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Separação por absorção
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OPERAÇÕES UNITÁRIAS - III
Capítulo-1 – Introdução às Operações Unitárias com Transferência de Massa Capítulo-2 – Equilíbrio de Fases em Sistemas Binários e MulticomponentesCapítulo-3 – Destilação FlashCapítulo-4 – Operação em Multiestágios - AbsorçãoCapítulo-5 – Destilação Binária e MulticomponentesCapítulo-6 – Extração Sólido-LiquidoCapítulo-7 – Extração Líquido-LíquidoCapítulo-8 – Psicrometria, UmidificaçãoCapítulo-9 – SecagemCapítulo-10 – CristalizaçãoCapítulo-11 – Adsorção e Troca Iônica
OPERAÇÕES UNITÁRIAS - III4.1 – Conceitos e Aplicações4.2 – Linha de Operação x Linha de Equilíbrio4.3 – Análise de Casos da Linha de Operação4.4 – Máximo Valor de xb ou (L/V)min4.5 – No. de Estágios - Método de Mc-Cabe – Thiele4.6 – No. De Estágios – Método de Kremser4.7 – Operação em Contracorrente e Concorrente4.8 – Projeto de Colunas com Pratos4.8.1 – Capacidade e Diâmetro da Coluna de Pratos4.8.2 – Queda de Pressão da Coluna de Pratos4.8.3 – Eficiência dos Estágios da Coluna de Pratos4.9 – Projeto de Colunas com Recheios4.9.1 – Número de Unidades de Transferência4.9.2 – Alturas de Unidades de Transferência4.9.3 – Alturas Equivalentes dos Estágios Teóricos (HETP)4.9.4 – Características do Recheio e do Leito Fixo 4.9.5 – Capacidade Gás/Líquido Máxima e Queda de Pressão 4.9.6 – Distribuição de Líquidos e Redistribuição 4.9.7 – Estimativa do Coef. de Transf. da Fase-Gás (Kg) e da Fase Líquida (KL) 4.10 – Outros Dispositivos 4.11 – Dessorção a Vapor (Stripper)4.12 – Exemplos de Dimensionamento
Capítulo-4 – Operação em Multiestágios - Absorção
https://www.youtube.com/watch?v=jObnVRjyJoshttps://www.youtube.com/watch?v=GkH8pB0hEKkhttps://www.youtube.com/watch?v=iI6EzkBujdIhttps://www.youtube.com/watch?v=BaBMXgVBQKk
https://www.youtube.com/watch?v=D0H9FWsk_Ck
Referências Bibliográficas :
MASS TRANSFER OPERATIONSRobert Treybal3rd. Edition, Mc Graw Hill
UNIT OPERATIONS OF CHEMICAL ENGINEERINGWarren . McCabe , Julian C. Smith3rd. Edition , Mc Graw Hill
PERRY´S CHEMICAL ENGINEERING´S HANDBOOKPerry & Green, 7th. Edition Gas Absorption and Gas-Liquid System Design James R. Fair, D. E. Steinmeyer
ALBRIGHT’S CHEMICAL ENGINEERING HANDBOOKLyle F. AlbrightChapter 13 , Absorption and Stripping James R. FairCRC Press
4.1 – Conceitos e Aplicações
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 outra 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.
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 ou pratos.
Este equipamento também é chamado de coluna de pratos ou torre de recheio.
São 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, chegam 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
TANQUEDE
ÁCIDOSULFÚRICO
TANQUEDE
METANOL
TANQUEDE
CLORATODE SÓDIO
REATOR
TANQUE DEDIÓXIDO
DE CLORO
CHILLER
FILTRO
FILTRO ClO2(1% Cl2 + HCOOH)9,5 g/l , 9 C
H2O + ClO2 + Cl2(líquido)
H2O +ClO2 + Cl2
(gás + líquido)
Água Fria (5 C) atm
H2O +ClO2 + Cl2(gás)
EJETOR
TORREDE
ABSORÇÃO
TORREDE
ABSORÇÃO
EXAUSTOR
REFERVEDO
R
CON
DEN
SADO
R
CON
DEN
SADO
R
Vapor
Cond.
ÁguaFábrica
ÁguaMorna
ÁguaMorna
H2SO4 , 98 %
CH3OH , 96 %
NaClO3
H2O + HCOOHClO2 + Cl2
(gás + líquido)
H2O + HCOOH +ClO2 + Cl2(gás)
Vapor
Filtrados (ácido)
Na2SO4Resíduos
Na3H(SO4)2
Sesquisulfatode Sódio
Na2SO4 + Na3H(SO4)2 + Ácidos
76 C
31 C
71 C
Vapor
ÁguaMorna
Na3H(SO4)2
SólidoNa2SO4
Sólido
85 C45 C
74 C
0,82 t/t-ClO2
0,18 t/t-ClO2
1,65 t/t-ClO2
ÁguaMorna
ÁguaFábrica
60 % nível
135 mmHg170 mmHg
Sólidos1850 kg/m3
50 % nível
9
Seleção de Solventes para Absorção e Dessorção :
Um critério importante para a seleção de solvente é solubilidade. O solvente deve acomodar uma quantidade razoável de espécie a ser removido a partir do gás, enquanto mantendo a selectividade entre o soluto (s) e um gás de transporte. Quando o transportador é ar ou um material inerte gásoso, que é fácil para designar soluto vs transportador; em outros casos, é uma questão de solubilidade relativa. Outros critérios para a seleção do solvente incluem o seguinte: 1. Disponibilidade e custo 2. Volatilidade (maior volatilidade pode contaminar o gás de saída absorvente) 3. Estabilidade, especialmente em sistemas de recirculação 4. Corrosividade 5. Facilidade de dessorção 6. Conveniência da eliminação 7. Grau de perigo para os seres humanos e o meio ambiente
EFEITOS DE CALOR Com alimentações de gás magras, apenas relativamente pequenas quantidades de componentes de alimentação passam para o líquido. Assim, os calores de solução destes componentes são relativamente pequenos, e a coluna de absorção opera aproximadamente isotermicamente.
Para quantidades significativas de absorção, as eliminatórias exotérmicas de solução tornam-se importantes. Neste último caso, a temperatura da fase líquida pode aumentar de forma mensurável, resultando em menor solubilidade de solutos e mais solvente necessário. Para este caso, adiabático, temperatura de saída do solvente pode ser calculada a partir do calor de absorção e a capacidade de calor do solvente. À medida que a temperatura do solvente aumenta, duas abordagens podem ser utilizadas: (1) Permitir a diminuição da solubilidade no design, e ajustar a localização do equilíbrio curva (ou o valor de K) em conformidade. Por exemplo, a equação (13.8) pode ser usado para segmentos da coluna, onde as temperaturas são diferentes por causa dos efeitos de solução. (2) Instalar intercooling capacidade da coluna para manter um estado de pseudo-isotérmica. O arrefecimento pode ser feito com as bobinas de cada bandeja (como nas colunas de ácido nítrico) ou com trocadores de calor externos de processamento do fluxo descendente total de líquido. A Figura do ítem 8.2 compara as inclinações das curvas de equilíbrio em uma baixa concentração de amônia no o líquido e a uma concentração mais elevada. Se a concentração de amónia é menos do que cerca de 0,1 fração molar, a linha de equilíbrio é bastante simples. No entanto, os efeitos de calor associado com a absorção de amoníaco pode mover a curva de equilíbrio para uma maior inclinação.Exemplo-2 mostra que até mesmo um caso de baixa concentração pode exigir correção para a variação de temperatura, ou seja, calor.
4.2 – Linha de Operação x Linha de Equilíbrio
n
n+1
n-1
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
Ln-1
Ln
Vn
Vn+1
Ln-1
xn-1
Ln
xn
Vn
yn
Vn+1
yn+1
BalançoMaterial
La Vazão molar da fase L na entrada Va Vazão molar da fase V na saída
Lb Vazão molar da fase L na saídaVb Vazão molar da fase V na entrada
Balanço Global : La + Vn+1 = Va + Ln
Balanço 1 comp. : La xa + Vn+1 yn+1 = Va ya + Ln xn
yn+1 = Ln xn + Va ya - La xa
Vn+1 Vn+1
Linha de OperaçãoRelação de um fluxo qualquer num dado estágio da coluna.
ya fração molar do componente A na fase levexa fração molar do componente A na fase pesada
Propriedades Importantes :
(xa , ya) e (xb , yb) pertencem a Linha de Operação
xn = xa xn = xb
Vn+1 = Va Vn+1 = Vb
Ln = La Ln = Lb
ya = La xa + Va ya - La xa e Va Va
yb = Lb xb + Va ya - La xa
Vb Vb
yb
ya
xa xb
linha de operação
As extremidades da coluna pertencemà curva da linha de operação.
yn+1 = Ln xn + Va ya - La xa
Vn+1 Vn+1
EQUAÇÃO DA LINHA DE OPERAÇÃO :
4.3 – Análise de Casos da Linha de Operação
Vamos analisar 2 casos : 1-) Ln e Vn+1 são constantes. 2-) Cada uma das fases possuem inertes, cuja vazão molar permanece constante.
CASO-1 : Ln e Vn+1 são constantes e Ln = L e Vn+1 = V
yn+1 = L xn + V ya - L xa
V Vyn+1 = L xn + ya - L xa
V V
Equação de uma reta
yb
ya
xa xb
linha de operação Se conhecermos (xa , ya) e (xb , yb) , ou conhece-se uma dasextremidades e (L/V) , conseguimos traçar a curva de operação.
Este caso serve para destilação onde os componentes possuementalpias de vaporização não muito diferentes.Ex. Tolueno-Benzeno.
CASO-2 : Cada uma das fases possuem inertes, cuja vazão molar permanece constante
Comum em colunas de absorção, onde por exemplo a água e o ar são inertes e na absorção do NH3 do ar por H2O.
L’ Vazão do Inerte na fase pesadaV’ Vazão do inerte na fase leve
Ln = L’ + xn Ln Ln = L’/(1-xn)
Vn+1 = V’ + yn+1 Vn+1 Vn+1 = V’/(1-yn+1)e
La = L’/(1-xa)
Va = V’/(1-ya)
La xa + Vn+1 yn+1 = Ln xn + Va ya ( L’ ) xa + ( V’ ) yn+1 = ( L’ ) xn + ( V’ ) ya
1 - xa 1 – yn+1 1 – xn 1 - ya
L’ xa - xn = V’ ya - yn+1
1 - xa 1 – xn 1 – ya 1 – yn+1 X = x/(1-x) e Y = y/(1-y)
L’ [ Xa – Xn ] = V’ [ Ya – Yn+1 ] Yn+1 = L’ Xn - L’ Xa + Ya V’ V’
Yn+1 = L’ Xn - L’ Xa + Ya V’ V’
Yn+1 - Ya = L’ [ Xn - Xa ] V’
Yb
Ya
Xa Xb
linha de operação
α
linha de equilíbriotg α = L’/V’
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
Vai dependerda razão (L’/V’)
4.4 – Máximo Valor de xb ou (L/V)min
Yb(máx)
Ya
Xa Xb
linha de operação
linha de equilíbrio
tg α = L’/V’
Xb(máx)
Yn+1 - Ya = L’ [ Xn - Xa ] V’
Se diminuirmos (L/V) ou (L’/V’) , então o coeficienteangular da equação acima vai diminuir, aumentandoassim a quantidade ou concentração Xb .
L’ e V’ constantes :
L e V constantes : Yn+1 = L Xn + Ya - L Xa V V
Fixou-se 3 variáveis Yb , Xa , Ya e se diminuirmos (L/V) ou (L’/V’), teremos uma concentração do líquido maior (Xb).
Existe um (L/V) ou (L’/V’) limite à qual não podemos mais alterar, isto é, no momento em que a curva da linha de operação atingir a linha de equilíbrio, teremos atingido o máximo valor de Xb .
Quanto menor (L/V) tg α = (L/V)mín = (Yb(máx) – Ya)/(Xb(máx) – Xa) No. Infinito de Estágios Fornecer um valor limite, à qual abaixo dele ou nele, é impossível trabalhar.
Yb
Como observado na solução do Problema 13,2, quando a taxa de solvente é reduzido para um valor ao qual a composição do gás se aproxima do equilíbrio com o solvente de saída.
Na Figura 13.8, se uma linha de operação é desenhada a partir da “encostada” na linha de equilíbriocomo, um número infinito de passos seriam necessários na condição de fundo.
A “encostada” de fundo é o tipo mais comum, mas, sob certas condições, o aperto pode ocorrer no topo, em que a composição do gás de compensação é, em equilíbrio com a composição de solvente que entra.
Muitos estudos têm indicado que uma proporção óptima de solvente para alimentação é de cerca de 40% maior do que o mínimo. O ideal representa um trade-off entre o custo de capital adicional (mais estágios em menor razão solvente / alimentação) e um aumento dos custos de funcionamento, devido à circulação de mais solvente. Recomenda-se que a taxa mínima de ser determinada em primeiro lugar e, como um valor inicial, um projeto para a taxa de solvente pode ser 1,4 vezes o mínimo.
TAXA MÍNIMA DE SOLVENTE
4.5 – No. de Estágios - Método de Mc-Cabe – Thiele
No. de Estágios
No projeto de um absorvedor ou de dessorvedor, para operação em contracorrente, deve-se verificar a quantidade de estágios necessários ara atingir as concentrações desejadas de soluto nos fluidos de transporte.
Tal como no caso de separações por destilação, este índice é tanto o número necessário teórico de estágios ou o número necessário de unidades de transferência.
Esses parâmetros são intercambiáveis, com estágios muitas vezes usado para colunas de pratos e unidades de transferência para colunas de recheio.
Colunas de pratos são vasos verticais, geralmente circular em secção transversal, que contêm uma multiplicidade de placas que trazem o gás e líquido em contato íntimo. Estas colunas são as mesmas que as usadas para destilação. A maioria das placas estão ligados por tubos de descida, em que a transferência de líquido downflowing a partir de uma placa para o lado da placa inferior. Tipicamente, as placas têm aberturas através das quais o upflowing passes de gás e acima da qual o gás e líquido fazer contato.
Aplicável a qualquer operação em estágios
01 02 N............V1 , Y1 V2 , Y2 V3 , Y3 Vn , Yn Vn+1 , Yn+1
L0 , X0 L1 , X1 L2 , X2 Ln-1 , Xn-1 Ln , Xn
Relacionadospor L. O.
Relacionadospor L. E.
(Xn , Yn+1) ϵ L. O.(Xn , Yn) ϵ L. E.
Através deste método determina-se o número necessários de estágios para se atingir as concentrações especificadas.
Yn+1
Y0
X0 Xn
linha de operação
linha de equilíbrio
X1 Xn-1
Y1
Yn
1
2
n
n-1
Método de Mc-Cabe – Thiele (Método Gráfico)
4.6 – No. De Estágios – Método de Kremser
O número de estágios necessárias para uma determinada quantidade de
absorção pode ser calculado a partir da Kremser-Brown equation (18) com estágios numeradas para baixo a partir do topo da coluna:
A equação de Kremser-Brown [Equação (13.8)] pode ser modificado para a dessorção :
Onde, Esi = eficiência de dessorção do componente i XN +1 = moles i por mol de líquido livre de solutos, entrando condição (em cima) X1 = moles i por mol de líquido livre de solutos, saindo condição (em baixo) Xo* = moles i por mol de líquido livre de solutos, determinado como em equilíbrio com i na entrada de gás dessorvido N = estágios teóricos exigidos Si = fator de descascamento para o componente i Si = (V Ki) / L' = 1/Ai' V / L : razão molar vapor/líquido
A concentrações de líquidos, em letras maiúsculas de gás e são as mesmos que as definidas pelas equações anteriores.Os estágios necessários necessários para alcançar um dado grau de dessorção, para soluções diluídas :
Os gases de dessorção mais prevalentes são a vapor e ar (ou azoto). Milhares de strippers de ar são utilizado para purificar águas subterrâneas contaminadas, e muitos dessorventes de vapor são usados para purificar resíduos aquosos contaminados, bem como as águas subterrâneas contaminadas.
4.7 – Operação em Contracorrente e Concorrente
Caso-1 - Absorção - Transferência da Fase Leve para a Fase Pesada
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
Xb > Xa
Yb > Ya
YOp > Yeq Tem que haver transferência de massa no sentido de maior para menor concentração.
Comum em colunas de absorção.
Yb
Ya
Xa Xb
linha de operação
linha de equilíbrio
Operação em Contracorrente
Caso-2 – Dessorção - Transferência da Fase Pesada para a Fase Leve
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
Xa > Xb
Yb > Ya
XOp > Xeq Maior concentração na linha de operação e menor concentração na linha de equilíbrio, para haver transferência de massa.
Ya
Yb
Xb Xa
linha de operação
linha d
e equilíb
rio
Xbmin
Em colunas de recheio, as operações em contra-corrente ficam delimitadas devido às limitações em relação às vazões, pois pode ocorrer inundação, isto é, a coluna fica tão cheia de líquido que fica difícil para o gás passar.
Operação Concorrente (ou em Paralelo)
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
Balanço Material :
L’ Xb + V’ Yb = L’ Xa + V’ Ya
Yb – Ya = - L’ ( Xb - Xa ) V’
Caso-1 – Absorção - Transferência da Fase Leve para a Fase Pesada
Xa > Xb
Yb > Ya
YOp > Yeq Tem que haver transferência de massa no sentido de maior para menor concentração.
Yb
Ya
XaXb
linha de operação
linha de equilíbrio
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
Xa(máx)
Maior valor de Xa que sepode obter, na linha de eq.
Coef.Angulartg α = (-L’/V’)
Caso-2 – Dessorção - Transferência da Fase Pesada para a Fase Leve
Xb > Xa
Ya > Yb
XOp > Xeq Tem que haver transferência de massa no sentido de maior para menor concentração.
Yb
Ya
Xa Xb
linha de operação
linha de equilíbrio
Va , ya
Vb , yb Lb , xb
La , xa
L’ , Xa V’ , Ya
V’ , Yb L’ , Xb
4.8 – Projeto de Colunas com Pratos
Colunas de pratos para absorção e dessorção são bastante padrão em projetos, com as placas perfuradas para permitir a passagem de gás para cima e disposições para transportar o líquido a partir de uma placa para o lado da placa inferior. A Figura a seguir utiliza pratos perfurados simples para contactar.
Prever o desempenho de um absorvedor de prato ou de stripper envolve :
(a) Capacidade. Este determina o diâmetro da coluna e é necessária uma função da placa geometria, o espaçamento vertical das placas, e as taxas de fluxo de líquido e gás. (b) A queda de pressão. Esta é uma função das taxas de fluxo e geometria da placa e é particularmente importante para o gás flui para onde grande potência do ventilador pode ser um elemento importante na a economia do projeto do sistema.(c) Eficiência. As discussões anteriores de absorção e os números de estágios ter levaram a uma determinação de estágios teóricos ou pratos. Para um design prático, a eficiência da placa é necessários para determinar o número de placas reais necessários na coluna. (d) Contenção de líquido. A quantidade de líquido presente nos pratos tem implicações para o controle projeto do sistema; quanto maior o dique, menor a resosta da coluna a alterações na variáveis de controle. Ele pode ser particularmente importante para absorvedores químicos onde um grau de tempo de residência do líquido é necessário para completar a absorção / reacção.
4.8.1 – Capacidade e Diâmetro da Coluna de Pratos
A capacidade máxima permitida de um absorvedor ou dessorvedor de placa é representado pelas condições de inundação da coluna. A capacidade operacional é prudente estar com base em cerca de 85% do previsto da condição de inundação. O primeiro passo é calcular o adimensional parâmetro de fluxo para o ponto na coluna investigada:
onde L/G é a relação de massa de líquido para gás. Este parâmetro é um número elevado para as típicas elevadas razões L/G encontrados em absorvedores e dessorvedores, mas há notáveis exceções (por exemplo, o uso de glicóis para dessorver a água para fora do gás natural), onde o L/G é extremamente baixo.
A velocidade permitida para o gás para um dado parâmetro do fluxo é obtido a partir da Figura :
Capacidade de absorvedores de placas e strippers. Nas Curvas observar as condições incipientes de inundação, e para o projeto deve ser descontado. [Feira, J. R., 1961. Petro / Chem. Engenheiro 33 (9):. 57]
O valor do FP é obtido diretamente do balanço de materiais em geral. Para um espaço de prato seleccionado (geralmente em 18 (457 mm) de 24 em (610 mm) e FP como abcissas, o valor da ordenada é obtido. Este é o parâmetro CSBF capacidade na capacidade máxima (inundação). O valor é ordenada é :
UN = velocidade do gás linear através da área líquida do prato, ou seja, através da seção transversal aberta a fluir, considerando o espaço bloqueado pelo tubo de descida (s), σ = tensão superficial da líquido em mN / m.
Desde que UN = Us (AT/AN), e Csbf é obtido do gráfico com FP , então a velocidade superficial do gás e o diâmetro serão :
Relações geométricas para absorvedores e dessorvedores de placas (Fluxos de líquidos através das placas).
4.8.2 – Queda de Pressão da Coluna de Pratos
A queda de pressão total através da coluna, em termos de altura de líquido é :
htotal = queda de pressão sobre todos os pratos, a altura que o solvente flui. Nact = número de pratos reais. ht = queda de pressão através de um único prato.
A equação acima não cobre as perdas, tais como entrada de gás, queda através de um demister na parte superior da coluna, e assim por diante. A queda de pressão através do prato compreende duas resistências em série, para um atrito através das perfurações (hd) e o outro para a perda de carga no fluxo através do líquido gaseificado no prato (hL) :
expresso em coluna de líquido.
Para as perfurações (hd), a equação de orifício aplica-se:
Cv = coeficiente de orifício, sem dimensão Uh = velocidade do gás através dos orifícios
Tipicamente, a área dos orifícios é de 6 a 8% da área da secção transversal total.O coeficiente de orifício é cerca de 0,8 .A queda através da líquido gaseificado depende da carga de fluxo no prato, e a figura 13.15 permite uma estimativa do altura da mistura de duas fases (isto é, espuma). Esta mistura é tipicamente 80% de gás em volume, de modo que a altura total com espuma multiplicado por 0,2 dará a altura equivalente de líquido claro para uso na equação de ht .
4.8.3 – Eficiência dos Estágios da Coluna de Pratos
Nas secções anteriores, os métodos são dadas para a estimativa do número de estágios teóricos necessários para uma separação especificada. O número de estágios reais, ou pratos, é calculado a partir de uma eficiência média de placa para a coluna geral:
Métodos utilizados em outros processos de separação podem ser utilizados para este propósito, uma vez que os mecanismos de transferência de massa para absorção e dessorção são as mesmas que aquelas para destilação.
A figura ao lado, de O'Connell, 22 pode ser usado para projetos preliminares e muitas vezes para a projetos finais. Ele refere-se a eficiência global da coluna à razão de equilíbrio K, a viscosidade da fase solvente, e a densidade molar da fase de solvente.
Este termo de eficiência na verdade compreende uma série de eficiência dos componentes da torre, e por meticuloso trabalho, pode ser necessário para levá-los em conta.
4.9 – Projeto de Colunas com Recheio
Em vez de estágios ou pratos, unidades de transferência são introduzidas para representar os requisitos de separação em uma coluna de recheio por contato em contra-corrente contínua. Como será mostrado mais tarde, estágios ideais podem ser convertidos para unidades de transferência para fins de concepção. Assim, apenas um resumo da teoria de unidades de transferência será dado aqui, uma vez que é prática habitual determinar os estágios necessários, como discutido na seção anterior, e em seguida, convertê-los em unidades de transferência. A conversão é viável pois as características de transferência de massa de colunas com recheio, geralmente são correlacionados em termos de alturas de uma unidade de transferência. Assim, Altura-Recheio : Z = Nog . Hog
Nog = número geral (ambas as fases consideradas) de unidades de transferência Hog = altura de uma unidade de transferência geral
Unidades de transferência geral pode ser expressa em termos de unidades de transferência de fase individuais:
Hog = Hg + λ . HL e
onde λ é a razão entre os coeficientes angulares da linha de equilíbrio e da linha de operação, para o componente de transferência i:
O termo λ é equivalente ao fator de separação definido anteriormente. Quando a linha de equilíbrio é essencialmente linear e para os casos de concentração de soluto diluídos, λ é constante.
4.9.1 Número de Unidades de Transferência
O número total de unidades de transferência da fase de gás é definido como :
- Onde y é a fracção molar do i no gás e yi* é a fracção molar do i no gás que está em equilíbrio com a composição x i
líquido. Note-se que yi* não é uma composição real, mas um termo calculado a partir da expressão de equilíbrio y i* = Ki.xi.- Os subscritos 1 e 2 para a composição de gás referem-se às condições de entrada e saída.
Se um modelo de estágio está sendo usado para calcular a separação, estágios ideais podem ser convertidos para unidades de transferência utilizando a relação :
Observe que, quando λ = 1.0 , Nog = Ntheo
Tal como no caso de factores de absorção com os estágios, cada componente pode ter o seu número individual de unidades de transferência.
4.9.2 Alturas de Unidades de Transferência Sistemas com significativa resistência a transferência de massa em ambas as fases, a equação (Hog = Hg + λ . HL) é utilizada. Valores de Hg e HL são geralmente obtidos a partir de correlações generalizadas suportados por trabalhos experimentais, mas pode ser expressa em termos de relações mais fundamentais :
Gm = fluxo total de gás, kg-moles/s-m2 Kgi = coeficiente de transferência de massa, kg-moles / (s-m2-atm) ae = eficaz área interfacial, m2/m3 P = pressão total, atm
Lm = fluxo total líquido, kg-moles/s-m2 Kli = coeficiente de transferência de massa, quilograma-moles / (s-m2-kg/m3) ρL = densidade líquida média, kg/m3
As equações acima, as unidades mostradas são representativos; mas outros conjuntos consistentes podem ser usados.
4.9.3 Alturas Equivalentes dos Estágios Teóricos (HETP)
Há casos em que é preferível converter as alturas de unidades de transferência para alturas dos estágios teóricos.
O termo altura equivalente a um prato teórico (HETP) é usado. Esta é a altura de um leito empacotado com recheio, em que é conseguida uma fase teórica de separação. A conversão está relacionada com a Equação :
Então, quando λ = 1.0 , HETP = Hog
4.9.4 Características do Recheio e do Leito Fixo
Colunas de enchimento ou de recheios para a absorção e desssorção são simples no seu projeto, se não em análise. As colunas verticais estão equipadas com um suporte de recheios, a qual proporciona que a coluna fique cheia com o enchimento aleatório, e equipada na parte superior com um dispositivo adequado para distribuir o líquido no leito. A grade de tela ou hold-down é normalmente colocado no topo do leito para evitar o movimento do recheio, especialmente se o material do recheio tem uma densidade baixa (por exemplo, plástico) e a dinâmica do gás é alta. Em alguns casos, um dispositivo especial na parte inferior do leito é usada para assegurar uma distribuição uniforme do gás através do leito. Um recheio absorvente é ilustrado na fugura ao lado ; o distribuidor de líquido é do tipo de tubo perfurado, mas outros tipos, menos sujeitos a incrustação de líquido, podem ser usados.
Prever o desempenho de uma coluna de recheio envolve quatro critérios principais: -capacidade (diâmetro da coluna), -queda de pressão (diâmetro da coluna), -eficiência (cama altura) -contenção de líquido (queda de pressão e de residência, como para as reações químicas). Cada uma destas critérios depende fortemente do tipo e do tamanho do elemento de enchimento selecionado. Assim, o primeiro passo é para escolher o tipo de recheio.
Recheios aleatórios representativos são mostrados na figura abaixo :
Recheios tipo “randômico” Recheios tipo “estruturado”
Propriedades de recheios importantes para absorção / extração são apresentados na tabela a seguir. As três primeiras referências (recheio) são o tipo "meio-fluxo", em que as fases podem fluir livremente através dos elementos com forma reduzida de arraste. Os outros listados são do "em torno do fluxo" tipo, com o aumento da forma de arrastar e soltar, portanto, maior a pressão.
Recheios aleatórios são fabricados a partir de uma ampla variedade de materiais. Originalmente, a maioria foram feitos de cerâmica e eram populares para serviços corrosivos, apesar de sua friabilidade. Hoje em dia, polipropileno é amplamente utilizado para proporcionar uma camada que oferece peso leve, resistência à corrosão por muitos fluidos, e baixo custo. Recheios de plástico são aleatórias, adequadas para compostos orgânicos voláteis (COV) que devem ser retirados a partir de águas subterrâneas (dissolvidos). Normalmente, ocorre o fluxo de líquido e de gás em contracorrente através do leito. Em taxas baixas de gás , há pouca perturbação do líquido descendo, mas em taxas mais elevadas de gás, o líquido é arrastado pelo vapor numa situação de "carga/inundação", e se o fluxo de gás é ainda mais aumentada, o leito de enchimento começa a fluir.
Carga/Inundações são mostrados esquematicamente na figura abaixo. Embora possa ser optimizada para operar uma coluna empacotada na zona de carga, é importante não operar muito próximo a zona de inundação.
Assim, como uma primeira consideração no projeto (ou análise de uma coluna em operação), o ponto de inundação está localizado como uma função das taxas de fluxo de gás e líquido, a geometria do elemento de recheio, e as propriedades das fases.
4.9.5 Capacidade Gás/Líquido Máxima e Queda de Pressão
O ponto de inundação hidráulico, tal como ilustrado na figura anterior, é atingido a uma combinação de taxas em contracorrente de gases e líquidos de modo que a queda de pressão apresenta um aumento relativamente grande com um pequeno aumento na taxa de fluxo de ambas as fases.
Métodos de estimativa da capacidade hidráulica máxima para um recheio fornece uma base para o projeto (abordagem ideal para inundação).
Embora existam vários abordagens para predizer inundação, o mais popular, que também proporciona uma queda de pressão na estimativa da capacidade, mais recentemente publicado pelo Strigle (23) conforme o diagrama na figura a seguir.
Gráfico generalizado para estimar a queda de pressão e capacidade máxima de torres de recheio. (R. F. Strigle de 1994)
A partir da figura 12.53, tanto a capacidade e a queda de pressão limitante pode ser previsto. A abcissa termo é o parâmetro do fluxo [Equação (13.29)], utilizado também para colunas de pratos. O termo ordenada é um parâmetro capacidade CP, modificado a partir do parâmetro de capacidade de colunas de pratos :
Us = velocidade superficial do gás, m/s ν = viscosidade cinemática, cs Fp = fator de empacotamento (característica do tipo e tamanho do recheio, tabela de características de recheio).
Para inundações, uma estimativa pode ser feita a partir da figura anterior, embora os fabricantes muitas vezes preferem omitir a linha de inundação do gráfico. Produção máxima é assumida na curva superior (125 mm H2O / m), embora ligeiramente mais capacidade estará disponível. A suposição de que a inundação ocorre a um valor constante de queda de pressão não é necessariamente correta, uma vez que os recheios mais abertos geram quedas de pressão mais baixas. Além disso, a inundação ocorre em quedas de pressão mais baixas no âmbito de altas cargas líquidas e altas densidades de gás para um determinado recheio.
Previsão de queda de pressão é tratada pela figura anterior para todos os projetos, incluindo os mais críticos.
Também as estimativas de queda de pressão pode ser obtida a partir de gráficos desenvolvido pelos fornecedores de recheios. As figuras a seguir mostram os dados para um recheio especial (duas polegadas de Anéis Pall de plástico), incluindo a contenção líquida e um coeficiente de transferência de massa :
4.9.6 Distribuição de Líquidos e Redistribuição
Boa distribuição de líquido inicial do leito acondicionado é essencial para um bom desempenho. Isto é feito introduzindo o líquido através de um dispositivo distribuidor que fornece uma multiplicidade de pequenos e uniformes córregos para o leito. Um mínimo de 100 fluxos separados por metro quadrado é necessário. Se um recheio é aleatório e sem características de escoamentos preferenciais de passagem, menos fluxos pode ser acomodado, desde o próprio recheio tende a proporcionar uma distribuição uniforme. Uma vez que o líquido tenha sido introduzida para o topo do leito, é possível que a uniformidade do líquido tende a deteriorar-se-por exemplo, para migrar em direcção à parede da coluna. Para leitos maiores que 10 m de altura, pode ser necessário recolher o líquido e redistribuí-lo novamente. Se a redistribuição não é utilizado, então a perda de eficiência de transferência de massa deve ser tomado em conta. Em alguns casos, o projeto ótimo não chama para redistribuição, mesmo para alturas de leito muito maior do que 10 m.
DISTRIBUIÇÃO
REDISTRIBUIÇÃO
4.9.7 Estimativa do Coeficiente de Transferência de Massa da Fase-Gás (Kg) e da Fase Líquida (KL)
Vários métodos têm sido propostos para a previsão de valores de Hg e HL como funções do sistema, condições de fluxo e tipos de recheios. Enquanto o método de enchimento aleatório (Bolles/Fair (27)) tem um ampla validação, a maioria dos dados de suporte são de testes de destilação.Um melhor modelo para absorção é baseada no trabalho de Onda et al.(28), modificado pelo Bravo e Fair (29) e é mostrado abaixo.
Para o coeficiente de transferência de massa de gás, esta equação representa a relação funcional habitual entre os grupos adimensionais (Sherwood, Reynolds, e Schmidt), mais a hipótese de que o elemento de enchimento eficaz diâmetro pode ser expresso como o diâmetro de uma esfera com a mesma área da superfície, isto é, dp = 6/ap. Os valores de área de superfície de recheio ap pode ser obtida a partir da Tabela de características de recheio ou listagens equivalentes.
Para o coeficiente de líquido, Onda et al. partiu de formulações mais usuais para obter :
ae é a área efetiva interfacial.
Para absorção e dessorção, Bravo e Fair (29, 30) encontraram a área efetiva a ser :
As unidades do coeficiente de transferência de massa líquido kL são m/s; do coeficiente de gás kg, kg-moles/(sm2-atm). Note-se que na equação acima, o ae está em função de ap obtido a partir da tabela de características do recheio. O procedimento para a utilização da abordagem de Onda-Bravo é como se segue : 1. Relativamente aos caudais e propriedades, calcular a área efetiva “ae” . 2. Calcule os coeficientes de transferência de massa “kg e kL” . 3. Calcule alturas de unidades de transferência de “HG e HL” , usando coef. de transf. de massa volumétrico “kg.ae e kl.ae”. 4. Calcule “Hog” geral . 5. Multiplique Hog por Nog para obter a altura do leito (recheio) necessário, ou 6. Converter Hog para HETP pela equação dada e multiplicar por estágios teóricos para obter altura de recheio (ou leito) .
A abordagem Onda-Bravo é especialmente confiável para absorvedores e dessorvedores operando com misturas pobres, como é geralmente o caso. Para os casos mais concentrados (gás de entrada> 5 vol-% soluto para absorventes e entrada de líquido> 5% vol-soluto para strippers), o modelo Bolles/Fair(27) é mais adequado.
4.10 Outros Dispositivos Enquanto as colunas de bandeja e colunas de leito de recheios são, invariavelmente, os dispositivos utilizados para dessorção, outros dispositivos são usados ocasionalmente para a absorção. Na maioria das vezes o fornecedor faz o projeto com base nas especificações fornecidas pelo usuário e / ou projetista do processo. Enquanto que o material anterior baseia-se em contacto em contracorrente do gás e do líquido, pode haver alguns casos em que a operação em co-corrente tenha vantagens: 1. Maior capacidade de processamento, uma vez que as inundações não ocorre no sentido usual. 2. Queda de pressão é mais baixa do que em contracorrente. 3. Remoção de partículas sólidas a partir do gás é favorável.
CROSSFLOW SCRUBBER O gás flui horizontalmente, ao entrar em contato pelo líquido descendente. A força motriz eficaz para a transferência de massa é entre o gás em correntes paralelas e o líquido em contra corrente. Purificadores de fluxo cruzado tem baixa pressão e normalmente requerem uma relação de gás/líquido menor do que qualquer contra-purificadores ou correntes paralelas. O tempo de contato entre gás e líquido é relativamente baixo, e as unidades de fluxo cruzado não são recomendados para a maioria das absorções químicos. Procedimentos de projeto seguem uma abordagem de elementos finitos; o volume do lavador é dividido em cubos, cada um dos quais presume-se para atingir o equilíbrio.
VENTURI SCRUBBER Este é um purificador de co-corrente com as vantagens de queda de pressão (venturi efeito) e um elevado grau de turbulência no ponto de contato. A limitação de equilíbrio, tal como indicado na figura 13.20 prevalece. Unidades Venturi têm encontrado aplicações para reações rápidas e para a remoção de partículas. Como mostrado na Figura 13.21, pode ser necessário meios elaborados para a separação do gás e do líquido efluente.
4.11 Dessorção a Vapor (Stripper) Dessorção com vapor é utilizado amplamente e difere da extracção com um gás inerte (por exemplo, ar), em que o gás utilizado podem ser condensados e os líquidos desssorvidos recuperado por decantação ou destilação.
Assim, arrastamento com vapor pode ser usado para a remoção de compostos orgânicos voláteis e difere da remoção do ar em dois importantes aspectos: o vapor é condensável, e a temperatura de operação é alta, o que reduz a solubilidade do soluto (s) no líquido de alimentação. IInvariavelmente, a alimentação é uma solução aquosa, e a pressão de operação pode variar ao longo de uma vasta gama de valores. Um balanço geral de calor mostra que há uma mínima taxa de vapor de água para evitar a condensação completa (e, portanto, não dessorção) na unidade.
Um fluxo típico de uma dessorção a vapor é mostrado na figura a seguir.O vapor pode ser direto (vapor vivo) ou gerado num reboiler como mostrado.
Remoção de vapor é freqüentemente realizada em colunas de pratos, já que, no passado, alguns estudos de transferência de massa em colunas de enchimento ter sido feito.
Um estudo detalhado de dessorção do tolueno de água em um 1.2-m e diâmetro em pratos perfurados foi relatado por Kunesh. Também, Rush e Stirba34 relataram dessorção de metilisobutilcetona (MIBK) a partir de água em uma coluna de pratos perfurados de 0,46 m.Os resultados representativos destes estudos são mostrados na figura a seguir.
As eficiências tendem a ser baixa, e a resistência na fase líquida domina.
Eficiência global de dessorção a vapor usando pratos perfurados Diagrama típico para dessorção a vapor
EXEMPLO-1A acetona é para ser absorvida do ar úmido em água pura em uma coluna de pratos. O ar carregado entra a 31 ° C, e o solvente, água pura, entra a 25 ° C. A pressão é atmosférica. O ar contém 2,0% molar acetona e é 70% saturado com vapor de água (4 vol-% de água). A concentração da acetona no ar é reduzida para 0,05% molar (Eai = 0,975). A taxa de solvente é escolhida de tal modo que a linha de operação tem uma inclinação de 3,49 em uma base de fração molar. Quantos estágios são necessárias?
Com base no equilíbrio global de calor, como a temperatura do ar de saída se aproxima de perto da temperatura da água de entrada , o aumento de temperatura adiabático do líquido é de 6 ° C, dando uma temperatura do líquido de saída de 31 ° C. Valores isotérmicos K (= y / x) são 2,09 a 25 ° C e 2,79 a 31 ° C. A água na saída contém 0,58% molar acetona. Figura do ítem 8.2 mostra um diagrama yx com as linhas de equilíbrio isotérmicas a 25 e 31 ° C. Também é mostrado o local aproximado curva de equilíbrio real, tendo em conta os efeitos de calor na coluna. Para a linha de equilíbrio linear, as fases são determinados pelo “contato” graficamente. Para a linha curva (aproximado real), os estágios são como mostrado na figura a seguir:
1 Para a linha reta de equilíbrio a 25 ° C : Estágios = 5,6 2 Para a linha reta de equilíbrio a 31 ° C : Estágios = 9,8 3 Para a curva real de equilíbrio : Estágios = 7,1
Claramente, a linha de equilíbrio em função da temperatura de saída (31 ° C) requer excessivo número de estágios, mas negligenciando os efeitos de calor é muito otimista. O projeto de 7,1 estágios poderia ser utilizado.
4.12 – Exemplos de Dimensionamento
Xb = 0,0058
Ybespecificado ( L ) = Yb = 3,49
V Xb
Xb = (0,02-0,0005)/3,49 = 0,0058
Yacondição do ar
de entrada
Ybespecificado
Yacondição do ar
de entrada
Xbmáx. = 0,00705
Avaliação de (L/V)atual em relação ao (L/V)mín.
K=2,09 (25 ºC)
K=2,79 (31 ºC)
Linha de Operação (L/V)mín.
(L/V)mín. = (0,02-0,0005)/0,00705(L/V)mín. = 2,77
(L/V)real é 26% maior que o mínimo.
No. de estágios não é infinito para acondição de (L/V)mín. quandoocorre efeitos térmicos ?????
Novacurva equilíbrio
(L/V)mín. = 2,77
Portanto, 7.1 estágios reais são necessários para retirar uma certa quantidade de acetona do ar. Quais são o diâmetro da coluna, a queda de pressão, e o número real de fases, se a taxa de fluxo de ar é 35.300 pé³/min real (1000 m3/min real)? Um espaçamento de pratos de 620 mm vai ser usado entre pratos. Altura do dique = 50 mm. Dados: Densidade do líquido = 1000 kg/m3; densidade do gás = 1,15 kg/m3; viscosidade do líquido = 1,0 cp; superfície; tensão = 70 mN / m.
Usar condições do fundo, uma vez que nessa zona os fluxos tanto líquidos e gasosos são maiores.A temperatura é tomada como uma média do gás que entra e o líquido de saída = 33 ° C.A linha de operação tem uma inclinação de 3,49 em unidades molares, ou 3,49 (18/29) = 2,17, em unidades de massa.O parâmetro do fluxo PF = 2,17 [1.15/1000]^0.5 = 0,074 Diâmetro : A partir da figura ítem 8.5.1, CSBF = 0,13 m / s. Em 85% de inundação, Csb = 0,85 (0,13) = 0,11 m / s. Use downcomer area = 10% da seção de choque total para que AT/AN = 1,11.
A partir da Equação ítem 8.5.1,
A partir da Equação ítem 8.5.1, Diâmetro = [1000 / (60 × 0,785 × 3,75)] 0,5 = 2,38 m = 7,80 pé
Eficiência : Para a Figura 13.16, o grupo de abcissas na parte inferior da coluna é : (K.μL) / ρLM , ou (2,8 x 1,0) / (62.4/18) = 0,81, para o qual Eoc = 40%. Assim, 7.1/0.40 = 17,8 dizer 18 pratos reais (Como projeto vou considerar 20 estágios ou pratos reais)
Altura da coluna : H = 21 espaços x 0,650 m = 13,65 m H = 14 m 12,35 m entre os pratos, 0,65 m no espaço-topo e 1,00 no espaço-fundo.
Queda de pressão : Para uma área aberta (AH/AA) = 0,14 e 10% de tubos de descida, a área ativa é 0,785 . (2,38) . 2 . (0,80) = 3,56 m2 e Área do furo = 0.498 m2. A partir da Equação do ítem 8.5.2 e para uma bandeja,
A queda de pressão do líquido em 85% do ponto de inundação, a partir da figura do ítem 8.5.2, Altura Espuma = Zf = 0,75 (610 - 50) + 50 = 470 milímetros Aos 20% de líquido em espuma, cabeça líquido = 0,2 (470) = 94 mm.
Queda / bandeja Total = 102,2 + 94 = 196 milímetros líquido.
Para 20 placas, 3.528 milímetros = 70,56 m = 5,0 lb/in2.
