Aula 04 - Absorção e Dessorção

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29/04/2015
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A disciplina OPERAÇÕES UNITÁRIAS classifica e estuda,
separadamente, os principais processos físico-químicos
utilizados na indústria química.
Quase todas as operações unitárias envolvem o transporte de
calor, de massa ou de momento. Este transporte pode ocorrer
no interior de uma fase ou entre duas fases.
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
Absorção e Dessorção
Operações unitárias - Absorção2
 Absorção gasosa - usada quando se deseja remover de
uma mistura gasosa um ou mais componentes, através do
contato direto com um líquido ou uma solução líquida que
tem afinidade por estes componentes e não tem com os
demais.
 Ex.: Retirada e NH3 do ar usando água.
 Ex.: Produção de ácido clorídrico pela absorção de
cloreto de hidrogênio gasoso em água.
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção3
 Nesta operação, uma corrente gasosa (p.ex., ar
contendo um vapor condensável como a acetona) é
alimentada continuamente pela parte inferior de um
equipamento absorvedor tipo torre, também conhecido
como crubber, e escoa em contracorrente com um
líquido solvente (p.ex., água) que é admitido pelo topo
da torre. O ar efluirá da torre com um teor menor de
acetona e no fundo da torre sairá uma solução aquosa
de acetona.
ABSORÇÃO
Absorção – separação gás-líquido
Condições de equilíbrio entre o líquido e o gás
•LEI DE HENRY
•LEI DE RAOULT : p* = x Pv
p*= pressão parcial do gás no equilíbrio,
H = constante de solubilidade de Henry,
X = concentração de equilíbrio do gás no líquido,
y= fração molar do gás em equilíbrio com o líquido,
Pv= pressão de vapor do componente puro.
Operações unitárias - Absorção4
ABSORÇÃO
Lei de Raoult - a pressão parcial de cada 
componente é proporcional à pressão sobre 
o líquido puro, vezes a fração molar do 
componente na mistura líquida.
Operações unitárias - Absorção5
 Absorção gasosa - operação unitária
difusional em que um ou vários
componentes da mistura gasosa de
alimentação se dissolve no líquido.
Os fluxos das correntes de gás e líquido
normalmente ocorrem em contracorrente e os
dispositivos garantem superfície de contato e
turbulência necessária para que ocorra
transferência de massa.
ABSORÇÃO ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção6
 A operação inversa chama-se Desabsorção ou Dessorção
(“Desorption” ou “Stripping”), na qual um componente
dissolvido num líquido passa para a fase gasosa. Utilizada
quando se deseja transferir compostos voláteis contidos
numa mistura líquida para a fase gasosa.
 Os princípios físicos associados tanto à Absorção como à
Dessorção são os mesmos, embora a transferência de
massa ocorra em direções opostas.
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ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção7
Casos mais simples de absorção gasosa - solvente não
se vaporiza, e o gás contém apenas um constituinte
solúvel.
Quando a absorção gasosa envolve apenas a dissolução
do gás no solvente, ela é de natureza física. Entretanto,
em alguns casos o componente gasoso reage
quimicamente com o solvente, ocorrendo absorção
química.
Operações unitárias - Absorção8
MECANISMO DE ABSORÇÃO
A razão pela qual o soluto sai do gás e passa para a fase
liquida  existência de uma diferença (força motriz) entre
a concentração do soluto na fase gasosa e a no gás em
equilíbrio com o liquido (interface das duas fases).
Ao contrário da destilação, em que há difusão de moléculas em ambas
as direções (do vapor para o líquido e do líquido para o vapor), sendo,
em casos ideais, verificada uma contradifusão equimolar, na absorção
só há difusão num sentido pois tanto a solubilização do gás de
transporte como também a evaporação do líquido de transporte são
desprezíveis, sendo um processo de difusão unimolar.
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção9
MECANISMO DE ABSORÇÃO
A Teoria dos dois filmes de Whitman pressupõe que a
resistência à transferência de massa reside num filme de espessura δ
(de cada lado da interface) onde o fluido se encontra em repouso e
onde a concentração varia linearmente. Para lá desse filme o
movimento convectivo do fluido mantém a concentração constante (y e
x). Na interface supõe-se que se atinge o equilíbrio gás/líquido estando
as composições interfaciais relacionadas por uma equação do tipo
yi=f(xi).
ABSORÇÃO ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção10
Na indústria química se têm muitos exemplos de
operações unitárias onde
- se retira um componente gasoso (geralmente um
composto tóxico, nocivo, corrosivo, reativo no sentido
prejudical), a partir de um grande volume de gases
misturados;
- mas também se conhecem exemplos onde um
componente da mistura gasosa é que tem valor.
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção11
Retirada de CO2:
O "gás de síntese" é ponto de partida de um grande número de
sínteses de substâncias químicas de plataforma. É hoje a mais
importante rota dentro das "sínteses de C1", isto é, transformação do
reagente CO, fonte de exatamente um carbono. Sua composição
depende largamente dos seus precursores (petróleo; carvão
mineral) e condições de reação (pirólise, altas temperaturas,
deficiência em oxigênio). Dentro desta mistura complexa pode ser
ajustado o teor em hidrogênio, conforme:
CO + H2O  CO2 + H2.
Isso gera o coproduto da combustão, o gás carbônico. Este é sem
valor e sua presença prejudica as demais etapas de síntese,
principalmente devido ao seu efeito de diluição. Portanto, a mistura
é lavada com metanol, a temperaturas baixas, onde se dissolve
seletivamente o CO2.
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção12
Os processos de Absorção e Desabsorção
 Produção, separação e purificação de misturas gasosas e concentração
de gases.
 Remoção de H2S do gás natural por absorção no solvente mono-di-
etanol-amina (MDEA).
 Desidratação de gás natural pelo solvente tri-etileno glicol.
 Recuperação de óxido de etileno usando água.
 Produção de ácidos (sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de
amoníaco, de amônia, de formaldeído, de carbonato de sódio.
 Tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias do
petróleo.
 Remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável (como o gás
H2S).
 Purificação de gases industriais.
 na separação de hidrocarbonetos gasosos.
a)
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Lavagem de gases em colunas de corpos de recheio
A técnica mais utilizada para levar gases a um nível de pureza elevado é
a absorção.
Os equipamentos mais utilizados para esta finalidade são:
• Colunas com corpos de recheio , usadas para quantidades menores
de gases;
• Colunas com pratos (do inglês: Stripper), usadas para quantidades 
maiores;
• Colunas com atomização/nebulização.
Na operação de destilação a coluna com pratos reais é apresentada 
como sendo o equipamento principal, na absorção e dessorção a coluna 
de recheio é mais empregada. Na destilação em cada prato há 
equilíbrio e troca livre entre as fases, gasosa e líquida - um modelo que 
rigorosamente não é válido para colunas com corpos de recheio.
Operações unitárias - Absorção13
Absorção
Operações unitárias - Absorção14
Como solventes são usados:
 Líquidos puros (por exemplo, água, metanol)
 Misturas de líquidos (óleos de lavagem)
 Soluções de sais inorgânicos ou orgânicos.
As lavagens de gases operam em modo contínuo.
A torre de absorção trabalha a baixa temperatura e
pressão elevada.
Enquanto na torre de dessorção se aplicam alta
temperatura e pressão reduzida.
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção15
A absorção é realizada em equipamentos a vários
estágios (bandejas ou pratos) ou em equipamentos a
contato contínuo (recheio). O equipamento e as condições
de operação devem ser determinados com base em vários
fatores, como:
 Solvente Estimativa das condições de operação
 Seleção e equipamento
 Diâmetro e altura da torre
 Perda de carga
 Mecanismo de transferência de massa
Absorção
Operações unitárias - Absorção16
Princípio da lavagem de gases por absorção - Solvente
Reação química - a finalidade da absorção é a produção de uma
solução específica, como na produção do HCl, o solvente já
está especificado pela própria natureza do produto.
Absorção física - a finalidade é remover algum componente da
fase gasosa, o solvente pode ser escolhido de acordo com os
seguintes itens:
1. Solubilidade do gás  a solubilidade do soluto no solvente
deve ser a mais alta possível a fim de aumentar a taxa de
absorção e diminuir a quantidade de solvente necessária. Na
absorção química, na qual a solubilidade do gás é alta, a reação
deve ser reversível para que se possa recuperar o solvente.
Absorção
Operações unitárias - Absorção
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Princípio da lavagem de gases, por absorção - Solvente
2. Volatilidade  o solvente deve apresentar baixa pressão de
vapor para que possa ser facilmente separado do gás
absorvido. Caso contrário, poderá ser necessário, um
equipamento adicional para recuperar o solvente volatilizado
do gás tratado.
3. Viscosidade  baixas viscosidades propiciam escoamento
mais turbulento, conduzindo a maiores taxas de absorção,
maior flexibilidade do equipamento, menores quedas de
pressão no equipamento e tubulações e maior eficiência.
4. Não deve ser caro, corrosivo, tóxico ou inflamável, e deve
ser quimicamente estável.
Absorção
Operações unitárias - Absorção
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Princípio da lavagem de gases, por absorção.
5. Na coluna de absorção deve mostrar alto poder de
solvatação e alta seletividade para o componente i; tudo isso
à baixa temperatura. A constante Hi deve ser grande.
6. Na coluna de dessorção deve ser de fácil recuperação, a
uma temperatura elevada, isso inclui estabilidade química,
inércia, baixa corrosividade. A constante Hi deve ser
pequena.
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ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção19
Coluna com enchimento e coluna de pratos perfurados
Torre com 
enchimento
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção20
Absorção
Tipos de enchimento para coluna de recheio ou coluna absorvedora. 
Material cerâmico
Metal
Material Plástico
Torre de recheio
ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção22
Em colunas com recheios os vapores que sobem e os líquidos
em refluxo estão em contato intenso e perpétuo. A área onde
pode ocorrer troca de calor e matéria é muito maior do que
em colunas com pratos reais. Para garantir um filme fino de
grande área os corpos de recheio têm geometrias típicas que
impede um empacotamento denso.
Vantagens: a grande superfície e um grande espaço livre para
o vapor.
Desvantagem: ocorrência de canais de baixa resistência onde
o vapor sobe com alta velocidade, enquanto em zonas de
empacotamento passa muito pouco ou nenhum vapor, mas
somente reflui o líquido.
Torre de recheio ABSORÇÃO
Operações unitárias - Absorção23
Para sua caracterização usa-se a altura de empacotamento
que tem o mesmo efeito do que um prato teórico (equilíbrio
total), chamado de HETP = Hight Equivalente to a Theoretical
Plate.
h = HEPT × N , 
com h = altura da coluna toda, N = número teórico de pratos.
O número teórico de pratos se determina, usualmente, no
gráfico de McCabe-Thiele por um zig zag entre as curvas .
Note que o valor HETP é um valor médio, ao longo da coluna
toda. Dependendo do tipo e tamanho do recheio o HETP é de 2
a 15 cm.
Absorção
Operações unitárias - Absorção24 Tipos de enchimento para coluna de recheio ou coluna absorvedora. 
Material cerâmico
Metal
Material Plástico
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Absorção
Operações unitárias - Absorção25
Perfis de concentração em colunas de absorção com enchimento e 
respectivas driving-forces (d.f.): processos em cocorrente e em 
contracorrente.
. 
Balanço de massa global no sistema
(1)
Balanço de massa parcial para o soluto
(2)
Onde:
G= fluxo de gás,
L= fluxo de líquido,
y= composição (fração) do soluto no gás,
x= composição (fração) do soluto no líquido.
Operações unitárias - Absorção26
Absorção
Absorção
Operações unitárias - Absorção27
Balanço material total
L2 + G1 = L1 + G2
Balanço material parcial - soluto A
L2 xA2 + G1 yA1 = L1 xA1 + G2 yA2
yA1 = (L1 / G1) xA1 + (G2 yA2 - L2 xA2) / G1
. 
Considerando a Base Livre para 
Soluto
(3)
(4)
GS= fluxo de gás livre de soluto
LS= fluxo de líquido livre de soluto.
YA = mol do soluto A no gás / mol de gás inerte (Gs)
XA = mol do soluto A no solvente (líquido)/ mol de solvente(Ls)
XA = xA / (1 - xA) xA = XA / (1 + XA)
YA = yA / (1 - yA) yA = YA / (1 + YA)
Operações unitárias - Absorção
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Absorção
Absorção
Operações unitárias - Absorção29
Como o gás inerte (GS) e o líquido inerte (LS) possuem fluxo
molar constante ao longo da torre, torna-se conveniente
expressar o balanço material com base nestas correntes.
Utilizando-se ainda o conceito de razão molar:
GS = G / (1 + Y)
LS = L / (1 + X)
xA = XA / (1 + XA)
yA = YA / (1 + YA)
Chega-se, pelo balanço de massa, em:
YA1 = (LS/GS) XA1 + (GS YA2 - LS XA2)/GS
Absorção
Operações unitárias - Absorção30
YA1 = (LS/GS) XA1 + (GS YA2 - LS XA2)/GS
Equação da reta de operação
Coeficiente angular = (LS/GS)
Passa pelos pontos: (XA2, YA2) e (XA1, YA1).
Esta reta relaciona as concentrações de gás e de líquido em
qualquer ponto da torre.
Os dados de equilíbrio de solubilidade do gás no solvente podem ser
lançados em termos das mesmas unidades de concentração, e cada
ponto desta curva representa a concentração local. Para uma torre
absorvedora, a reta de operação fica sempre acima da curva de
equilíbrio.
Y1 = (LS/GS) X1 + (GS Y2 - LS X2)/GS
Equação da reta 
de operação
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Absorção
Operações unitárias - Absorção31
Y1 = (LS/GS)X1 + Y2 - LS X2/GS
Absorção
Operações unitárias - Absorção32
A determinação do número de estágios de equilíbrio na absorção é
feita de forma semelhante à da destilação, utilizando-se a curva de
equilíbrio e a reta de operação (método McCabe).
Absorção
Operações unitárias - Absorção33
O estágio teórico ou ideal  aquele em que o tempo de contato
entre as fases, supondo mistura perfeita, seja suficiente para que
as correntes de saída do estágio estejam em equilíbrio.
Ou seja o número de estágios teóricos, é portanto a quantidade
de estágios requerida para efetuar o serviço proposto,
considerada a composição do soluto na alimentação e a
desejada na saída.
Representação gráfica da equação de 
operação e do número de pratos
Operações unitárias - Absorção34
Determinação da Quantidade Mínima de 
Solvente
Operações unitárias - Absorção35
Desssorção ( stripping)
Operações unitárias - Absorção36
Balanço material total
L2 + G1 = L1 + G2
Balanço material parcial - soluto A
L2 xA2 + G1 yA1 = L1 xA1 + G2 yA2
yA1 = (L1 / G1) xA1 + (G2 yA2 - L2 xA2) / G1
. 
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Método de McCabe-Thiele
para a construção de andares 
em equilíbrio numa coluna de 
pratos para absorção e para 
desabsorção.
Absorção e desabsorção
Na absorção, a composição da fase líquida é menor que a composição de equilibrio
(para um dado Y) – a linha operatória fica acima da curva de equilíbrio; na
desabsorção ocorre o inverso; no caso da absorção, o caudal mínimo de líquido
(declive mínimo da reta operatória) corresponde a ter X1máx (equilíbrio com Y1)
enquanto na desabsorção o caudal mínimo de gás (declive máximo da reta
operatória) corresponde a ter Y2máx (equilíbrio com X2).
Operações unitárias - Absorção38
Operações unitárias - Absorção39
Absorção e desabsorção