ABSORÇÃO GASOSAE DESIGN DE TORRES DE

RECHEIO

Operações unitárias II

AbsorçãoIntrodução

A absorção gasosa é a transferência de um componente solúvel da fase gasosa para a uma fase liquida absorvente e não volátil.

Este fenômeno pode acontecer fisicamente ou quimicamente. A primeira

ocorre quando há apenas a dissolução do gás no líquido, e a última ocorre

quando o gás reage quimicamente com o líquido e a partir desta, ocorre a

absorção.A absorção de um gás por um liquido apropriado é a segunda maior operação

da engenharia química que é baseada na transferência de massa interfásica

controlada por taxas de difusão.Aplicações:

Sem reação química: recuperação de acetona de uma mistura ar-acetona por

um fluxo de água.

Com reação química: fabricação de ácido nítrico pela absorção de oxido de

nitrogênio em água.Este processo ocorre num dispositivo chamado torre de absorção, o qual

consiste de uma coluna cilíndrica vertical, munida basicamente de uma

entrada de gás e saída de líquido pela parte inferior, uma entrada de líquido

e uma saída de gás na parte superior e o recheio.

Este equipamento também é chamado de coluna ou torre de recheio.

Torres de recheioSão equipamentos utilizados para promover um contato mais intimo entre dois líquido ou entre um liquido e um gás.

Este tipo de equipamento é extensivamente utilizado nas operações de absorção, destilação e extração.

O aumento na área interfacial é provocado pelo recheio.

A estrutura da coluna pode ser revestida em metal, ligas resistentes à corrosão, materiais cerâmicos, vidro ou materiais plásticos.

O recheio é suportado por um prato que deve ter mais 75% de área livre para passagem dos fluidos, para oferecer o mínimo de resistência.

Dependendo da necessidade, são utilizados mais de um prato (redistribuição).

No topo do leito, um distribuidor de líquido providencia uma irrigação uniforme por todo diâmetro do leito.

Em escala industrial, podem chegar a 5m de diâmetro e 30m de altura. Operam desde forte vácuo à altas pressões.

Com o aumento na taxa de transferência, crescem também os custos de construção e operação. Então, para um design econômico e eficiente, é necessário a escolha do recheio ideal.

Exemplos de torres de recheio em aplicações industriais.

Projeto da torreRecheio

Muito são os tipos de materiais utilizados como recheio, desde sólidos

triviais até corpos de formas geométricas complicadas feitas de

metais, plásticos, fibras, vidro e borrachas.

São qualidades desejáveis nos recheios:• Uma grande área superficial molhada, para apresentar uma

boa área interfacial entre as fases;• Grande volume de vazios, reduzindo a perda de carga;• Resistência à corrosão;• Pequena densidade, para reduzir o peso da coluna; e• Ser relativamente barato.

A espessura das paredes do recheio é um fator importante, pois à

medida que a espessura diminui a resistência mecânica também

diminui. Ou seja, uma espessura maior provocará maior queda de

pressão, menor espaço livre e reduzida área superficial.

Para escolher dentre esses recheios, os fabricantes fornecem as características físico-químicas das peças: percentagem de vazios, área superficial, fator de recheio e massa especifica. Com base nisso, escolhe-se o recheio ideal para a coluna que se está projetando.

Tipos mais comuns de recheio

Anéis de Raschig

Sela intaloxAnéis de Pall

Selas de BerlAnéis de Lessing Recheio

estruturado

Projeto da torreLinha de operação

O balanço de massa é realizado com as vazões de liquido e gás que entram e

saem da torre. As variações da composição são constantes ao longo da torre.

Arranjando as equações de balanço, tem-se a equação da linha de operação:

O equipamento deve operar de tal

forma que a linha de operação seja a

mínima. Isto garante que a altura da

torre também seja a mínima para um

determinado diametro.

Quanto maior a altura da torre, maiores os custos de sua construção e

manutenção e operação

Projeto da torreAltura e número de unidades de transferência

A altura da torre (Zt) é dada pela equação abaixo:

A integral da equação é chamada de número de unidades de transferência (NTU), Noy. Já a parte fora da integral é chamada de altura de unidades de transferência (HTU), Hoy.Então, de maneira mais simples, a equação da altura fica:

Para linhas de operação e equilíbrio retas:

Onde o denominador é a média logarítmica de yb – yb e ya – ya*

DessorçãoTambém chamado de extração, este é o processo inverso da absorção: o gás solúvel é transferido do líquido para a fase gasosa.

Esta transferência se dá em virtude de a concentração no líquido ser maior

que a concentração de equilíbrio com o gás.

As diferenças entre as operações da coluna de absorção e de dessorção são

pequenas.

Para favorecer a dessorção, geralmente é necessário:

• um aumento na temperatura; e

• redução na pressão total do sistema. Logo, por serem tão semelhantes, os cálculos para uma coluna de dessorção são processados com as mesmas equações da absorção.

Aplicação:

Dessorção com o ar é usada em alguns casos para remover pequenas

quantidades de gases como amônia ou solventes orgânicos da água. Se não

houver necessidade de recuperar o soluto de forma concentrada, a

quantidade ideal de ar utilizado pode ser muito maior do que o mínimo, pois

não custa muito para dar mais ar, e a altura da coluna é consideravelmente

reduzida.

Absorção de gases ricosQuando o soluto está sendo absorvido em concentrações moderadas ou altas no gás.Neste caso, existem vários fatores adicionais a serem considerados no

cálculo do projeto:

• A diminuição do fluxo total do gás o aumento do fluxo do líquido;

• Deve ser incluído um fator de correção para uma via de difusão;

• Os coeficientes de transferência de massa não vão ser constantes;

• Pode haver um gradiente de temperatura significativo na coluna.A altura da coluna (Zt) pode ser encontrada por uma integração gráfica:

Ou ainda, por qualquer uma das seguintes equações:

Correlações de transferência de massa

São necessários para predizer o coef. global de transferência de massa. Dependem do recheio e dos nºs de Schmidt e Reynolds.Tais correlações são geralmente baseadas em dados experimentais de

sistemas nos quais uma das fases apresenta resistência controlada no

processo. Para mensurar KLa, por exemplo, utiliza-se um sistema de absorção

ou dessorção de gases pouco solúveis (O2 ou CO2) em água. Já o Kya, pode

ser medido num sistema água-amônia.A resistência liquido-

filme para sistemas

preditos por dados O2-

H2O por difusividade e

viscosidade para

corrigir as equações

anteriores é dada por:

A partir da analise de Hy de amônia, estima-se

o valor de Hy para outros gases, de acordo com

a seguinte equação:

Inserir grafico da pg 602 do McCabe

Essas tabela são úteis quando os efeitos de densidade, tensão superficial e viscosidade do líquido são incertos. Elas são necessárias para o emprego da equação anterior.

Correlações de transferência de massa - tabelas

Tabelas de Cleyandson

Questão18.1, McCabePretende-se desenvolver uma planta que será utilizada para recuperar 95%

da acetona de um fluxo de ar, utilizando água como liquido absorvente. A

entrada de ar deve possuir 14% molar de acetona. A coluna está resfriada,

operando a 80ºF e 1atm. O seu produto deve conter 5% molar de acetona e a

água que entra na coluna contém 0,02% molar. A torre está sendo projetada

para operar à 50% de sua velocidade de alimentação.

a)Quantas libras por hora de água devem entrar na torre se o fluxo de gás é

de 500ft3/min, a 1atm e 32ºF?

b)Quantas unidades de transferência são necessárias, baseando-se na força

motriz total da fase gás?

c)Se a torre for recheada com anéis de Raschig de 1in, qual deve ser a altura

da torre?

Assuma que: pA=P’AγAx, onde lnγA=1,95(1-x)2. A pressão de vapor da acetona a

80ºF é 0,33atm.

Resolução

Base de cálculo:

1hora.

b) para a linha de operação, utiliza-se o balanço mássico baseado no numero de moles de ar (V’) e água (L’), então:

onde

Resolução

Para valores de x entre 0,0002 e 0,08 calcula-se y e y*, resolvendo por integração numérica.

A solução computacional é Noy = 9,34

c) Calculando os fluxos mássicos de entrada de gás e saída de liquido na base da coluna:

Para 7% de acetona o ar, ρy = 0,0791. Assume-se que ρx = 60,5.

Pela tabela, para anel de Raschig de 1in, Fp=155.Sendo maior que 60, a perda de carga recomendada é de 2,0 inH2O/ft. Então, por extrapolação no gráfico de perda de carga:

Colocar grafico de perda de carga pg. 572 mccabe

Resolução

Para água a 80°F, µx = 862cP. Logo,

E as taxas

Como o peso molecular da acetona é pequeno (<400g/mol), a difusividade é calculada pela equação de Wilke-Chang:

Pelo gráfico da altura de transferência de unidade:

Para acetona em água, Sc=689.Para O2, Sc=381.

Colocar grafico 18.21 pg 600

ResoluçãoUtilizando a equação da resistência do filme liquido, com n=0,3:

Pela relação altura de transferência de unidade da amônia em água:

Por interpolação:

Colocar grafico 18.22 pg.602

Pela relação:

Utilizando a equação do HTU:

onde

em x=0,05; y*=0,09589 x=0,002; y*=0,000464

Resolução

Então

Com a correlação:

e

A altura da coluna é 35,3ft

Perguntas?

Obrigado!

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