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Chemical Engineering

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Overview

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley, Departamento de Engenharia Química, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Absorventes de gás são usados para remover contaminantes de correntes de gás. Múltiplos projetos são usados para atingir este objetivo1. Uma coluna de cama embalada usa fluxos de gás e líquidos que se enfrentam em uma coluna repleta de materiais de embalagem soltos, como cerâmicas, metais e plásticos, ou embalagem estruturada1. A cama embalada utiliza área de superfície criada pela embalagem para criar uma quantidade máxima de contato eficiente entre as duas fases1. Os sistemas são de baixa manutenção e podem lidar com materiais corrosivos com altas taxas de transferência de massa1. As colunas de pulverização são outro tipo de absorvente, que utiliza contato direto constante entre as duas fases, com o gás subindo e o líquido sendo pulverizado para baixo no fluxo de gás1. Este sistema tem apenas um estágio e baixas taxas de transferência de massa, mas é muito eficaz para solutos com alta solubilidade líquida1.

O objetivo deste experimento é determinar como variáveis, incluindo taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de água e concentração de dióxido de carbono afetam o coeficiente global de transferência de massa em um absorvedor de gás. Entender como esses parâmetros afetam a remoção do CO2 permite que a remoção de contaminantes seja otimizada. O experimento usa uma coluna de absorção de gases de contra-fluxo de água embalada aleatoriamente. Foram utilizadas oito corridas com duas taxas de fluxo de gás diferentes, taxas de fluxo líquido e concentrações de CO2. Durante cada corrida, as pressões parciais foram retiradas da parte inferior, média e superior da unidade da coluna, e as pressões parciais de equilíbrio foram calculadas. Essas pressões foram então utilizadas para encontrar o coeficiente de transferência de massa, e os coeficientes de transferência de massa foram comparados aos valores teóricos.

Principles

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Uma unidade de absorção de gases (Figura 1) utiliza contato com um líquido para remover uma substância de uma mistura de gás. A massa é transferida da mistura de gás para o líquido via absorção.

Figure 0
Figura 1: Coluna típica de absorção de gases.

O coeficiente global de transferência de massa é a taxa na qual a concentração de uma espécie se move de um fluido para o outro (Equação 1).

Equation 1 (1)

Na equação 1, Gs é a taxa de fluxo molar de gás por área transversal da coluna, pAg é a pressão parcial de CO2, p*A é a pressão em equilíbrio com pAg, a é a área/volume interfacial ou "área efetiva" (uma função de embalagem de coluna), z é a altura da embalagem, e KG é o coeficiente global de transferência de massa em mols/(pressão x área interfacial x tempo). A transferência em massa depende dos coeficientes de transferência em massa em cada fase e da quantidade de área interfacial disponível no absorvente. A Lei de Henry ou a Lei de Raoult é aplicada para aproximar as pressões parciais. São duas leis que descrevem a pressão parcial de um componente em uma mistura, e são usadas em conjunto para descrever totalmente o comportamento da mistura nos limites da relação vapor-líquido de equilíbrio. O objetivo de uma coluna de absorção de gases é controlar a pressão parcial do efluente do contaminante. Um solvente líquido flui contra-corrente para o fluxo de gás para remover o contaminante através da transferência de massa convectiva. A transferência em massa global de uma coluna embalada de contra-fluxo de água é medida neste estudo para determinar os efeitos do fluxo de água, do fluxo de gás e da concentração de gás CO2. Os coeficientes serão então comparados aos valores teóricos.

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Procedure

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O experimento usa uma coluna de absorção de gases de contra-fluxo de água embalada aleatoriamente. A coluna é embalada com 34 cm de selas de 13 mm com 465 m2/m3 de superfície (eficaz). A pressão que entra no sistema é de cerca de 1,42 bar com uma temperatura de cerca de 26 °C, e as válvulas na entrada e saída da coluna permitem que o gás escape. Um espectrômetro infravermel "Oxy Baby", diretamente conectado à unidade em vários locais, mede a composição do gás e tanques de gás puro são usados para calibração.

1. Operando o Absorvente de Gás

  1. Ligue o interruptor mestre e feche a válvula de ajuste usada para controlar a quantidade de água na coluna
  2. Abra completamente a válvula de fluxo de ar e a válvula de ajuste para pressão da coluna.
  3. Defina a vazão de ar para o nível desejado (use um mínimo de 20 L/min e aumente conforme necessário), e ajuste a pressão da coluna para ~ 1,4 bar e 25°C usando a válvula de ajuste para pressão.
  4. Inicie a taxa de fluxo de dióxido de carbono em ~ 4 L/min.
  5. Ajuste o fluxo de água em ~ 75 L/h, e ajuste o nível da água para manter uma altura constante. Ajuste se necessário durante a corrida para garantir a altura constante.
  6. Prove a pressão parcial de CO2 na base, centro e cabeça da coluna usando as torneiras de pressão e o espectrômetro infravermevermeco.
  7. Realize oito corridas diferentes, utilizando duas taxas de fluxo de gás diferentes, taxas de fluxo líquido e concentrações de CO2. Isso permitirá a determinação das variáveis mais importantes.
  8. Permita que o sistema atinja estado estável quando qualquer taxa de fluxo for alterada. Isso normalmente leva 30- 45 min.

Os absorventes de gás são usados para remover contaminantes de correntes de gás, como o gás floo de um escapamento. Um absorvedor de gás usa uma coluna que frequentemente contém material de embalagem aleatório ou estruturado. Os absorventes de cama embalados utilizam fluxos de gás e líquidos que fluem contra a corrente entre si. O gás contaminante é absorvido pelo fluxo líquido, resultando em redução do contaminante no gás de saída. O processo de absorção depende muito dos parâmetros operacionais, que devem ser estudados para otimizar o processo. Aqui, investigaremos a absorção de dióxido de carbono na água, e examinaremos como os parâmetros operacionais afetam a separação e eficiência do sistema.

Uma unidade de absorção de gases usa contato com um solvente líquido para remover a substância de uma mistura de gás. A massa é transferida da mistura de gás para o solvente, com as duas fases próximas ao equilíbrio. Em seguida, ocorre a separação da fase líquida de gás. O equilíbrio material geral para o absorvedor é mostrado aqui, onde V e L são as taxas de vapor e fluxo líquido, respectivamente, assim o equilíbrio material componente para o componente absorvido A incorpora a fração toupeira de A na fase vapor e líquido. O coeficiente global de transferência de massa é a taxa em que a concentração de uma espécie se move de um fluido para o outro. Aqui, KG é o coeficiente global de transferência de massa, PAG é a pressão parcial do gás sendo absorvido, P star A é a pressão de equilíbrio da Lei de Henry, A é a área efetiva de transferência de massa, Z é a altura da embalagem, e GS é a taxa de fluxo molar de gás por seccional transversal da coluna. A transferência em massa depende dos coeficientes de transferência em massa em cada fase, e da quantidade de área interfasial disponível no absorvente. A Lei de Henry e a Lei de Raoult são aplicadas para calcular as pressões parciais em equilíbrio com as concentrações de fase líquida. No experimento seguinte, um absorvedor de gás de coluna embalado será usado para absorver dióxido de carbono de um fluxo de gás em água. Os fluxos de gás e água entram na coluna de baixo e superior, respectivamente, permitindo o fluxo do contador. A composição de dióxido de carbono na entrada é controlada usando válvulas para dióxido de carbono e ar. Em seguida, a concentração de dióxido de carbono na tomada é medida. Agora que discutimos o básico da absorção de gases, vamos dar uma olhada em como executar o aparelho no laboratório.

O equipamento utilizado nesta demonstração é uma coluna de absorção de gases de contrafluxo embalada. A coluna está embalada com selas de 13 mililitros a uma profundidade de cama de 34 centímetros. As válvulas na entrada e saída da coluna permitem a fuga do gás, enquanto um espectrômetro infravermelho é usado para medir as pressões parciais de CO2 na fase de gás. Para iniciar o experimento, ligue o interruptor mestre e feche a válvula usada para controlar a quantidade de água na coluna. Abra completamente a válvula de fluxo de ar e abra a válvula de ajuste para pressão da coluna. Defina a taxa de fluxo de ar para o nível desejado. Use um mínimo de 30 litros por minuto e, em seguida, aumente conforme desejado. Ajuste a pressão da coluna para cerca de 0,5 barra usando a válvula de ajuste para pressão. Em seguida, defina a taxa de fluxo de dióxido de carbono a partir de cerca de quatro litros por minuto, em seguida, estafina a taxa de fluxo de água, também começando em cerca de quatro litros por minuto. Ajuste o fluxo de água durante todo o experimento para manter um nível constante de água no tanque. Prove e meça a concentração de dióxido de carbono conforme desejado na base, centro e cabeça da coluna usando os medidores de pressão em linha. Repita o experimento realizando oito corridas. Use duas taxas de fluxo de gás diferentes, taxas de fluxo líquido e concentrações de dióxido de carbono, permitindo assim a determinação das variáveis mais importantes do sistema. Certifique-se de permitir que o sistema atinja um estado estável sempre que uma taxa de fluxo for alterada.

Agora que demonstramos como realizar a absorção de gases, vamos dar uma olhada nos resultados. Primeiro, calcule pressões parciais e pressões parciais de equilíbrio para cada corrida e use as pressões parciais para calcular os coeficientes de transferência de massa. Os valores calculados são mostrados aqui como triângulos, enquanto os valores previstos, mostrados como linha sólida, surgem da computação das linhas de operação e equilíbrio. Os intervalos de confiança para os valores do modelo e o coeficiente médio de transferência de massa foram traçados com linhas tracejadas. Não houve desvio entre os valores previstos e reais, mostrando que a coluna está em estado estável com equilíbrio na interface entre as fases líquida e gás. Agora, vamos comparar os coeficientes de transferência em massa sob as mesmas condições operacionais. Os valores teóricos, mostrados como linhas verde e azul, mostraram tendências semelhantes aos dados experimentais. Se a taxa de gás era alta ou baixa, o modelo e o experimento se comportam da mesma forma, mostrando que a taxa de fluxo de gás teve pouco ou nenhum efeito sobre o coeficiente de transferência de massa nas faixas examinadas.

Finalmente, vamos dar uma olhada em algumas aplicações dessa tecnologia na indústria. Os absorventes de cama embalados são os equipamentos mais comuns usados para o controle da poluição do ar. Nestes casos, os absorventes de gás são frequentemente chamados de purificadores. Os purificadores são usados para remover vapores corrosivos, como ácido sulfúrico, ácido nítrico e ácido clorídrico de gases industriais e aberturas de plantas químicas, refinarias de petróleo e plantas de celulose e papel. A operação de remoção do gás absorvido do solvente é chamada de descascamento. Strippers são frequentemente usadas em conjunto com absorvedores, a fim de recuperar o gás absorvido e reciclar o solvente líquido. Isso é especialmente importante quando a água residuais contém componentes de nitrogênio e fósforo. Essa água residuais costumava ser expelida diretamente para os oceanos, porém isso levou ao crescimento excessivo de algas, chamada eutrofização, que por sua vez danificou severamente os ecossistemas naturais. Você acabou de assistir a introdução de Jove à absorção de gás.

Agora você deve entender como um absorvedor de gás remove uma impureza de um fluxo de gás, como executar um absorvente de gás no laboratório e como analisar os dados para entender a separação. Obrigado por assistir!

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Results

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Pressões parciais foram tiradas de cada teste. Os coeficientes de transferência em massa foram calculados a partir destes e comparados aos valores previstos(Figura 2). Os valores previstos decorrem da linha de operação calculada para o absorvente (ver referência 2 para uma discussão aprofundada da linha operacional). As linhas sólidas representam os valores calculados utilizando a linha de operação, enquanto os triângulos representam os valores experimentais do coeficiente de transferência de massa. Os intervalos de confiança para os valores do modelo e o coeficiente médio de transferência de massa foram traçados com linhas tracejadas. Esses valores foram comparados para determinar como os parâmetros experimentais (taxa de fluxo líquido, taxa de fluxo de gás e pressão parcial de CO2) afetaram o coeficiente global de transferência de massa. Nestas condições operacionais, apenas a taxa de fluxo líquido teve um efeito estatisticamente significativo na transferência de massa quando comparada ao intervalo de confiança. Os resultados mostraram que a taxa de fluxo de gás e a composição da alimentação tiveram pouco ou nenhum efeito no coeficiente de transferência de massa.

Figure 1
Figura 2: Modelo dos valores previstos e reais do coeficiente de transferência de massa.

Os valores teóricos KG para alto (30 L/min) e baixo (20 L/min) foram calculados a partir de correlações de coeficiente de transferência de massa e são mostrados como linhas azuis e verdes, respectivamente, na Figura 3. Os valores experimentais de KG em uma variedade de taxas de fluxo líquido foram plotados em relação aos valores teóricos e mostraram tendências semelhantes, verificando a dependência de KG na taxa de fluxo líquido. Os valores teóricos apresentaram alguma variação dos valores experimentais, atribuíveis a pequenos erros experimentais.

Figure 2
Figura 3: Uma representação gráfica do valor experimental em comparação com os valores teóricos.

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Applications and Summary

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O objetivo deste experimento foi usar fatores de taxa de fluxo de gás, taxa de fluxo de água e concentração de dióxido de carbono para determinar o coeficiente global de transferência de massa em um absorvedor de gás. O experimento utilizou uma coluna de absorção de gases de contra-fluxo de água GUNT CE 400. Foram realizadas oito corridas com duas taxas de fluxo de gás diferentes, vazões líquidas e concentrações de CO2. Pressões parciais foram retiradas da parte inferior, média e superior da unidade da coluna, e essas pressões foram então usadas para encontrar o coeficiente de transferência de massa.

Nestas condições operacionais, apenas a taxa de fluxo líquido teve um efeito estatístico significativo na transferência de massa quando comparada ao intervalo de confiança para as condições dadas. O processo é controlado pela transferência de massa de fase líquida. Fatores relacionados ao gás, como concentração de CO2 e taxa de fluxo de gás, terão pouco ou nenhum significado.

A absorção de gás é um importante mecanismo de segurança na produção de cloro3. Durante a operação normal, os absorventes de gás tratam quaisquer vazamentos consistentemente ocorridos. O início de uma operação de cloro deve ser tratado até produzir um produto sem gás. No caso de uma quebra no processo, os absorventes devem ser usados para tratar o gás que foi produzido. Além disso, quando novos vazamentos se formam, a principal unidade de resposta de emergência é os absorventes de gás em espera. As unidades de tratamento são de vital importância nessas condições de funcionamento, pois ajudam a criar um ambiente seguro ao lidar com um produto perigoso3.

Ao refinar gás natural, as torres de absorção são usadas para remover líquidos de gás natural da fase4do gás . Um óleo absorvente com afinidade com líquidos de gás natural remove o líquido da fase do gás, purificando o produto. O óleo com líquidos de gás natural é então purificado para recuperar os líquidos, como butano, pentanos e outras moléculas. O óleo pode então ser usado novamente para tratamento.

A absorção também é usada para remover as principais impurezas CO2 e H2S do gás natural de poço, convertendo-o em gás de gasoduto. O processo usa aminas aquosas ou glicols como solventes a baixas temperaturas (tipicamente <40 °C)5.

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References

  1. Absorbers - Separations: Chemical - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  2. Welty, James R., Rorrer, Gregory L., and David G. Foster. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. 6th ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2015
  3. Chloric Gas Absorption." GEA engineering for a better world. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  4. NaturalGas.org." NaturalGasorg. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  5. Fundamentals of Natural Gas Processing, A.J. Kidnay and W.R. Parrish, Taylor and Francis, Boca Raton, 2006.

Transcript

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