UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA 2
COLUNA DE ABSORÇÃO
ALUNA: PROFESSORA: TURMA:
1.
INTRODUÇÃO Colunas de absorção se baseiam na transferência de um componente solúvel de uma
fase gasosa para um absorvente líquido. Já a esgotamento é um processo inverso, onde um componente de um líquido é removido pelo contato com a fase gasosa. A fim de se dimensionar tal tipo de equipamento e calcular sua eficiência de transferência de massa, faz-se necessário um conhecimento prévio acerca do processo. As colunas da absorção são constituídas por pratos, que podem ser perfurados, valvulados ou de campânulas, e apresentam diferentes características operacionais principalmente no que se refere aos fenômenos de transferência e de borbulhamento entre as fases na sua superfície. Basicamente, existem dois tipos de absorção: sem reação e com reação química. Está última é muito usada na remoção de gases ácidos, poluentes, misturas inertes e hidrocarbonetos em correntes de ar. A reação química aumenta a taxa de absorção e a eficiência de transferência de massa, pois além de geralmente se planejar a formação de produtos não voláteis, ocorre o aumento da solubilidade. Além disso, a manipulação dos parâmetros de processo (temperatura, pressão, vazões de alimentação, entre outros) influenciam diretamente nas taxas de reação.
2.
OBJETIVOS
1. Estudar a capacidade absortiva de uma solução de CO 2 em uma solução de NaOH usando uma coluna de absorção empacotada; 2. Estudar a capacidade de umidificadora de um fluxo de ar em uma coluna de absorção empacotada utilizando água destilada.
3.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL Primeiramente realizou-se um processo de absorção com reação química, passando-se
uma corrente ascendente de 10% em CO 2 (10 L/min) e uma corrente descendente de solução de NaOH 1% (0,2; 0,42 e 0,63 L/min) pela coluna. Mediu-se a fração correspondente de CO 2 na saída de cada módulo, utilizando-se um aparelho de Orsat. O mesmo foi feito mas agora variando a vazão da mistura CO 2 e ar (5; 7,5 e 10 L/min). Em seguida, realizou-se o processo de umidificação do ar (absorção sem reação química), onde uma corrente de ar entrou pela base da coluna e uma corrente de água entrou pelo seu topo. A coluna era constituída por 5 módulos recheados com anéis de Raschig.
Mediu-se as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido em cada módulo para as respectivas vazões de ar e água.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1.
Absorção com reação química A primeira etapa do tratamento de dados objetivou obterem-se valores para as frações
molares de CO2 através de um balanço de massa:
∙ + ∙ = ∙ + ∙
Equação 1
Após alguma manipulação, a equação 2 é obtida: Equação 2
As Tabelas 1 a 6 trazem os resultados dos cálculos da proporção de CO 2 para entra e saída de cada estágio para as fases gasosa e líquida em que cujas apresentam diferentes valores de vazão.
Tabela 1. Frações mássicas de CO2, temperaturas do estágio e fração molar de CO2 no equilíbrio para G = 5 L/min, L = 0,2 L/min.
Y*CO2
Estágio
YCO2
Temperatura
XCO2
0
7,50%
23,4
0,0005497
0,9384858
1
6%
29,1
0,0003298
0,5630915
2
5,50%
29
0,0001099
0,1876972
3
3,50%
29
0,0004397
0,7507887
4
3,00%
28,4
0,0001099
0,1876972
5
2,75%
27,4
0,0000550
0,0938486
Tabela 2. Frações mássicas de CO2, temperaturas dos estágio e fração molar de CO2 no equilíbrio para G = 8,3 L/min, L = 0,2 L/min. Estágio
YCO2
Temperatura
XCO2
Y*CO2
0
8,50%
23,4
1,0949E-03
1,869464
5
6%
27,4
2,0074E-03
3,42735
Tabela 3. Frações mássicas de CO2, temperaturas dos estágio e fração molar de CO2 no equilíbrio para G = 5 L/min, L = 0,2 L/min..
Y*CO2
Estágio
YCO2
Temperatura
XCO2
0
9,50%
24,8
1,3192E-03
2,252366
5
7%
27,8
2,8583E-03
4,880126
Tabela 4. Frações mássicas de CO2, temperatura do estágio e fração molar de CO2 no equilíbrio para G = 5 L/min, L = 0,42 L/min.
Y*CO2
Estágio
YCO2
Temperatura
XCO2
0
7,50%
25,9
7,0671E-04
1,206625
5
0,75%
27,7
7,8524E-05
0,134069
Tabela 5. Frações mássicas de CO2, temperaturas dos estágios e fração molar de CO2 no equilíbrio para G = 5 L/min, L = 0,2 L/min.
Y*CO2
Estágio
YCO2
Temperatura
XCO2
0
7,50%
26,1
4,8859E-04
0,083421
5
0,50%
27,8
3,4899E-05
0,005959
Uma vez feito o balanço de massa analisaram-se alguns parâmetros como a altura das unidades de transferência (HUT), o coeficiente global de transferência(Ky.ai), a taxa global de transferência(TGm) e o número de unidades de transferência (Noz) afim de se observar o comportamento da eficiência da coluna frente a variações nas vazões. Para tanto, utilizaram-se as equações 3, 4, 5, 6 e 7.
= (,∗ −−,) ,∗ − ,∗−,∗ − , ln ,,∗ −− ,, = . = . ./
∗ − =
Equação 3
Equação 4
Equação 5 Equação 6
Equação 7
=, − , Onde: H – Altura do recheio da coluna ou da seção em questão; HTU – Altura de unidades de transferência; ya,1 – Fração mássica de vapor d’água no ar na entrada da coluna; ya,2 – Fração mássica de vapor d’água no ar na saída da coluna; ya,1* – Fração mássica de vapor d’água no equilíbrio na entrada da coluna; ya,2* – Fração mássica de vapor d’água no equilíbrio na entrada da coluna. K y.ai – Coeficiente global de transferência; G – Vazão mássica da fase gasosa; D – Diâmetro da coluna; TGm – Taxa global de transferência.
Calculando estes parâmetros para cada situação, os resultados podem ser encontrados na Tabela 7 abaixo.
Tabela 7. Parâmetros calculados para a coluna de absorção. G (L/min)
L (L/min)
Noz
HUT (cm)
Ky.ai (g/cm3.min)
TGm (g/min)
5,0
0.2
0.6637
451,98
0.00000252
0.01060
5,0
0.2
0.0120
2494,74
0.000000756
0.01116
10,0
0.2
0.0091
3310,30
0.000000687
0.013393
5,0
0.42
0.1471
203,911
0.00000558
0.015067
5,0
0.63
20,3834
20,3839
0,007724
0.015625
Para avaliar a influência da vazão de solução básica líquida foram feitos os Gráficos 1 e 2.
3500
y = 3,9686x-4,09 R² = 0,9795
3000 2500 ) m2000 c ( T U1500 H
1000 500 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
L (L/min)
Gráfico 1. Altura da unidade de transferência versus vazão de líquido, mantendo-se G = 5 L/min.
0,017 0,016 0,015 ) n i m0,014 / g (
y = -0,0351x2 + 0,0395x + 0,0047 R² = 1
m0,013 G T
0,012 0,011 0,01 0,15
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
L (L/min)
Gráfico 2. Taxa global de transferência versus vazão de líquido. Observa-se no gráfico 1, que a medida que a vazão do líquido aumenta, as alturas das unidades de transferência diminuem. No entanto, isso não é ruim, pois usualmente define-se a Altura de uma Unidade de Transferência (AUT) ou (HTU) como uma medida do grau de absorção, com certo tipo de recheio, entre espécies químicas que estão sendo processadas. Quando a transferência de massa entre as fases é elevada e a área de transferência é grande é que se tem uma baixa altura de unidade de transferência (HTU). Este fato pode ser explicado pois a disponibilidade de NaOH neste caso aumenta e fazendo com que mais CO2 seja
consumido, de forma que para que se tenha a mesma eficiência a HUT diminui. O inverso ocorre no gráfico 2, provavelmente por algum erro na leitura do equipamento. Já no Gráfico 2, com o aumento da vazão de NaOH, no decorrer da coluna, existe uma maior concentração de base para cada estágio, assim, existe uma maior força motriz de modo que TGm aumenta com o aumento da vazão de líquido. Para avaliar a influência da vazão gás com CO2 foram feitos os Gráficos 3 e 4.
0,017 0,016 0,015 m 0,014 c ( T ) U 0,013 H
y = -0,0351x2 + 0,0395x + 0,0047 R² = 1
0,012 0,011 0,01 0,15
0,25
0,35
0,45
0,55
0,65
L (L/min)
Gráfico 3. Altura da unidade de transferência versus vazão de Gás, mantendo-se L = 0,2 L/min.
0,014 0,0135 ) 0,013 n i m / g 0,0125 (
y = 0,0004x + 0,0089 R² = 1
m G T 0,012
0,0115 0,011 4
5
6
7
8
9
10
11
L (L/min)
Gráfico 4. Taxa global de transferência versus vazão de gás mantendo-se a vazão do liquido constante.
O Gráfico 3 mostra que o HTU aumenta à medida que a vazão de gás aumenta. Provavelmente porque com o aumento de vazão de gás, a quantidade necessária a ser absorvida é maior. Assim, para obter-se a mesma eficiência HUT maiores se fazem necessárias. No entanto, ao contrário do que se esperava, ouve um aumento na Taxa Global de Transferência de Massa.
4.2.
Umidificação Os dados da Tabela 7 foram obtidos:
Tabela 7. Dados da prática de umidificação.
Módulo
V (ar) mL/min
TBS (°C)
TBU(°C)
0
705,9
26,3
17,1
1
705,9
26,4
25,4
2
705,9
26,5
25,9
3
705,9
26,5
26,1
4
705,9
26,6
26,3
5
705,9
26,5
26,2
Com os dados de temperatura de bulbo seco e úmidos é possível calcular as umidades relativa e absoluta do ar em cada unidade de coluna e assim observar a evolução da umidificação na altura da coluna. Para tanto as seguintes eqauções foram utilizadas:
=exp{60.43− 6834.27 +273.15 −5.17ln +273.15}−0.2 − +273.15 Equação 8
= 0,622 − =
Equação 9
. .100 6834,27 −5,17.+273,15 0,622+.exp60,43−+273,15 Equação 10 Onde: UA – Umidade absoluta do ar [gramas de água / gramas de ar seco];
Patm – Pressão atmosférica local [Pascal]; T bs – Temperatura de bulbo seco do ar [°C]; T bu – Temperatura de bulbo úmido do ar [°C]; UR – Umidade relativa do ar (%).
Os resultados são apresentados na Tabela 8.
Tabela 8. Resumo da UA e UR para cada módulo de umidificação da coluna.
Módulo
α
UA (g/g)
0
1380,625
0,008592
1
3153,060
2
UR (%)
Y*
40,74251
0,021089
0,019977
92,5007
0,021597
3273,612
0,020767
95,47347
0,021751
3
3324,940
0,021103
96,97043
0,021762
4
3370,675
0,021403
97,72758
0,021901
5
3350,756
0,021273
97,72334
0,021768
Para melhor visualização, plotaram-se os Gráficos 5 e 6 que correlacionam o estágio com a umidade presente no mesmo.
0,025
g / a u g 0,02 á e d 0,015 g ( ) a t r u a l e 0,01 o d s b A 0,005 e d a d i 0 m U 0
1
2
3
4
5
Estágio
Gráfico 5. Umidade absoluta do ar versus módulo.
6
120
) a u g 100 á e d 80 % ( a v i t 60 a l e r e 40 d a d i 20 m U
0 0
1
2
3
4
5
6
Estágio
v
Gráfico 6. Umidade relativa do ar versus módulo. A medida que o gás avança nos estágios da coluna, sua umidade aumenta. Também é possível observar que entre o segundo e terceiros estágios, a umidade relativa atinge valor próximo de 100% e os estágios seguintes não têm grande influência na umidade do gás, ou seja, não são necessários para atingir o valor máximo de umidade possível.
G (L/min)
L (L/min)
Noz
HUT (cm)
Ky.ai (g/cm3.min)
TGm (g/min)
5,0
705,87
3,41010313
8,79738
4,08639
0,0089507
Os números indicam que apesar da ausência de reação química, o processo tem boa eficiência, pois apresenta baixos valores de HUT e um auto Coefitiete de Tranferencia de Massa.
5. CONCLUSÃO Primeiramente, avaliou-se a umidificação de uma corrente de gás borbulhada na coluna de absorção. Em seguida avaliou-se o processo com reação química, usando uma solução de NaOH e uma mistura gasosa de CO2 e ar. Notando-se que apesar de obterem-se resultados satisfatórios na umidificação, esses resultados são muito melhores quando acompanhados de reação química. Ainda assim, na umidificação, foram atingidos valores de saturação já no segundo estágio da coluna. Também foram avaliadas as eficiências dos arranjos da coluna através de parâmetros como Número de Estágios, Altura Da Unidade de Transferência, Coeficiente e Taxa de Transferência de massa Global. Concluindo-se que as colunas de absorção se tornam mais
eficientes a medida que se aumenta a vazão do líquido, mas por outro lado, se tornam menos eficientes ao se aumentar a vazão do gás.
6. REFERÊNCIAS BENNETT, C.O. & MYERS, J.E. -
Fenômenos de Transporte -
McGraw-Hill do Brasil,
São Paulo, 1978. FOUST, A.S. et al. -
Princípios das Operações Unitárias - Guanabara Dois, Rio de Janeiro,
1982. MENDES, M. F. et al. –
Laboratórios Didáticos do Departamento de Engenharia
Química – FAPERJ – Rio de Janeiro, 2015.
