Introdução à Absorção: Teoria e Aplicações

Absorção Universidade de Passo Fundo Disciplina de Operações Unitárias Geankoplis 1998 Cap 10 McCabe Smith e Harinton 1993 Cap 22 Perry e Green 2008 Cap 14 Prof Dr Jeferson Steffanello Piccin Introdução Definição jefersonpiccinupfbr Operação de separação na qual uma mistura de gases é separada através do contato com uma fase líquida sendo um ou mais de um componente da fase gasosa mais solúvel que os demais na fase líquida Também por Scrubbing Exemplos de aplicação Produção de amônia Recuperação de solventes extração Produção de carbonato de sódio Produção de metano biogás Purificação do ar A operação inversa a absorção chamase dessorção stripping na qual um componente dissolvido em um líquido passa para uma fase gasosa A teoria é a mesma e similar a retificação em colunas de destilação httpswwwyoutubecomwatchvedBiF43mqz8 Natureza de absorção jefersonpiccinupfbr Absorção química Ocorre reação química entre o gás e o líquido formando um novo componente Ex 2NH3gH2SO4aq NH42SO4aq Absorção física Ocorre a solubilização do gás no líquido por forças de interação de Van der Waals Ex NH3gH2Ol NH3aqH2Ol Natureza de absorção jefersonpiccinupfbr Diferenças entre aBsorção e aDsorção jefersonpiccinupfbr aBsorção Separação vaporlíquido formando uma fase líquida homogênea aDsorção Separação fluidosólido formando uma fase sólida com o material aderido a sua superfície heterogênea Equipamentos Equipamentos jefersonpiccinupfbr Alimentação de gás Recheio aumentar o contato entre as fases Spray de líquido aumentar a área superficial Reservatório de líquido selo mecânico Defletores separação GL Alimentação de líquido httpswwwyoutubecomwatchvZDjUyLwHz6w Equipamentos jefersonpiccinupfbr Alimentação de gás Recheio aumentar o contato entre as fases Spray de líquido aumentar a área superficial Reservatório de líquido selo mecânico Defletores separação GL Alimentação de líquido McCabe 1993 Equipamentos jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 Fundamentos de Absorção Equilíbrio gáslíquido jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 Lei de Henry A solubilidade de um gás dissolvido em um líquido é diretamente proporcional à pressão parcial do gás acima do líquido Dalton 1802 𝑝𝑎 𝐻 𝑥𝑎 1 Da lei de Dalton 𝑦𝑎 𝑝𝑎 𝑝 2 Da lei de Dalton 𝑦𝑎 𝐻 𝑥𝑎 𝑝 3 𝑦𝑎 𝐾 𝑥𝑎 4 Constantes de Henry e solubilidade em líquidos Perry 2008 Equilíbrio gáslíquido jefersonpiccinupfbr Lei de Henry 0 ya xa 1 Não idealidade da lei de Henry Lei de Henry httplabvirtualequcptsiteJoomlaindexphpoptioncom contenttaskviewid154Itemid311 Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 Balanço de material Balanço global em toda coluna 𝑉𝑏 𝐿𝑎 𝑉𝑎 𝐿𝑏 5 Balanço para o componente 𝑉𝑏 𝑦𝑏 𝐿𝑎 𝑥𝑎 𝑉𝑎 𝑦𝑎 𝐿𝑏 𝑥𝑏 6 Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 Balanço de material Balanço global no topo da coluna 𝑉 𝐿𝑎 𝑉𝑎 𝐿 7 Balanço para o componente 𝑉 𝑦 𝐿𝑎 𝑥𝑎 𝑉𝑎 𝑦𝑎 𝐿 𝑥 8 Isolando y 𝑦 𝑉𝑎 𝑦𝑎 𝐿𝑎 𝑥𝑎 𝑉 𝐿 𝑉 𝑥 9 Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 In Eq x and y represent the bulk compositions of the liquid and gas respectively in contact with each other at any given section through the column It is assumed that the compositions at a given elevation are independent of position in the packing The absorption of a soluble component from a gas mixture makes the total gas rate V decrease as the gas passes through the column and the flow of liquid L increase These changes make the operating line slightly curved For dilute mixtures containing less than 10 percent of soluble gas the effect of changes in total flow is usually ignored and the design is based on the average flow rates yc1c2x linha de operação da coluna Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 0 y x 1 Linha de equilíbrio Linha de operação L e V constante Linha de operação para L e V variáveis Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 0 y x 1 Linha de equilíbrio Linha de operação yb xa ya 1 2 0 x1 x2 xb y1 y2 Altura da coluna Contato de equilíbrio na coluna jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 0 y x 1 Linha de equilíbrio Linha de operação yb xa ya 1 2 0 x1 x2 xb y1 y2 𝑦 𝑉𝑎 𝑦𝑎 𝐿𝑎 𝑥𝑎 𝑉 𝐿 𝑉 𝑥 E quando a coluna não é de pratos Transferência de massa na interface liquidovapor jefersonpiccinupfbr McCabe 1993 Gotícula de líquido x xi Gás y yi Na Para que ocorra a absorção o gás deve ficar tempo em contato suficiente para que ocorra a transferência de massa Considerando um gás inerte ao líquido 𝑁𝑎 𝑘𝑦 𝑦 𝑦𝑖 𝑘𝑥 𝑥 𝑥𝑖 10 Reordenando 𝑘𝑥 𝑘𝑦 𝑦 𝑦𝑖 𝑥 𝑥𝑖 11 Entretanto é muito difícil prever com exatidão valores dos coeficientes de transferência de massa xi 0 y x 1 xn yn1 yn xn1 yi Inclinação 𝑘𝑥 𝑘𝑦 Transferência de massa na interface liquidovapor Fazendo 𝑘𝑦 𝑘𝑦 1 𝑦 10 e 𝑘𝑥 𝑘𝑥 1 𝑥 12 13 Então substituindo na eq 10 14 𝑁𝑎 𝑘𝑦 1 𝑦 𝑦 𝑦𝑖 𝑘𝑥 1 𝑥 𝑥𝑖 𝑥 Transferência de massa na interface liquidovapor Tomando um elemento infinitesimal de área de transferência de massa definido como 𝑑𝐴 𝑎 𝑆 𝑑𝑧 A quantidade do componente A é dado por 15 16 𝑁𝑎𝑑𝐴 𝑘𝑦𝑎 1 𝑦 𝑦 𝑦𝑖 𝑆 𝑑𝑧 𝑘𝑥 1 𝑥 𝑥𝑖 𝑥 𝑆 𝑑𝑧 No gás considerando Vcte o fluxo do componente a é dado por 17 𝑁𝑎𝑑𝐴 𝑉 𝑑𝑦 𝑘𝑦𝑎 1 𝑦 𝑦 𝑦𝑖 𝑆 𝑑𝑧 Similarmente para o líquido 18 𝑁𝑎𝑑𝐴 𝐿 𝑑𝑥 𝑘𝑥 1 𝑥 𝑥𝑖 𝑥 𝑆 𝑑𝑧 Transferência de massa na interface liquidovapor Integrando as equações 17 e 18 com as seguintes considerações Mistura gasosa diluída ya10 Coeficientes de transferência de massa constantes ao longo da coluna Gradiente de concentrações dada pela média logarítmica entre a entrada e saída Temos 18 𝑧 𝑉 𝑆 𝑘𝑦𝑎 𝑦1 𝑦2 𝑦 𝑦𝑖 𝐿𝑀 e 19 𝑧 𝐿 𝑆 𝑘𝑥𝑎 𝑥1 𝑥2 𝑥𝑖 𝑥 𝐿𝑀 z é a altura total da torre Logo a altura de uma unidade de transferência pode ser calculada dividindo z pelo número de estágios teórico Exemplo comentado Ex 1062 Geankoplis 1998 Se absorbe acetona con agua en una torre empacada que tiene un área de corte transversal de 0186 m2 a 293 K y 10132 kPa 1 atm El aire de entrada contiene 26 de mol de acetona y el de salida 05 El flujo de gas es 1365 kg mol de aire inerteh El flujo de entrada de agua pura es de 4536 kg mol de aguah Los coeficientes de película para los flujos dados en la torre son kya 378 x 102 kgmolsm3 y kxa 616 x 102 kgmolsm3 En el Apéndice A3 se localizan los datos de equilibrio a Calcule la altura de la torre con kya b Repita ahora con kxa Solución Con base en el Apéndice A3 para acetonaaguay es y1186x Esta línea de equilibrio se gráfica en la figura 10610 Los datos son L 4536 kg molh V 1365 kg molih y1 0026 y2 0005 y x2 0 Exemplo comentado Ex 1062 Geankoplis 1998 Para un balance general de material Para calcular las velocidades totales de flujo molar en kgmols Exemplo comentado Ex 1062 Geankoplis 1998 Para un balance general de material Con la ecuación de la pendiente Graficando esta línea através de y1 x1 intersecará a la línea de equilibrio en el punto yi1 00154 y xi1 00130 Grafícando esta línea através de y2 yi2 00020 xi2 00018 Exemplo comentado Ex 1062 Geankoplis 1998 la media logarítmica de la fuerza impulsora Sustituyendo en la ecuación 10626 y resolviendo