretende tratar. Por isso, um dos pontos crticos para se obter uma eficiente separao a escolha do solvente (no caso da absoro) ou do gs de transporte (no caso da dessoro) a usar. Se o objetivo principal for a produo de um composto especfico, a seleo do solvente restringida pela natureza do produto. No caso da remoo de impurezas de um gs, h maior liberdade de escolha.

Como j citado, um dos fatores a considerar na escolha de um solvente a solubilidade do soluto, devendo esta ser elevada para se obter uma maior velocidade de absoro e para necessitar de menor quantidade de lquido. Outro fator a natureza qumica do soluto e do solvente, que devem ser semelhantes para aumentar a solubilidade.

O solvente pode ser um lquido no reativo e a solubilizao do soluto apenas um processo fsico (foras de interao de Van der Waals), ou pode ser um lquido que produz uma reao rpida com o soluto o que faz aumentar a velocidade de absoro e a quantidade a ser absorvida. Este ltimo tipo de solvente qumico usado, em geral, quando se pretende converter um composto perigoso num composto mais incuo ou quando o soluto se encontra em baixas concentraes, pois um processo mais seletivo (maior solubilidade do soluto), mas a reao deve ser reversvel para que o soluto seja removido em uma segunda coluna e no sejam produzidas grandes quantidades de resduos.

A capacidade que um solvente tem de absorver um soluto gasoso A funo da sua presso parcial CA = f(PA), sendo CA a concentrao na fase lquida. Por isso, a absoro fsica mais indicada para misturas mais concentradas. Esta relao funcional depende da temperatura, presso e do tipo de solvente. Em geral, a solubilidade do gs diminui com a temperatura.

O solvente tambm deve ter baixa presso de vapor (baixa volatilidade) para reduzir a perda de solvente para a corrente gasosa. Alm disso, deve ter baixa viscosidade para a velocidade de absoro e a transferncia de calor serem elevadas e os custos de bombeamento serem baixos. Por fim, o solvente deve ser barato e acessvel, no txico, no inflamvel, estvel quimicamente e no corrosivo para no encarecer o material de construo do equipamento. A maioria dos solventes fsicos so solventes orgnicos com elevado ponto de ebulio e baixa presso de vapor, baixa viscosidade e no corrosivos em contacto com metais comuns.

6.6 Equipamentos

A velocidade de transferncia de massa em processos de absoro/dessoro depende da rea de transferncia, da fora-motriz e do coeficiente de transferncia de massa.

A rea para transferncia de massa, ou rea de contato gs/lquido, pode ser aumentada por diviso das correntes lquida e gasosa em pequenas pores. Isto efetuado atravs da passagem de gs pelos espaos vazios de um leito poroso cheio de material inerte (recheio ou enchimento), o qual est banhado de lquido, ou ainda atravs do uso de pratos com orifcios por onde passam pequenas bolhas de gs que estabelecem contato com a corrente lquida no topo do prato.

O enchimento pode ter diversas configuraes (enchimento desordenado, como anis de Raschig, de Lessing ou de Pall, Selas de Berl, etc, e enchimento ordenado ou estruturado) e os pratos podem ser de vrios tipos: perfurados, de campnula, de vlvulas, etc. Para promover o contato contnuo gs/lquido pode ainda utilizar-se atomizadores (ou colunas de spray) e colunas de borbulhamento de gs.

Em geral, a escolha do equipamento de absorao depende da vazo de gs a tratar, do grau de separao a obter, da razo entre as vazes de lquido e de gs, da facilidade da remoo de calor, da simplicidade de construo, da resistncia hidrulica, da impureza e corrosividade dos fluidos e das propriedades fsicas do sistema. Alm disso, as colunas com recheio permitem operar tanto em contracorrente como em concorrente, enquanto nas de pratos s possvel operar em contracorrente. Contudo, esta ltima condio de operao que permite maior fora motriz.

Referncia bibliogrfica (leitura recomendada) Captulo 10 GEANKOPLIS / Captulo 18 McCABE