Absorvedor de gás

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 CO_2. 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.

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.

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).

(1)

Na equação 1, G_s é a taxa de fluxo molar de gás por área transversal da coluna, p_Ag é a pressão parcial de CO₂, p^*_A é a pressão em equilíbrio com p_Ag, a é a área/volume interfacial ou "área efetiva" (uma função de embalagem de coluna), z é a altura da embalagem, e K_G 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 CO_2. Os coeficientes serão então comparados aos valores teóricos.

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 CO_2. 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.

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.

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

Os valores teóricos K_G 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 K_G em uma variedade de taxas de fluxo líquido foram plotados em relação aos valores teóricos e mostraram tendências semelhantes, verificando a dependência de K_G na taxa de fluxo líquido. Os valores teóricos apresentaram alguma variação dos valores experimentais, atribuíveis a pequenos erros experimentais.

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

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.

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.