Colunas de Absorção e Desabsorção

Introdução A absorção de gases é uma operação unitária muito usada em indústrias químicas, sendo normalmente utilizados dois tipos de equipamentos: colunas de recheio e colunas de pratos, semelhantes às de destilação.

Figura 1. Coluna de absorção. Fonte: GEA.

Considerações Gerais Absorção e Desabsorção de Gases São duas operações que envolvem a transferência de componentes gasosos entre uma fase líquida e uma fase gasosa. Estas operações são empregadas na indústria química, do petróleo, petroquímica, alimentícia e em equipamentos de controle de poluição.

Considerações Gerais Absorção e Desabsorção de Gases A absorção é a retirada de um ou mais componentes presentes em uma mistura de gases por meio do contato direto com um líquido. A desabsorção é a operação inversa e tem a finalidade de retirar os componentes mais voláteis de uma mistura líquida por meio de um gás.

Funcionamento O líquido é alimentado no topo da coluna e distribuído, por meio de um distribuidor de líquido, através da torre. O gás que entra na parte inferior flui para cima em contracorrente com o líquido, que absorve as partes solúveis a partir do gás. O gás, que não foi absorvido, é expelido pela parte superior da coluna. Para separar as gotas líquidas arrastadas pelo gás, um eliminador de névoa é utilizado.

Características Casco cilíndrico vertical, fechado nas extremidades superior e inferior por dois tampos. Composta de diversos acessórios chamados de “internos”. Os “internos” mais importantes são os recheios e os pratos, que promovem da maneira mais eficiente possível o contato entre o líquido e o gás. Este trabalho tem como foco as colunas recheadas.

Características O componente transferido de uma fase para outra é designado por soluto. A corrente gasosa é composta pelo gás soluto e o gás de transporte (ou inerte), e a corrente líquida pelo solvente e o soluto. Em escala industrial, podem chegar a 5m de diâmetro e 30m de altura. Operam desde forte vácuo a altas pressões. As diferenças entre as operações da coluna de absorção e de desabsorção são pequenas.

A Coluna de Absorção Figura 2. Esquema de uma coluna de absorção com recheio: o gás limpo sai pela parte superior da torre, enquanto o líquido enriquecido sai pela parte inferior.

A Coluna de Absorção

Absorção Física O componente a ser absorvido é mais solúvel no líquido absorvente do que os outros gases com o qual é misturado. Não há reação química com o material absorvente. O equilíbrio de concentrações do absorvato na fase líquida é primariamente uma função da pressão parcial na fase gasosa.

Absorção Química A reação de um soluto absorvido com um reagente na fase líquida, segundo Treybal (1980) tem como principais consequências: A formação de um novo composto que reduz a pressão parcial do soluto, tendo como consequência o aumento da força motriz entre as fases e o aumento da taxa de absorção; Aumento dos coeficientes de transferência de massa da fase líquida que contribui para o aumento das taxas de absorção.

Absorção Química Nos casos onde a reação é rápida o suficiente, este aumento da taxa de absorção aumenta o coeficiente global de transferência de massa e, consequentemente, reduz as dimensões requeridas para a coluna. A reação química pode aumentar significativamente a solubilidade do gás, reduzindo a quantidade de solvente requerida para uma dada remoção especificada.

Absorção Química Quando o solvente é reativo preferencialmente com um gás em particular, na mistura, este pode ser utilizado para a remoção seletiva. Exemplo: a remoção seletiva de H2S. Figura 3. Unidade de Remoção de Gases Ácidos, H2S ou CO2.

Sistemas Absorção-Desabsorção O líquido rico em soluto que deixa a coluna de absorção, é enviado para a coluna de desabsorção para que o solvente seja regenerado. O solvente então é enviado por recirculação de volta para a coluna de absorção.

Sistemas Absorção-Desabsorção Figura 4. Absorção de gás usando solvente regenerado por desabsorção. Coluna de Absorção à esquerda e coluna de desabsorção à direita. Fonte: PERRY, 2008.

Seleção do Solvente Um dos pontos críticos para obter-se uma eficiente separação é a escolha do solvente (no caso da absorção) ou do gás de transporte (no caso da desabsorção) a usar.

Seleção do Solvente Características desejáveis: Alta solubilidade; Baixa volatilidade; Estável quimicamente; Não corrosivo; Baixa viscosidade; Não formador de espuma; Baixo custo e comercialmente disponível; Não tóxico e não inflamável.

Seleção do Solvente Os solventes são classificados como físicos e químicos. Solvente químico: forma complexos ou compostos químicos com o soluto Solvente físico: forma apenas fracas interações com o soluto. Água frequentemente é usada para solutos polares e ácidos (HCl), óleos são usados para hidrocarbonetos leves e solventes químicos especiais para gases ácidos como CO2, SO2 e H2S.

Seleção do Solvente Tabela 1. Características e diferenças entre solventes físicos e químicos: Fonte: PERRY, 2008. Característica Solvente Físico Solvente Químico Variação de solubilidade com a pressão Praticamente linear Bastante não linear Solubilidade em baixas pressões Baixa Alta Solubilidade em altas pressões Continua a aumentar Estabiliza Calor de solução (relacionado à variação de solubilidade com a temperatura em uma dada pressão) Relativamente baixo e aproximadamente constante com o aumento da carga de soluto Relativamente alto e diminui ligeiramente com o aumento da carga de soluto

Internos de Colunas Seção de topo: Distribuidor de líquido Eliminador de névoa. Bocal de saída de gás. Entrada de líquido. Seção intermediária: Recheio. Seção de fundo: Bocal de saída de líquido. Entrada de gás.

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido São utilizados, pois os recheios podem apresentar sérios riscos de formação de caminhos preferenciais devido à não uniformidade do leito e à grande quantidade de espaços vazios junto à parede da torre. Podem ser divididos em dois grandes grupos: gravitacionais e pressurizados.

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido Distribuidores convencionais normalmente utilizados: Distribuidores com chapa perfurada e chaminé. Distribuidores tipo vertedor de chaminé e de calha. Distribuidores com tubos perfurados. Distribuidores com bicos aspersores (spray).

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido Figura 5. Distribuidores de líquido fabricados pela Sulzer. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido Figura 6. Distribuidor de líquido modelo VKG. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido Figura 7. Distribuidor de líquido modelo Splash-plate distributor, VEP. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Distribuidores de Líquido Figura 8. Distribuidores de líquido, modelos VKR E VKRPW. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Coletores de Líquido Figura 9. Coletor de líquido SL. Figura 10. Coletor de líquido SLT. Figura 11. Coletor Chimney tray SK.

Internos de Colunas Sistemas de Entrada de Gás Figura 12. Modelos de entrada de gás. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Sistemas de Entrada de Líquido Figura 13. Modelos de entrada de líquido. Fonte: Sulzer Chemtech.

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa Retêm o líquido arrastado pelo fluxo de gás devido ao contato entre as fases líquida e gasosa, em forma de finas gotas. Garantem que o gás saia do equipamento isento de líquido. São superfícies de contato onde as finas gotas colidem e vão se unindo uma as outras, até terem peso suficiente para “cair”, vencendo a velocidade do gás.

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa Mesh São telas metálicas, plásticas ou de ambos, tecidas com uma geometria especial e dispostas em camadas formando um colchão. Capturam com eficiência de 100% as partículas líquidas a partir de 3 micra, que estão sendo arrastadas nesta corrente gasosa.

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa Figura 14. Eliminador de névoa tipo Mesh. Fonte: Sermat.

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa Vane São conjuntos de lâminas, metálicas ou plásticas, em zigue-zague paralelas. A geometria das lâminas obriga o gás a mudar de direção. Recomendados para arrastes de líquido com viscosidade e densidade elevadas. Eficiência de 100% para partículas líquidas e sólidas de tamanho >10 micra .

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa Figura 15. Eliminador de névoa tipo Vane. Fonte: Sermat.

Internos de Colunas Eliminadores de Névoa

Internos de Colunas Recheio Nas colunas recheadas, a fase líquida escoa na forma de um filme líquido na superfície dos elementos de recheio. Função de sustentar o filme da fase líquida e permitir um adequado contato entre as fases. Os tipos mais utilizados são os recheios randômicos e os estruturados.

Internos de Colunas Recheio São qualidades desejáveis nos recheios: Uma grande área superficial molhada, para apresentar uma boa área interfacial entre as fases; Grande volume de vazios, reduzindo a perda de carga; Resistência à corrosão; Pequena densidade, para reduzir o peso da coluna; ‡ Ser relativamente barato.

Internos de Colunas Recheio Figura 16. Tipos de recheios. Fonte: SERMAT.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Largamente empregados em sistemas com baixas vazões de líquido A baixa perda de carga favorece também sua aplicação em sistemas a vácuo. Figura 17. NeXRing, novo recheio randômico fabricado pela Sulzer. Fonte: Sulzer.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Anel de Raschig- É um cilindro oco, normalmente fabricado em cerâmica ou metal. Apesar do seu baixo custo, apresenta alta perda de carga e pequena área superficial, reduzindo assim, a sua eficiência. Anel de Lessing- é o anel de Raschig dividido diametralmente ao meio por uma parede em seu interior. É fabricado em metal ou cerâmica.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Anel Particionado- quando o anel de Lessing tem mais de uma divisão interior, ele é chamado de anel particionado. É fabricado apenas em cerâmica. Figura 18. Na ordem: Anel de Raschig, Lessing e Particionado. Fonte: CALDAS, 2007.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Selas de Berl- a forma de sela não permite que duas peças se encaixem ou se cubram, evitando que ocorra bloqueamento entre as peças. Asseguram uma maior distribuição de líquido com o mínimo de canalização. Figura 19. Sela de Berl. Fonte: CALDAS,2007.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Sela Intalox e Super Intalox- é considerada uma nova versão da sela de Berl. Podem ser produzidas em material cerâmico ou plástico. Sua flexibilidade não é tão boa quanto o Anel Pall, mas é muito superior a do Anel de Raschig. Figura 20. Sela Intalox. Fonte: CALDAS,2007.

Internos de Colunas Recheios Randômicos Anel Pall Disponível em metal e plástico. Paredes abertas com reforços diametrais no interior. Aumento de resistência estrutural e área superficial adicional de contato entre gás e líquido. É um recheio de alta eficiência, com grande flexibilidade e grande capacidade.

Internos de Colunas Recheios Randômicos

Internos de Colunas Recheios Estruturados São todos aqueles que podem ser colocados na torre de uma forma ordenada ou arrumada. Amplamente utilizados em processos que exigem baixíssima perda de carga e alta eficiência. São os mais empregados em sistemas a vácuo, e em outros sistemas não espumantes e com baixo teor de sólidos.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Feitos sob medida para um determinado diâmetro. Se constituem de chapas, em geral metálicas, corrugadas e dispostas paralelamente umas às outras na coluna. Podem ser divididos em dois grandes grupos: os tradicionais e os de alta eficiência.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Recheios estruturados tradicionais: Primeiros recheios a serem aplicados arrumados no interior das colunas. Podem ser de metal, plástico, cerâmica ou madeira. Devem ser arrumados na coluna de forma organizada, a fim de promoverem um bom desempenho com baixa perda de carga.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Figura 21. Recheios estruturados tradicionais. Fonte: CALDAS, 2007.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Recheios estruturados de alta eficiência: Caracterizados por apresentarem baixíssima perda de carga associada a uma elevada taxa de transferência de massa. Este tipo de recheio já foi bem mais caro em comparação aos outros recheios, porém devido à alta eficiência, o volume de recheio a ser aplicado é menor e o custo final muitas vezes fica inferior ao recheio randômico equivalente.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Standard Metal Sheet Packing Type B1 Modelo fabricado com chapas de metal de alto desempenho. Suas propriedades excepcionais são possíveis devido à disposição geométrica regular das chapas onduladas.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Propriedades do recheio: Grande capacidade de processamento; Alta flexibilidade; Alto desempenho na separação; Baixa queda de pressão; Adaptabilidade para todos os problemas de separação , através de superfícies específicas variáveis.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Figura 22. Recheio MONTZ Standard Metal Sheet Packing Type B1. Fonte: MONTZ.

Internos de Colunas Recheios Estruturados MONTZ-Pak Type C1 Fabricado em plástico com a forma de elementos de enchimento redondos para diâmetros menores e como segmentos para diâmetros maiores. Utilizado para separação de substâncias corrosivas. As camadas de recheio são mantidas juntas e estabilizadas em uma cesta. Apresenta propriedades muito semelhantes ao modelo B1.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Figura 23. Recheio MONTZ-Pak type C1. Fonte: MONTZ.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Rib Mesh Packing Type BSH Alto desempenho em separações envolvendo transferência de massa e calor. Aberturas geométricas com bordas. Molhamento uniforme excepcional de pequenas ou grandes cargas líquidas. Turbulências provocadas pelas bordas reviradas das aberturas criam uma mistura contínua da película líquida sobre a superfície do recheio.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Propriedades do recheio: Larga capacidade e flexibilidade; Boa “molhabilidade”, consequentemente, ótima área de contato entre líquido e gás. Alto desempenho na separação; Baixa queda de pressão.

Internos de Colunas Recheios Estruturados Figura 24. Recheio Rib Mesh Packing Type BSH. Fonte: MONTZ.

Distribuidor de Líquido Saída de Gás Entrada de Líquido Distribuidor de Líquido Recheio Estruturado Distribuidor de Líquido Recheio Randômico Entrada de Gás Coletor Figura 25. Corte de uma coluna com recheios randômicos e estruturados. Fonte: PERRY, 2008.

Produção de Ácido Nítrico Figura 26. Fluxograma da fabricação de ácido nítrico a 60% a partir do amoníaco. Fonte: SHREVE e BRICK JR., 1980.

Produção de Ácido Nítrico O fluxograma anterior representa um procedimento de fabricação do ácido nítrico (HNO3), importante intermediário na produção de fertilizantes utilizados na agricultura. Na coluna de absorção, fabricada em aço inoxidável, realizam-se sucessivas oxidações e hidratações do NO com resfriamento contínuo da água.

Produção de Ácido Nítrico A velocidade da reação reversível 3NO2 + H2O 2HNO3 + NO Pode ser aumentada pelo emprego de uma coluna de absorção sob pressão e com resfriamento, usando-se ácido de diferentes concentrações, em contracorrente, para efetivar a absorção.

Produção de Ácido Nítrico O ar quente é introduzido numa seção curta, recheado por anéis de Raschig, entre a torre e o coletor de ácido. Com isto, provoca-se a reoxidação do NO formado e também dessorve-se (alveja-se) o óxido nitroso dissolvido, que atribui coloração ao ácido. A reoxidação do óxido nítrico é feita por condensação a temperatura de 37,8°C ou menor. A pressão é de 115 psia.

Produção de Ácido Nítrico Algum ácido nítrico sempre é formado antes do estágio de absorção pela ação da água condensada no processo de resfriamento, e este é misturado com o ácido a 60% na parte final das torres de absorção. O ácido que sai das torres é esverdeado, mas estes podem ser removidos por borbulhamento de ar através do líquido.

Produção de Ácido Sulfúrico Figura 27. Fluxograma de uma fábrica de ácido sulfúrico pelo processo de contato, queimando enxofre, a dupla absorção. Fonte: SHREVE e BRINK JR., 1980.

Produção de Ácido Sulfúrico O processo de contato é a passagem de uma mistura de dióxido de enxofre sobre um catalisador, seguida pela absorção do trióxido de enxofre em ácido sulfúrico a 98-99%. Esta absorção é realizada por um sistema de torres de absorção com recheios de cerâmica. Os mais comumente usados são Selas Intalox, de 2 a 3 polegadas e anéis bipartidos de 4, 6 e 8 polegadas.

Produção de Ácido Sulfúrico A operação é realizada em dois estágios, utilizando ácido sulfúrico a 98%, como agente de absorção do trióxido de enxofre contido nos gases. Na torre primária, é conduzida a absorção do trióxido de enxofre contido nos gases efluentes do segundo leito catalítico do conversor. Na torre secundária, ocorre a absorção do trióxido de enxofre presente na massa gasosa emergente do último estágio de conversão.

Produção de Ácido Sulfúrico O SO3 presente nos gases reage com a água de diluição do ácido, formando novas moléculas de ácido, como indicado pela seguinte equação: SO3 + H2O → H2SO4 + Calor O ácido sulfúrico concentrado efluente do fundo da torre de absorção secundária é recolhido em um segundo tanque de acumulação, onde em mistura com ácido diluído tem sua concentração reajustada para 98%.

Produção de Ácido Sulfúrico Do tanque de acumulação, duas bombas transferem o ácido sulfúrico a 98% para o topo de cada uma das torres de absorção. As baixas temperaturas favorecem a absorção. A pressão de vapor do ácido sulfúrico é função direta da temperatura. Quanto menor a temperatura, menor a quantidade de ácido vaporizada no gás. Aumento de eficiência da operação.

Tratamento de Gás Combustível e GLP Figura 28. Fluxograma de processo de absorção de gases ácidos do Gás Combustível e GLP. Fonte: MENDIETA, L.F. 2011.

Tratamento de Gás Combustível e GLP Absorção de CO2 e H2S Os principais solventes utilizados para o tratamento de correntes gasosas contendo CO2 e H2S são as alcanolaminas, pois possuem caráter alcalino permitindo sua reação com gases ácidos. As alcanolaminas são solúveis em água, característica que é bastante favorável tanto em termos econômicos, quanto por questões de eficiência de absorção.

Tratamento de Gás Combustível e GLP Normalmente, soluções aquosas de aminas são usadas para aumentar a taxa de absorção do processo com relação à absorção física. O tratamento das correntes de Gás Combustível e GLP consiste na extração dos contaminantes por uma solução de DEA (dietanolamina) de 20% a 30% em massa em equipamentos submetidos a altas pressões e baixas temperaturas.

Tratamento de Gás Combustível e GLP Por sua vez, a regeneração da solução contendo os contaminantes ocorre em um sistema de baixa pressão e alta temperatura. O processo é dito regenerativo porque o tratamento não envolve o consumo continuo da solução DEA.

Separação de CO2 no Processamento de Gás Natural Figura 29. Fluxograma simplificado para o Processo de Absorção Física por Carbonato de Propileno (CP). Fonte: GADÊLHA, 2013.

Separação de CO2 no Processamento de Gás Natural Absorção com Carbonato de Propileno como solvente. O CP (C4H6O3) é um solvente polar que possui uma elevada afinidade para o CO2 Não-corrosivo, não-tóxico e biodegradável. O fluxograma simplificado é constituído pelas duas principais etapas: a absorção e a regeneração do solvente.

Separação de CO2 no Processamento de Gás Natural Na absorção, o gás é tratado com o CP. Após esta etapa, o solvente rico em CO2 segue para a regeneração, que é feita em um vaso flash. Nota-se que, diferente do processo de captura por aminas, não é necessário calor como força motriz para promover a separação.

Separação de CO2 no Processamento de Gás Natural Tabela 2. Vantagens e desvantagens do processo de absorção física com carbonato de propileno. Vantagens Desvantagens Não necessita de calor para regenerar o solvente; Vazão de circulação do solvente no processo é alta; Alta solubilidade em CO2; Custo elevado do solvente; Dispensa a presença de água; Elevada afinidade para hidrocarbonetos pesados, que são removidos para a corrente de CO2 Simples operação; Obtém-se um gás seco como produto; O grau de modificação que o processo exige para aumento no teor de CO2 na alimentação é baixo. Fonte: Gadêlha, 2013.

Referências CALDAS, J. N.; LACERDA, A. I.; VELOSO, E.; PASCHOAL, L. C. M. Internos de Torres: pratos e recheios. 2 ed. Rio de Janeiro: Interciência: Petrobras, 2007. 509 p. GADÊLHA, T.S. Análise das Tecnologias de Remoção de CO2 do Gás Natural: Uma comparação Técnico-Econômica de Absorção, Membranas e Híbridos. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos, Escola de Química da UFRJ, 2013.

Referências LEITE, A.B.; BERTOLI, S.L.; BARROS, A.A.C. Absorção Química de Dióxido de Nitrogênio (NO2). Dissertação de Mestrado em Engenharia Ambiental, FURB, 2005. LTDA, M.B. CONSULTORES. Processos de Fabricação de Ácido Sulfúrico. Manual. 1999. MENDIETA, L.F. Estudo da Absorção de H2S e CO2 do Gás Combustível. UFRGS, 2011. MONTZ. MONTZ Structured Packings. Disponível em: <http://montz.de/en/produkte/montz-structured-packings>. Acesso em: 17 agosto 2015.

Referências PERRY, R. H., BENSKOW, L. R., BEIMESCH, W. E., et al. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 2008. SERMAT. Internos de Colunas de Processo. Disponível em: < http://www.sermat.com.br/produtos/internos-colunas-de-processos/>. Acesso em: 17 agosto 2015. SHREVE, Randolph Norris; BRINK JR., Joseph A. Indústrias de processos químicos. Rio de Janeiro : Guanabara Koogan, c1977. 717p, il.

Referências SULZER. Column Internals. Internals for Packed Columns. Catálogo 22.51.06.40 - V.13 - 20. Sulzer Chemtech. SULZER. Column Internals. Structured Packings: Energy-efficient, innovative and profitable. Catálogo 22.13.06.40. V.15. Sulzer Chemtech. SULZER. Gas/Liquid Separation Technology. Catálogo 22.84.06.40 - VII.14 - 10. Sulzer Chemtech.