Coluna de Absorção de CO2 com Reação Química

Coluna de Absorção de CO2 com Reação Química

Cássia Aparecida de Souza, Cecília do Anjos, Josianne Karla Silva, Ludmila Sara Moreira Cunha, Mísia Fernandes, Nathália Wiggers Paiva, Thiago Marinho Pedroza

Universidade Federal de São João del-Rei – Campus Alto Paraopeba. Rod. MG 443, Km 7, CEP: 36420-000, Ouro Branco, MG

Resumo

RESUMO – A absorção é uma operação unitária, que proporciona a separação de um ou mais compostos de uma mistura gasosa por dissolução em um líquido. Nesta operação ocorre a transferência de massa de um componente da fase gasosa para a fase liquida por contato em contracorrente ou em leito fixo. No presente experimento utilizou-se para uma coluna de recheio tipo anel Rasching para determinar a concentração de CO2 presente em uma corrente gasosa e determinar o coeficiente de transferência de massa. A corrente constante de 5 litros por minuto de CO2 foi adicionada a uma corrente, também constante, de 15,10 litros por minuto de ar formando uma única corrente que por sua vez foi colocada em contracorrente com uma corrente de água. Foram coletadas 3 amostras base da coluna e analisou-se o pH da amostra e da água pura em um pHmetro e mediu-se a temperatura do ar, água e CO2. A porcentagem de CO2 presente na corrente gasosa foi de 2,95% e o coeficiente da transferência de massa foi de 37,47 mol.hm-3.

Palavras-chave: absorção, separação, coluna de recheio, CO2.

 

Introdução

A absorção é uma operação unitária de separação por transferência de massa baseada no fenômeno da difusão. Na absorção, o objetivo é separar um ou mais componentes de uma fase gasosa por meio de uma fase líquida, onde o soluto é solúvel e as fases são imiscíveis (1). O deslocamento do soluto é conseguido pela força impulsora na absorção, um gradiente que ocorre através da interfase gás-líquido. A absorção consiste em pôr em contato um gás com um líquido para que ao menos um componente da fase gás vá para a fase líquida (2). A absorção pode ser física ou química, dependendo das interações do gás com o absorvente. Se forem interações fracas, atuam forças de Van der Waals, se forem fortes atuam forças iônicas ou covalentes, acontecendo uma reação para formar outro composto ou um complexo químico para ser solúvel no fluido sequestrador (3). O tipo de colunas utilizadas podem ser colunas de pratos (contato descontínuo ou por etapas) ou colunas preenchidas (contato descontínuo) de um material inerte, ou também podem trabalhar vazias. Nos dois casos, utiliza-se a força gravitacional para a fase líquida e o gás em contracorrente (2). Nas colunas, o gás é introduzido pela parte inferior enquanto a fase líquida é introduzida pela parte superior. A fase líquida a introduzir pode ser um solvente puro ou uma solução, a qual se distribui sobre o enchimento inerte por meio de um distribuidor ideal para ficar molhando a superfície do enchimento. A fase gasosa que contém o soluto é introduzida por baixo do enchimento e assim pode ascender através da coluna. A absorção de CO2 costuma ser realizada em uma coluna de contato em fluxo em contracorrente, conforme Figura 1 (1).  

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Figura 1. Coluna de absorção com recheio.

 

A absorção de CO2 em uma coluna enchida com anéis depende do contato entre o gás e o líquido absorvente. Enquanto a concentração de CO2 gasoso na parte inferior é alta, ponto onde é introduzido, na parte superior a concentração é menor por causa do que já foi absorvido durante o contato gás-líquido ocorrido na coluna (1).  As colunas enchidas com anéis Rasching são vastamente adotadas por possuírem baixa perda de pressão, custo baixo do material, alta superfície específica, fácil instalação e manuseio (1). Para essa prática, foi utilizada uma coluna preenchida com anéis de Rasching.  

Experimental

Aparato Experimental

   Para a realização do experimento, utilizou-se a coluna de absorção do Laboratório de Engenharia Química da UFSJ, mostrada na Figura 2.

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Figura 2: Coluna de absorção. (Fonte: LEQ/UFSJ)

Metodologia Experimental

Este experimento é composto por uma coluna de absorção cujo diâmetro interno é igual a 0,085 m e recheio do tipo anel de Rasching de altura de 0,33 m, operada em fluxo contracorrente. O líquido (água) entra pelo topo e percorre a coluna em fluxo descendente. A mistura gasosa (CO2 e ar ambiente) entra pela base da coluna e percorre a coluna em fluxo ascendente. As vazões de água, CO2 e ar podem ser controladas através de rotâmetros acoplados no sistema. A pressão ambiente, medida no momento do experimento através da utilização de um barômetro, foi de 0,882 atm. Também é possível medir as temperaturas de entrada e saída de água e mistura gasosa através de sensores acoplados a indicadores.

Inicialmente, a bomba de ar é acionada e as válvulas de CO2 e água são abertas. Uma amostra de água é coletada no topo coluna e seu pH é analisado no pHmetro. Em seguida, define-se as vazões de ar, CO2 e água e essas fixas. Neste experimento os valores foram 15,10 L.min-1, 5,0 L.min-1 e 1,7 L.min-1, respectivamente. É necessário aguardar um tempo para que a coluna se estabilize e, então, três amostras são coletadas na base da coluna, em intervalos de tempo diferentes, e analisadas no pHmetro.

A partir da relação entre o pH medido e a dissolução do CO2 nas amostras recolhidas no topo e no fundo da coluna, é possível determinar a concentração do CO2 dissolvido na água.

A reação que expressa a dissolução do CO2 é dada por:

Na absorção:

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Após a absorção:

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Pode-se determinar o coeficiente de transferência de massa a partir da Equação 1:

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Onde: V é a vazão molar do inerte; HOG é a altura do recheio de Rasching; A é a área da seção transversal da coluna de absorção.

Pode-se determinar a porcentagem de recuperação do CO2 da corrente gasosa através da Equação 2:

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Onde: YB é a fração molar de CO2 do ar que entra na base da coluna; YT é a fração molar de CO2 no ar que sai no topo da coluna.