Absorção de poluentes gasosos (com cálculos)
Leia este artigo para aprender sobre a absorção de poluentes gasosos: - 1. Introdução ao Processo de Absorção 2. Teoria da Absorção 3. Equipamento de Absorção e 4. Abordagem do Projeto de Torre Embalada.
Introdução ao Processo de Absorção:
Quando um gás residual contendo alguns poluentes gasosos é colocado em contato direto com um líquido, alguns dos poluentes podem ser transferidos para o líquido. Este processo de transferência pode ocorrer devido à solubilização dos poluentes no líquido ou devido a reações químicas dos poluentes com o líquido ou com algum produto químico presente no líquido.
O processo de transferência sem qualquer reação química é denominado como absorção física e aquele com reação (s) química (s) é denominado como absorção acompanhada de reação química. No processo de absorção (física), o soluto (poluente gasoso) é denominado como absorvente e o solvente (líquido) como o absorvente. O gás que transporta o absorvente é referido como gás transportador.
Este processo é reversível, isto é, sob certas circunstâncias a transferência de soluto ocorre da fase gasosa para a fase líquida e sob algumas outras situações a transferência ocorre na direção oposta. O outro processo, ou seja, a absorção acompanhada de reação química é irreversível, isto é, a transferência ocorre somente a partir da fase gasosa.
O processo de absorção física ocorre através dos seguintes passos:
1. As moléculas de soluto (gasosas) migram do grosso da fase gasosa para o limite de fase gás-líquido (interface) por difusão molecular e / ou turbulenta;
2. Transferência de moléculas absorventes através da interface;
3. Transferência de moléculas absorventes para a massa do absorvente por difusão molecular e / ou turbulenta.
No caso de uma absorção acompanhada por um processo de reação química, as duas primeiras etapas são semelhantes àquelas de um processo de absorção física. No entanto, durante o terceiro passo, as moléculas absorventes reagem com o reagente presente no absorvente e formam novo (s) composto (s).
Teoria da Absorção:
A transferência de uma espécie química entre uma fase gasosa e uma fase líquida ocorre devido a uma diferença de potencial das espécies entre as fases. Essa diferença de potencial é chamada de gradiente de potencial químico. Quando o potencial químico de uma espécie se torna o mesmo nas duas fases em contato uma com a outra, diz-se que estão em equilíbrio.
Sob esta condição, nenhuma transferência líquida das espécies ocorre entre as fases. Quando as fases não estão em equilíbrio com relação a uma espécie, sua transferência ocorre a partir da fase em que seu potencial químico é superior à outra fase em que seu potencial é menor.
O potencial químico de uma espécie em uma fase particular está relacionado, mas não é igual à sua concentração nessa fase. Quando duas fases, em contato umas com as outras, alcançam o equilíbrio em relação a uma espécie, sua concentração nas respectivas fases estaria relacionada entre si. Tal relação é denominada como relação de equilíbrio. A relação de equilíbrio de uma espécie química em um sistema gás-líquido pode ser expressa como dependente e também pode ser dependente da concentração (x A ).
O valor numérico de H A depende do sistema soluto - solvente. Geralmente aumenta com o aumento da temperatura.
Uma expressão alternativa da relação de equilíbrio é
A taxa de transferência de massa de uma espécie de uma fase (gás) para outra fase (líquido) por unidade de área interfacial é expressa como
onde N a = moles do soluto A transferidos da fase gasosa para a fase líquida por unidade de área interfacial por unidade de tempo,
ky A, k XA = coeficiente de transferência de massa individual fase gás / líquido, respectivamente,
Ky A, K xa = coeficiente global de transferência de massa da fase gás / líquido, respectivamente,
y * = concentração da fase gasosa de equilíbrio correspondente à concentração da fase líquida volumétrica X 1,
x * = concentração da fase líquida de equilíbrio correspondente à concentração da fase gasosa volumétrica y g
X 1, X 1 = concentração de soluto na interface e na fase líquida volumosa, respectivamente.
y i, y g = concentração de soluto na interface e na fase gasosa a granel, respectivamente.
O indivíduo e os coeficientes gerais de transferência estão relacionados.
As equações (4.45) e (4.46) mostram sua relação.
O coeficiente de transferência de massa individual k x e k y pode ser calculado usando equações empíricas geralmente expressas como α, m e n são constantes cujos valores numéricos dependem dos absorventes internos. As informações relevantes sobre elas podem ser encontradas em livros sobre transferência de massa.
onde Sh = Sherwood, k l / D AB
Re = Reynolds number, lU ρ / µ
Sc = número de Schmidt µ / ρ D AB
l = dimensão característica das partes internas do absorvedor
U = velocidade do fluido linear no absorvedor
D AB = Difusividade molecular da espécie A em uma mistura de espécies A e B
µ = Viscosidade Fluida,
ρ = Densidade Fluida
Equipamento de Absorção:
O objetivo de um equipamento de absorção é trazer um fluxo de gás e um fluxo de líquido em contato íntimo um com o outro, de modo que um soluto (um poluente gasoso) possa ser facilmente transferido da fase gasosa para a fase líquida. Deve-se notar aqui que, por este processo, um poluente é meramente transferido de uma fase gasosa para uma fase líquida e não é convertido em uma substância inócua. Se for desejado recuperar o soluto devido ao seu valor econômico, ele deve ser dessorvido posteriormente da solução.
Os equipamentos que podem ser utilizados para realizar um processo de absorção são: uma torre compactada, torre de placa, câmara de pulverização e purificador de venturi. Destes, o equipamento mais utilizado é uma torre compacta, que é bastante eficiente e relativamente menos dispendiosa. É uma coluna cilíndrica vertical com embalagem dentro dela.
As embalagens podem ser feitas de plástico ou metal ou cerâmica, que fornecem maior área de superfície por unidade de volume embalado para contato gás-líquido. Embalagens de diferentes geometrias e tamanhos estão disponíveis. Os critérios para escolher uma geometria e tamanho de empacotamento são grandes áreas de superfície, alta fração de vazios e baixo custo. A fração de vazios do leito mais elevado oferece menos resistência ao fluxo de gás e líquido.
Os outros componentes internos de um leito fixo são um distribuidor de líquidos, redistribuidores, um suporte de embalagem e um distribuidor de gás. Normalmente, em uma torre compacta, o líquido flui para baixo sobre a superfície da embalagem, na forma de filmes, e o gás flui através do espaço vazio, passando pelos filmes líquidos.
As torres de placas são de três tipos diferentes: placa de peneira, placa de tampa de bolha e bandeja de válvula. Uma torre de placa é uma embarcação cilíndrica com várias placas horizontais empilhadas uma sobre a outra, espaçadas a alguma distância uma da outra. O absorvente (líquido) que entra no topo de uma torre flui através de cada placa e desce em cascata, formando uma piscina em cada placa.
O gás contendo um soluto / solutos (poluentes) entra no fundo da torre e flui para cima. Ele entra em cada placa através de pequenos orifícios e borbulha através da piscina líquida. A transferência do soluto da fase gasosa para a fase líquida ocorre quando o gás borbulha na piscina.
No caso de placas peneiradas, os furos (através dos quais o gás flui) são pequenos e não cobertos. No caso de bandejas com tampa de bolhas e bandejas de válvula, os furos são de diâmetro maior (do que os das placas de peneira) e são parcialmente cobertos. As torres de placas são bastante eficientes, mas são mais caras do que as torres lotadas.
Câmaras de pulverização podem estar com ou sem embalagem. O líquido é introduzido no topo na forma de um spray e flui para baixo, enquanto o fluxo de gás pode ser horizontal ou vertical. Estes são geralmente menos eficientes do que as torres compactadas / de placas.
Nos depuradores venturi, gás e líquido são introduzidos na extremidade convergente de um venturi e fluem simultaneamente. Em alguns equipamentos, o líquido é introduzido na garganta. Quando o líquido se fragmenta em pequenas gotículas, ele fornece uma grande área de contato para a transferência de massa. Sua eficiência como absorvedor é baixa.
Quando for planejada a utilização de uma torre compactada ou de uma torre de placas, a corrente de gás deve ser pré-tratada para remover o material particulado, caso contrário as partículas podem se acumular na torre e, assim, obstruí-la. No entanto, quando uma câmara de pulverização (sem embalagem) ou um lavador Venturi é usado como um absorvedor, a pré-limpeza do gás não é essencial
Abordagem de Design de Torre Embalada:
Uma vez que as colunas de absorção embaladas são mais frequentemente utilizadas para absorver poluentes gasosos das correntes de gás, a abordagem de concepção de tal coluna é descrita abaixo.
Antes da absorção em uma coluna empacotada, um fluxo de gás influente deve ser submetido aos seguintes pré-tratamentos:
O resfriamento das correntes de gás influente reduziria sua taxa de fluxo volumétrico e aumentaria a solubilidade do (s) poluente (s) no solvente selecionado. Como resultado, o tamanho do absorvedor será menor e a quantidade de solvente necessária será menor.
Durante a absorção, cada um dos poluentes presentes em uma corrente de gás seria removido até certo ponto ou outro, dependendo de sua solubilidade no solvente selecionado. Um solvente é principalmente selecionado para remover um poluente específico e um absorvedor é projetado de modo a alcançar o grau desejado de remoção daquele poluente específico.
Ao selecionar um solvente adequado, os fatores / parâmetros a serem considerados são:
1. Alta solubilidade do absorvente alvo,
2. Baixa pressão de vapor do solvente na temperatura de operação,
3. baixo preço,
4. Baixa toxicidade / nula e
5. Se o solvente deve ser recuperado e reutilizado.
Os dados e informações necessários para projetar um absorvedor são:
(i) Caudal máximo (esperado) do gás portador, G mole / h;
(ii) temperatura e pressão da corrente de gás influente;
(iii) Concentração do poluente-alvo no afluente e seu grau desejado de remoção;
(iv) dados de solubilidade / relação de equilíbrio;
e (v) o tipo de embalagem, seu tamanho e outras características.
Uma vez que essas informações estejam disponíveis, seria possível calcular o seguinte usando equações apropriadas e, assim, projetar um absorvedor adequado.
(i) Vazão de solvente necessária, L mole / h
ii) Diâmetro da coluna D,
(iii) altura da coluna Z,
(iv) queda de pressão no leito compactado.
Taxa de Solvente Requerida:
A taxa mínima de solvente (L mjn ) pode ser calculada assumindo que o solvente que deixa o absorvente se tornaria saturado em relação à concentração de soluto na corrente de gás influente. A Figura 4.11 mostra um diagrama esquemático de um absorvedor compactado.
Uma expressão para L min é obtida rearranjando a equação do balanço de soluto através de um absorvedor,
L min = G (Y1-Y2) / X * 1 - X2
onde X 1, * = Y 1 / m
X l, X 2 = concentração de soluto no solvente à saída e à entrada, respectivamente, em unidade de razão molar,
Y 1, Y 2 = concentração de soluto na fase gasosa na entrada e saída, respectivamente, em unidade de razão molar.
Na prática, X2 e X1 seriam conhecidos. Y 2 estaria relacionado a Y 1 através do grau desejado de remoção, ou seja, a eficiência de remoção,
Y 2 = Y 1, (1- r ), ᶯ r = eficiência de remoção,
Avaliação de L min usando a Eq. (4.48) seria apropriado se a relação de equilíbrio fosse linear, ou seja, Y = mX e m independente de X. Na maioria dos casos a concentração de soluto (poluente) na fase gasosa seria baixa e, portanto, m seria independente de X.
A taxa real de solvente é normalmente tomada como
L real, = 1-25 a 2, 0 vezes o L min .
Deve-se salientar aqui que um absorvedor nunca é projetado tomando L real - L min, pois resultaria em um valor muito alto de ZQ.
À medida que L real é aumentado, a altura calculada da coluna diminuiria, mas a seção cruzada da coluna aumentaria. O L real deve ser finalmente decidido do ponto de vista do custo total (custo inicial mais custo operacional). Outro fator que deve ser levado em consideração para a estimativa de L real é a taxa mínima de líquido necessária para molhar as embalagens na coluna.
Diâmetro da coluna:
A um dado fluxo de gás e líquido, se o diâmetro da coluna for reduzido, o líquido retido (a massa de líquido na coluna em qualquer instante) na coluna aumentará. Isso resultaria em uma diminuição no espaço vazio disponível para o fluxo de gás através da coluna. Consequentemente, a velocidade do gás (linear) aumentaria e a pressão do lado do gás que cairia sobre o leito também aumentaria.
A maior queda de pressão no lado do gás dificulta o fluxo do líquido. Se o diâmetro da coluna for reduzido ainda mais, a coluna será preenchida com líquido. Esta condição é referida como inundação. A velocidade da massa de gás nesta condição é denominada como velocidade de inundação. A velocidade operacional do gás é de 60 a 75% da velocidade de inundação. Com base na velocidade real do gás de operação, a área da seção transversal da coluna é calculada usando a Eq. (4, 49).
Onde A col = coluna seção transversal,
G n = velocidade de massa superficial do gás no alagamento
F = fração da velocidade de inundação correspondente à qual é estimada uma seção transversal da coluna = 0, 6 a 0, 75,
E M g = peso molecular do gás (mistura).
G n depende das propriedades físicas do gás e do líquido, como pg, p L, µ L, características de empacotamento e a taxa de vazão da massa líquido para gás. Pode ser estimado com a ajuda de gráficos disponíveis em livros padrão sobre Transferência de massa.
Altura da coluna:
A equação de equilíbrio do soluto no estado estacionário, através de uma altura de empacotamento elementar (Fig. 4.11) de uma coluna, pode ser escrita como:
Levando em conta o fato de que o soluto é transferido da fase gasosa para a fase líquida, (4.50) pode ser reescrito como
onde a = área de superfície de embalagem por unidade de volume de leito.
Para obter uma expressão para a altura do leito fixo Eq. (4.51) é rearranjado e integrado. A equação resultante é
Z 0 assim calculado representa a altura da seção compactada de um absorvedor, que é necessária para reduzir a concentração de poluentes na fase gasosa de Y 1 para Y 2 . A altura real de uma coluna seria maior que Z O para fornecer espaço para um desembaçador e um distribuidor de líquido no topo, redistribuidores de líquido entre as seções compactadas, um distribuidor de gás, um suporte de embalagem e uma vedação de líquido no fundo.
Queda de Pressão em uma Torre Embalada:
Para estimar a queda de pressão em uma seção compacta de uma coluna, descobre-se AP / Z (queda de pressão por unidade de altura do leito) com base nos parâmetros operacionais já decididos, as propriedades físicas do sistema gás-líquido e as características de empacotamento utilizando informações disponíveis em livros sobre Mass Transfer. Usando esta informação, a queda de pressão através de uma cama acumulada é estimada com a ajuda da Eq. (4, 53)
A queda real de pressão através de uma torre seria maior do que a estimada usando Eq. (4.53) por causa dos internos da torre mencionados anteriormente, que não o da embalagem.
