X EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE CO 2 EM UM LAVADOR DE GASES: EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES DE LAVAGEM SOBRE A QUANTIDADE DE CO 2 ABSORVIDO

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1 X EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE CO 2 EM UM LAVADOR DE GASES: EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES DE LAVAGEM SOBRE A QUANTIDADE DE CO 2 ABSORVIDO Lena Márcia de Oliveira Campos (1) Mestre em Engenharia Química~Curso de Mestrado em Engenharia Química/DEQ/UFPA - Aréa: Desenvolvimento de Processos. Engenheira de Processos da ALBRAS/Alumínio do Brasil Ana Àurea Barreto Maia Aluna de Graduação do Curso de Engenharia Química/CT/UFPA. Bolsista Iniciação Acadêmica. Departamento de Engenharia Química-CT/Universidade Federal do Pará-UFPA. Lúcia Beckmann de Castro Menezes Profa. Adjunto IV Depto de Engenharia Química-CT/Universidade Federal do Pará-UFPA. Doutora em Geoquímica Ambiental (Centro de Geociências da UFPA). Vice Coordenadora do Curso de Mestrado em Eng. Química Aréa: Desenvolvimento de Processos. Célio Augusto Gomes de Souza Prof. Adjunto IV Depto de Engenharia Química-CT/Universidade Federal do Pará-UFPA. Doutor em Engenharia Química (FEQ/UNICAMP). Membro do Colegiado do Curso de Mestrado em Eng. Química Aréa: Desenvolvimento de Processos. Endereço (1) : Conj. COHAB-Gleba 03-Tv. 04- n o 293. Bairro: Nova Marambaia- PA; CEP: Fone: (91) ; (91) (Albras) - celioag@ufpa.br RESUMO Neste trabalho foi projetado, construído e montado um lavador do tipo torre vazia, que pode ser adaptado para funcionar como lavador centrífugo, lavador direto ou lavador com recheio, onde se fez a aspersão de um líquido absorvente (Na 2 CO 3,, NaOH ou KOH) através do gás CO 2 que escoa em contracorrente permitindo que sejam feitas medições de concentração inicial e final do gás. Com base nesses resultados a eficiência e a viabilidade do lavador são estudadas. Este trabalho teve como objetivos : Projetar e a construir um lavador de gases com dois tipos de entrada para a corrente gasosa, sendo uma entrada direta e outra tangencial, tendo o equipamento a opção de se adaptar para lavador com recheio ou coletor de particulado. Estudar a eficiência do lavador utilizando o gás CO 2, o qual escoaria por uma das entradas inferiores indo em contracorrente com uma solução de lavagem a base de Na 2 CO 3, NaOH e KOH respectivamente. Avaliar a eficiência do equipamento com base nos valores de absorção do gás na entrada e na saída do lavador. Propor ajuste matemático e modelo estatístico do processo em função da eficiência do lavador e concentração das soluções alcalinas. PALAVRAS-CHAVE: Lavador de Gases, soluções Alcalinas, Eficiência do Lavador, absorção de gases. INTRODUÇÃO As crescentes pressões sociais e políticas, com relação à preservação do meio ambiente, têm colocado as indústrias frente à necessidade de planejamento e implantação de equipamentos que tratem das emissões de um determinado processo. A poluição atmosférica tem como principais fontes os processos industriais e a queima de combustíveis fósseis e tem exigido estudo e aperfeiçoamento de novos e antigos equipamentos que fazem a limpeza dos gases antes que os mesmos sejam lançados na atmosfera. Entre os equipamentos estão as câmaras gravitacionais; separadores inerciais ou de impacto; filtros; precipitadores eletrostáticos e separadores úmidos (lavadores). Todos esses equipamentos possuem características próprias, os lavadores, por exemplo, podem ser de várias formas, entre elas existe o lavador ciclone; venturi; de leito com recheio; torres de jato; centrífugo entre outros. O princípio do lavador é a remoção de partículas ou gás por absorção do material que está no interior do líquido aspergido diretamente por contato. O mecanismo de contato deve ser inercial ou sedimentação gravitacional. A remoção de um componente de uma mistura de gases, por absorção num líquido apropriado, se baseia na transferência de massa em interface, controlada em grande parte pelas velocidades de difusão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 DESCRIÇÃO DO SISTEMA EXPERIMENTAL Com o objetivo de estudar a eficiência de um lavador tipo torre de pulverização com entrada direta de gases, foi projetada e executada a instalação descrita sucintamente a seguir e esquematizada na Figura 1. Esta eficiência foi baseada na análise das concentrações do gás na entrada e na saída do lavador. A concentração do gás será alterada por absorção de uma solução de lavagem, a qual foi analisada em um aparelho de Orsat. CO 2 + AR Figura 1 Lavador Direto de Gases, onde: 1- Soprador; 2- Cilindro de Gás; 3- Válvula; Reguladora de Vazão e Pressão; 4- Região de Mistura; 5- Corpo do Lavador; 6- Pontos de Retirada de Amostras; 7- Reservatório de Líquido Absorvente; 8- Bomba de Recirculação; 9- Sistema de Aspersão; 10- Manômetro; 11- Dreno; 12 Entrada Direta; 13 Entrada Tangencial de Gás; 14- Janela de Visualização; 15- Válvulas tipo retenção e rosca. As dimensões na construção do lavador seguiram as dimensões indicadas por PERRY e CHILTON, (1980) e CALDAS e LACERDA, (1988). Foi utilizado fibra de vidro com 10 mm de espessura na construção do lavador, que possui 2 metros de altura e 60 centímetros de diâmetro interno. O lavador é dividido em duas partes simétricas (1 metro), unidas por um flange que é vedado com 10 parafusos de aço inox de 3/8 x 1 e uma guarnição de borracha de 1/4 de espessura. Na base do lavador estão localizadas duas janelas de entrada dos gases com 320 cm 2 de área. Uma é a entrada direta, ou seja, o gás ascende tendo como caminho preferencial o centro do lavador, e a outra entrada direciona os gases pelas paredes do lavador em movimento centrífugo. Na base inferior do lavador está localizada uma tubulação de PVC rígido com 50 mm de diâmetro, que permite a saída do líquido de lavagem. Na parte superior do lavador estão localizados: a janela de visualização (14), o sistema de aspersão (9), 10 bicos aspersores e a tubulação de saída dos gases para a atmosfera. A janela de visualização é feita de vidro com 570 cm 2 de área, e permite observar a distribuição do líquido e a posição dos bicos aspersores, bem como se há entupimento dos bicos durante a operação de lavagem dos gases. A solução de lavagem do gás escoa no sistema através dos 10 bicos aspersores (tipo cone ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 oco), feitos em aço inox número 304 e com uma abertura de 2 mm de diâmetro. Esse tipo de bico permite que o líquido saia como uma folha cônica em consequência do seu movimento centrífugo permitindo que o núcleo de ar se estenda até o bocal. A vantagem é que isso garante uma eficiência elevada de atomização, (PERRY e CHILTON, 1980; CALDAS e LACERDA, 1988 e LOBATO,1998). O gás liqüefeito fica armazenado em cilindro de aço de 40 litros, com válvula controladora de pressão e vazão. O transporte desse gás para o lavador é feito através de um tubo flexível de PVC reforçado com tela de nylon. O gás é injetado em um ponto da corrente de ar, permitindo uma completa mistura antes de entrar no lavador. O soprador da marca ELAN e modelo VCE 08, com potência de 1,5 HP auxilia na alimentação do gás para atravessar o lavador. O sistema experimental utilizado permite a seqüência das operações (CAMPOS, 2001): o ar é insuflado pelo soprador (1) e tanto a vazão quanto a pressão do gás CO 2 do cilindro (2) é controlada por um medidor (3), o qual é misturado com ar na região de mistura (4), a mistura de ar + CO 2 escoa até o lavador (5) sendo que há um manômetro diferencial acoplado à tomada de pressão (10) que mede a queda de pressão no lavador: os pontos de amostragem (6) das concentrações do gás CO 2 na linha antes da entrada do lavador e na saída do lavador permitem a coleta das amostras de gás; a solução de lavagem é transportada do reservatório (7) por uma bomba (8) até o sistema de aspersão do liquido (9). A instalação experimental é dotada de um dreno (11), que permite a retirada da solução após a lavagem do gás em contracorrente. Os ensaios das coletas dos gases da entrada e da saída do lavador, foram feitos com auxilio de um coletor tipo bóia de plástico. A concentração de CO 2 (v/v) foi medida utilizando-se um analisador dos produtos de combustão tipo ORSAT marca QUIMIS, modelo Q RESULTADOS OBTIDOS MEDIÇÃO DE VELOCIDADE DO AR (V). A Tabela 1 apresenta os resultados das medições de velocidade do ar feitas na entrada e na saída do lavador. Os valores mostram que a medida que diminui a área de admissão do ar na entrada do soprador, diminui a velocidade do ar tanto na entrada quanto na saída o que já era esperado devido a restrição imposta pela diminuição da área na entrada do soprador com o posicionamento das placas. Tabela 1- Resultados das medições de velocidade do ar na entrada e na saída do lavador. Abertura na entrada de ar do soprador (%) Velocidade (m/s) Entrada do lavador , ,4 5, ,9 2,7 25 5,5 ND ND = valor não detectado pelo instrumento Saída do lavador DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE CO 2 ( v/v ). O comportamento da absorção do dióxido de carbono frente a soluções de Na 2 CO 3,, NaOH e KOH, pode ser verificado nas Tabelas 2, 3 e 4. As tabelas contem valores de Temperatura (T), Queda de Pressão ( P),, Volume de CO 2 na entrada e na saída do lavador e as eficiências individuais e medias dos sistemas estudados. Cada leitura de volume foi feita em triplicata para garantir a reprodutibilidade da mesma. Ao utilizar-se a solução de Na 2 CO 3 em duas concentrações diferentes, conforme a Tabela 2, pode-se observar que os valores médios de eficiência do lavador foram significativamente diferentes. Observa-se que para um aumento de concentração em 1% m/v a eficiência média é significativa, onde para uma abertura de 100% na entrada do soprador, o desvio relativo é de 38,4%, enquanto que para abertura de 25% o desvio relativo é de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 54,6%. Ressalta-se também que a solução de Na 2 CO 3 é um reagente classificado alto em relação ao grau de importância industrial, quando o soluto é CO 2 e o solvente é H 2 O, conforme PERRY e CHILTON, Uma diminuição nos valores de eficiência do lavador utilizando as soluções de Na 2 CO 3, NaOH e KOH também foi observada quando leva-se em consideração a redução gradativa da área de admissão da mistura de ar. Com a diminuição da velocidade da corrente gasosa (redução de 100% para 75%; 50% e 25% do diâmetro da entrada de ar respectivamente), percebeu-se que os valores de eficiência apresentam uma diminuição Tabela 2: Medidas de concentração de CO 2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções de Na 2 CO 3. Concentração da solução de Na 2 CO 3 = 2% em m/v ou 0,014N T P Volume CO 2 (ml) Eficiência (%) ( o C) (mmh 2 O) Entrada Saída ,2 0, ,3 0, ,4 0, ,6 0, , ,6 0, ,8 0, ,4 0, ,8 0, ,8 0, ,5 0, ,6 0, , ,0 0, ,6 0, ,8 0, , ,2 0,4 67 Concentração da solução de Na 2 CO 3 = 1% em m/v ou 0,007N Abertura (%) Eficiência media (%) , , , ,8 0, ,4 0, ,6 0, , ,8 0, ,6 0, ,8 0, , ,8 0, ,8 0, ,0 0, , ,6 1,2 25 Quanto a Tabela 3, a eficiência do lavador utilizando-se a solução de NaOH nas duas concentrações estudadas, observa-se que para abertura de 100% na entrada do lavador o desvio relativo é de 9,1%, enquanto que para abertura de 25% tem-se um desvio relativo 15,3%. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Tabela 3: Medidas de concentração de CO 2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções de NaOH. Concentração da solução de NAOH = 3,75% em m/v ou 0,0937N T P Volume CO 2 (ml) Eficiência (%) ( o C) (mmh 2 O) Entrada Saída ,8 0, ,0 0, , ,2 0, ,8 0, ,8 0, ,0 0, ,8 0, ,0 0, , ,0 0, ,0 0, ,0 0, ,2 0,4 67 Concentração da solução de NaOH = 2,5% em m/v ou 0,0625N Abertura ( %) Eficiência media (%) ,0 0, ,8 0, ,0 0, ,2 0, ,0 0, ,0 0, ,0 0, ,2 0, ,2 0, ,8 0, ,8 0, ,0 0,5 50 A Tabela 4, mostra que para a solução de KOH nas duas concentrações estudadas, para abertura de 100% na entrada do lavador, o valor do desvio relativo é de 7,3% enquanto que para abertura de 25% no lavador tem-se um desvio relativo de 14,4%. Dessa forma constata-se que tanto a solução de NaOH como a solução de KOH são reagentes moderados, em relação ao grau de importância industrial. Diante dos resultados obtidos conclui-se que as soluções de Na 2 CO 3 são as que resultaram em melhor eficiência do lavador em conjunto com os demais parâmetros estudados. A eficiência dos equipamentos de limpeza de gases é expressa em uma variedade de formas como controle da eficiência, fator de penetração e fator de descontaminação. O modo mais comum para expressar a eficiência de performance de um equipamento é em termos de controle de eficiência, ou seja, a quantidade de poluente que sai para a atmosfera menos a quantidade de poluente que iria se não houvesse tratamento dada pela equação (1). E f Entrada Saída =.100 equação (1) Entrada onde: Entrada é a percentagem de poluente na entrada do lavador; Saída é a percentagem de poluente na saída do lavador e Ef é a eficiência do lavador para o sistema considerado ( STERN, 1977 ). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 Tabela 4: Medidas de concentração de CO 2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções de KOH Concentração da solução de KOH = 0,75% em m/v ou 0,0137N Abertura ( %) T P (mmh 2 O) Volume CO 2 (ml) Eficiência (%) Eficiência media ( o C) Entrada Saída (%) ,8 0, ,0 0, , ,0 0, ,8 0, ,0 0, ,0 0, ,2 0, ,0 0, ,8 0, ,0 0, ,0 0, , ,2 0,4 67 Concentração da solução de KOH = 0,5% em m/v ou 0,009N ,6 0, ,0 0, , ,0 0, ,8 0, ,4 0, ,6 0, ,0 0, ,2 0, , ,0 0, ,0 0, ,2 0, , ,4 0,4 70 Neste trabalho foi utilizado um modelo estatístico, utilizado por HOFFMANN e VIEIRA, 1977, com objetivo de predizer os dados para a eficiência da remoção (Ef) de CO 2 em função das concentrações de lavagem (C) de Na 2 CO 3, NaOH e KOH respectivamente, cuja relação matemática na forma exponencial é dada pela equação 2.. Os dados foram ajustados através de analise de regressão não-linear, utilizando-se o Software Statistica. E a b.c c f = + equação (2) onde a, b e c são parâmetros desconhecidos a serem determinados no ajuste por análise de regressão empregando-se para isto o Software Statistica. As Figuras 1, 2 e 3, mostram a representação gráfica para o modelo adotado, pela equação 1. Os coeficientes de correlação encontrados para o Na 2 CO 3 (0,9778), NaOH (0,9910) e KOH (0,9978) podem ser considerados satisfatórios. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 Figura 2: Resultados experimentais das soluções de Na 2 CO 3, ajustados pela equação 1. Figura 3: Resultados experimentais das soluções de NaOH, ajustados pela equação 1. Figura 4: Resultados experimentais das soluções de KOH, ajustados pela equação 1. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7

8 A equação matemática utilizada neste estudo para ajustar os dados de remoção do poluente CO 2 em função da concentração das soluções alcalinas, ajustaram-se bem aos dados experimentais, onde a eficiência do lavador apresentou valores médios de 78,82% para o Na 2 CO 3, 68,19% para o NaOH e 74,55% para o KOH, dentro da faixa de concentração estudada neste trabalho, percentuais estes aceitáveis para o tipo de equipamento estudado, pois valores superiores somente são obtidos em equipamentos otimizados. CONCLUSÕES Com base no trabalho realizado, concluiu-se que: A unidade experimental construída para o lavador de gases possibilitou estudar e quantificar o efeito de parâmetros operacionais na remoção do gás poluente conseguindo-se um bom desempenho de operacionalização do equipamento. Verificou-se que das três soluções alcalinas, a que apresentou melhor eficiência de remoção foi a solução de carbonato de sódio por favorecer melhor solubilidade do gás. Os coletores de amostra do gás foram adequados para todos os ensaios realizados assim como as medidas experimentais realizadas no aparelho de Orsat garantiram a confiabilidade dos dados. Para o intervalo de concentração das soluções estudadas, a quantidade removida de CO 2 situou-se numa faixa de valores práticos utilizados em sistemas em operação deste tipo. O modelo estatístico utilizado para a estimativa de eficiência do lavador em função da concentração das soluções alcalinas, demonstrou ser uma ferramenta adequada na melhoria do processo de lavagem de gases, pois pode prever com boa aproximação a eficiência de remoção do gás em função da concentração da solução alcalina. Os valores médios de eficiência do lavador, 78,82% (Na 2 CO 3 ), 68,19% (NaOH) e 74,55% (KOH) em função da concentração da solução alcalina, apresentaram bons resultados para o tipo de equipamento empregado. Deve-se ressaltar que os valores encontrados estão de acordo com a literatura, onde o Na 2 CO 3 é considerado de importância industrial alta, enquanto que o NaOH e o KOH são considerados moderados, como verificado nos resultados deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CALDAS, J. N.; LACERDA, A. I. Torres Recheadas. Coleção Tecnologia Brasileira. JR Editora Ltda. Rio de Janeiro CAMPOS, L. M. Eficiência de Remoção de CO 2 em um Lavador Direto de Gases: Efeito da Concentração das Soluções de Lavagem. Belém Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Engenharia Química do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará HOFFMANN,R VIEIRA, S. Análise de regressão: uma introdução á econometria. São Paulo: Hucitec, LOBATO, I. C. Estudo do Lavador de Gases Centrífugo no Controle das Emissões de SO 2. Belém Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Engenharia Química do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará PERRY, R: CHILTON, C. H.. Manual de Engenharia Química, 5 a ed., Rio de Janeiro, Ed. Guanabara Dois, UFRJ, STERN, A. C. ; Air pollution : engineering control of pollution. Third edition, volume IV. p. 67. Academic Press, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 8