UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

Operações Unitárias na Indústria Química IV

Aluno: André Luiz Dotta

Trabalho sobre Absorção de Gases

Referência: FOUST et al. Princípios das Operações Unitárias. LTC Editora, 1992 - Cap. 16.

O presente texto apresenta as considerações necessárias para o entendimento das operações

unitárias que envolvem a separação de componentes de misturas gasosas ou líquidas, com base na

transferência de massa.

Os equipamentos mais utilizados são colunas recheadas ou de pratos. Estes são comparados

entre si na Tabela 1, abaixo:

Tabela 1: Comparação entre colunas recheadas e de pratos.

Característica Coluna recheada Coluna de estágios (pratos)

Contato entre fases Pode sofrer os efeitos de formação

de canais preferenciais ou de retro-

misturação, que diminuem a efici-

ência do contato entre as fases.

O contato é mais efetivo, devido à

repetida misturação e separação.

Carga líquida Há risco de inundação da coluna,

caso houver carga líquida excessiva.

Operam com maior carga líquida, sem

risco de inundação.

Retenção de líquido Menor retenção. Maior retenção de líquido, nos pratos.

Queda de pressão do

gás

Menor queda de pressão. Maior queda de pressão, devido à

mistura com o líquido

Limpeza Maior dificuldade, devido à maior

quantidade de material dentro da

coluna (recheio).

Maior facilidade.

Material a ser

processado

Pode ser processados materiais cor-

rosivos, pois o recheio pode ser ce-

râmico.

Geralmente são colunas de pratos

metálicos.

Custo Em colunas de pequeno diâmetro, o

custo é menor.

O custo é maior, devido à maior com-

plexidade da construção.

Nas colunas recheadas, algumas características importantes devem ser observadas no recheio

a ser utilizado, entre elas:

- o recheio deve ter uma área superficial grande por unidade de volume, para apresentar uma

área de contato entre as fases potencialmente grande.

- deve ter um grande volume de vazios, para facilitar o escoamento das fases e diminuir a

perda de carga.

- deve ter uma baixa densidade, pois em grandes colunas o peso do recheio pode ser muito

grande, acarretando problemas de sustentação.

- deve ter boas características de molhabilidade.

- deve ser resistente à corrosão, dependendo dos materiais processados.

- deve ser relativamente barato.

A equação de projeto

Um balanço de massa para componente em uma seção infinitesimal da torre resulta

d(Vy) = d(Lx)

Para a fase V em uma contradifusão equimolar, temos

d(Vy) = ky’ (yi – y) dA = Ky’ (y* - y) dA

onde dA é a área interfacial de transferência de massa, que em uma coluna recheada exprime-se con-

venientemente como

dA = a S dz

onde a = área interfacial por unidade de volume e S = área da seção reta da torre. Combinando as

equações temos

d(Vy) = ky’ a (yi – y) S dz = Ky’ a (y* - y) S dz

da qual fazendo-se a integração sobre a variação total de concentração entre os terminais da torre

tem-se

Em operações de transferência envolvendo difusão através de um componente estacionário,

como absorção, extração em fase líquida, adsorção ou troca iônica, algumas considerações importan-

tes podem ser feitas.

Diferentemente do que ocorre na destilação, as vazões de líquido e gás (L e V) não podem ser

consideradas constantes, pois, tomando como exemplo a absorção de gás, as vazões são variáveis em

ambas as fases. Isto ocorre em consequência da transferência de soluto de uma fase para outra.

Para contornar este problema, considera-se constante apenas a quantidade de gás e de líquido

livres de soluto (V’ e L’).

Unidades de Transferência

O significado físico de uma unidade de transferência é descrito como a unidade que provoca

a modificação da composição de uma das fases, de maneira igual à força motriz média responsável

pela modificação. Ou, em outras palavras, uma estimativa da quantidade transportada entre as fases

em relação à força motriz da transferência. Sua ação pode ser comparada à de um estágio de equilí-

brio.

Assim, podemos dizer que o número de unidades de transferência é uma medida da dificulda-

de de separação, ou seja, quando se necessita de uma pureza maior, usam-se mais unidades de trans-

ferência. Já a altura de uma unidade de transferência é uma medida da eficácia da separação efetuada

com aquele recheio. Quando a taxa de transferência de massa for elevada e a área superficial for

grande, a altura da unidade de transferência será pequena.

O número de unidades de transferência pode ser calculado através da integração (gráfica ou

numérica) da expressão adequada, conforme o modo de difusão (contradifusão equimolar ou difusão

através de um componente estacionário.

Já a altura de cada unidade de transferência pode ser estimado de acordo com a expressão u-

sada para o cálculo do número de unidades de transferência. É necessário, porém, o conhecimento da

taxa de transferência de massa, que é expresso pelo coeficiente de transferência de massa. Esses coe-

ficientes não podem ser previstos teoricamente, em colunas recheadas, pois o escoamento apresenta

uma complicada configuração.

Para isso, devem ser obtidos dados experimentais, para cada recheio, e mesmo assim os dados

não serão completamente eficientes, em virtude da grande diferença entre uma torre de laboratório,

de pequena escala, e uma torre industrial, de grande escala.

Estes cálculos geralmente são feitos utilizando-se de correlações empíricas, que podem apre-

sentar erros de até 50%.

Queda de pressão em colunas recheadas

Em uma coluna recheada, o líquido injetado no topo flui para baixo, devido à força gravita-

cional. O gás injetado na base flui para cima, impelido por ventiladores ou sopradores. Dessa manei-

ra, para manter a coluna em funcionamento, deve-se controlar as vazões e manter uma queda de

pressão adequada.

Analisando a figura 16.11, pode-se chegar a algumas observações:

- a uma mesma velocidade do gás, a queda de pressão aumenta à medida que aumenta tam-

bém a vazão de líquido, naturalmente, pois há cada vez mais resistência para a ascendência do gás.

- até um certo ponto (ponto de carga), a queda de pressão é semelhante para vazões de líquido

e para o recheio seco. Isto acontece pois o líquido está apenas começando a preencher os vazios do

recheio.

- acima deste ponto, a queda de pressão tende a aumentar e o gás passa a diminuir sua veloci-

dade até manter uma velocidade constante, pois começa a ocorrer o borbulhamento do gás através da

coluna que encontra-se inundada. Neste ponto, a operação da torre recheada já não é mais prática.