SIMULAÇÃO DE UMA COLUNA DE ABSORÇÃO DE PRATOS COMO EQUIPAMENTO DE CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR EM UM INCINERADOR DE RESÍDUOS PERIGOSOS

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1 SIMULAÇÃO DE UMA COLUNA DE ABSORÇÃO DE PRATOS COMO EQUIPAMENTO DE CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR EM UM INCINERADOR DE RESÍDUOS PERIGOSOS Carlos Alberto Ferreira Rino (1) Engenheiro Químico (UNICAMP, 1989); Engenheiro de Segurança do Trabalho (UNESP, 1994); Mestre em Engenharia Química (UNICAMP,1996). Engenheiro da CETESB - Cia. de Tecnologia de Saneamento Ambiental - Distrito da Bacia do Baixo Tietê - Bauru - SP. Maria Regina Wolf Maciel Doutora em Engenharia Química (The University of Leeds, 1989). Professor RDIDP - MS4 - Departamento de Processos Químicos, Faculdade de Engenharia Química, UNICAMP; Professor Livre Docente; Pesquisador Nível 2B - CNPq. Endereço (1) : Av. Orlando Ranieri 8-85, Bloco 17 - apto Bauru - São Paulo - SP - CEP: Brasil - Tel: (014) Fax: (014) rino@techno.com.br. RESUMO O objetivo deste trabalho é a simulação de uma coluna de absorção de pratos multicomponentes, de tal modo a possibilitar o uso da mesma como equipamento de controle da poluição do ar de um incinerador de resíduos perigosos. O estudo da modelagem é feito no estado estacionário, sendo que a coluna é operada adiabaticamente. Um método desenvolvido inicialmente para colunas de destilação é aplicado para colunas de absorção. A resolução do sistema de equações não-lineares é feita pelo Método de Newton-Raphson. Um software composto por 2 programas é desenvolvido de forma a permitir a simulação interativa, onde a alteração dos parâmetros necessários para os cálculos (arquivos de dados), é feita de forma simultânea e imediata. O procedimento interativo possibilita uma adequada escolha das condições operacionais e, portanto, permite a realização de simulações otimizadas. São feitas simulações da absorção em água de uma corrente gasosa proveniente de um incinerador de resíduos perigosos. Chega-se à conclusão que, a coluna de pratos é capaz de enquadrar o padrão de lançamento de HCl na atmosfera de acordo com a norma brasileira, quando operada com maior pressão e com maior fluxo molar da corrente de alimentação líquida. PALAVRAS-CHAVE: Controle da Poluição do Ar, Incineração, Resíduos Perigosos, Coluna de Pratos, Simulação. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 419

2 INTRODUÇÃO Os atuais problemas com custos de energia e regulamentações ambientais, no tocante aos padrões de lançamento de gases na atmosfera, têm feito crescer a preocupação com os processos de separação difusionais. Dentre estes processos, as colunas de pratos para absorção de gases são processos de crescente interesse e motivação em seus estudos. De acordo com Rocca et al (1993), a incineração é um método de tratamento que se utiliza da decomposição térmica via oxidação, com o objetivo de tornar um resíduo menos volumoso, menos tóxico ou atóxico, ou ainda eliminá-lo, em alguns casos. A aplicação deste processo no tratamento de resíduos perigosos passou a receber uma atenção maior, tendo em vista os problemas ambientais ocasionados pela disposição inadequada no solo de materiais tóxicos não degradáveis, altamente persistentes, e até mesmo daqueles não passíveis de disposição no solo. De maneira geral, as unidades de incineração variam desde pequenas instalações, projetadas e dimensionadas para um resíduo específico, e operadas pelos próprios geradores, até grandes instalações de propósitos múltiplos, para incinerar resíduos de diferentes fontes. No caso de resíduos perigosos, estas instalações requerem equipamentos adicionais de controle de poluição do ar. Os gases quentes provenientes da combustão em incineradores de resíduos perigosos são primeiramente resfriados e posteriormente enviados para um equipamento de controle de poluição, dentre os quais: precipitador eletrostático, pós-queimador, lavador venturi, coluna de recheio e coluna de pratos. Com a realização de simulações é possível conhecer as condições necessárias para uma otimização da coluna de pratos, ainda na fase de projeto da mesma. METODOLOGIA A Figura 1 mostra o esquema de uma coluna de pratos. A modelagem da coluna é feita considerando-se cada prato como um estágio. A metodologia completa da modelagem (Rino, 1996) prevê que as equações do balanço de massa, balanço de energia e relações de equilíbrio, para cada estágio, são agrupadas em um único conjunto, e são resolvidas simultaneamente, utilizando-se do Método de Newton-Raphson. A Figura 2 mostra o esquema de um estágio arbitrário n. É desenvolvido um software para a simulação das colunas de pratos. Tal software é composto por 2 programas. O primeiro, denominado Programa Principal, realiza os cálculos da simulação e é desenvolvido na linguagem FORTRAN. O segundo, denominado Programa Auxiliar, permite o gerenciamento interativo dos arquivos de dados e de resultados do Programa Principal e é desenvolvido na linguagem VISUAL BASIC. Os dados de entrada compreendem o número e o nome dos componentes das alimentações, as temperaturas, os fluxos molares e as composições das alimentações líquida e vapor, pressão e 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 420

3 número de estágios da coluna. É possível fazer a simulação de uma coluna com até 10 componentes e 50 estágios. Após a simulação, são obtidas as temperaturas, os fluxos molares e as composições das saídas líquida e vapor. Os resultados são obtidos na forma de tabelas ou de gráficos, visualizados na tela e, caso sejam de interesse, podem ser impressos. Figura 1 - Esquema de uma coluna de pratos. Figura 2 - Esquema de um estágio arbitrário n. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 421

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES As simulações são realizadas partindo-se de uma corrente gasosa proveniente de um incinerador de resíduos perigosos (Theodore e Reynolds, 1987). Tal corrente deve passar por um equipamento de controle de poluição, antes do lançamento da mesma na atmosfera. De acordo com a NB Incineração de Resíduos Sólidos Perigosos - Padrões de Desempenho (ABNT, 1989), o padrão de emissão para HCl prevê um fluxo máximo de 1,8 kg/h ou 99 % de redução para resíduos com teor de Cl superior a 0,5 %. É utilizada uma coluna de absorção de pratos como equipamento de controle conforme anteriormente descrito. Para tanto é feita a simulação da mesma utilizando o software desenvolvido. A corrente de alimentação líquida (solvente) é constituída de água. As condições da corrente de alimentação vapor encontram-se na Tabela 1. Tabela 1 - Fluxo e fração molar da alimentação vapor. Componente Fluxo de Entrada kmol/hora kg/hora fração molar Água 2234, ,5 0,5172 Dioxído de Carbono 123,6 5453,6 0,0287 Nitrogênio 1730, ,8 0,4006 Oxigênio 228,4 7309,8 0,0529 Ácido Clorídrico 2,4 87,5 0,0006 Para atingir o preconizado pela norma anteriormente descrita, a corrente de saída vapor deverá ter um fluxo molar em HCl, no máximo, de 0,049 kmol/h (equivalente a 1,8 kg/h). São variados alguns parâmetros (número de estágios, pressão da coluna, temperatura e fluxo molar do líquido na alimentação) para verificação da melhor condição em que a coluna alcança os seus objetivos. A Tabela 2 mostra a faixa de variação dos parâmetros selecionados. Tabela 2 - Parâmetros variados para as simulações. Número de estágios 2 a 20 Pressão da coluna 1 a 20 atm Temperatura do líquido na alimentação 10 a 40 C Fluxo do líquido na alimentação a kmol/hora 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 422

5 Cada parâmetro é variado isoladamente, mantendo-se uma configuração inicial. Para cada parâmetro variado, os resultados são plotados em gráficos (fluxo molar de HCl, em kmol/h x parâmetro variado), sendo possível, assim, uma fácil visualização dos resultados obtidos e a comparação dos mesmos com o valor máximo permitido. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 423

6 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO NÚMERO DE ESTÁGIOS A Tabela 3 mostra a influência da variação do número de estágios no resultado obtido para a composição do HCl na fase vapor. A Figura 3 mostra os resultados na forma gráfica. Conforme pode-se observar, com o aumento do número de estágios da coluna, a corrente de saída vapor não alcança o padrão de emissão estabelecido sendo que, praticamente não há alteração no fluxo de HCl na corrente de saída vapor. Tabela 3 - Influência do número de estágios no fluxo molar de HCl na saída vapor. Número de Fluxo de HCl na corrente Estágios de saída vapor kmol/h fração molar 2 2,347 0, ,351 0, ,353 0, ,351 0, ,351 0, Fluxo molar de HCl (kmol/h) Limite máximo de emissão: kmol/h Número de Estágios Figura 3 - Fluxo molar de HCl na saída vapor x Número de Estágios. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 424

7 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA PRESSÃO A Tabela 4 mostra a influência da variação da pressão da coluna no resultado obtido para a composição do HCl na fase vapor. A Figura 4 mostra os resultados na forma gráfica. Conforme pode-se observar, um aumento da pressão da coluna, próximo de 20 atm, faz com que a saída vapor ultrapasse o padrão de emissão estabelecido. Portanto, ao se operar a coluna com uma pressão próxima de 20 atm, é possível lançar o HCl na atmosfera, de acordo com o padrão de emissão. Tabela 4 - Influência da pressão da coluna no fluxo molar de HCl na saída vapor. Pressão da Fluxo de HCl na corrente coluna (atm) de saída vapor kmol/h 1 2,347 0, ,169 0, ,811 0, ,004 0,000 fração molar Fluxo molar de HCl (kmol/h) Limite máximo de emissão: kmol/h Pressão da Coluna (atm) Figura 4 - Fluxo molar de HCl na saída Vapor x Pressão da Coluna. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 425

8 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DA FASE LÍQUIDA A Tabela 5 mostra a influência da variação da temperatura da corrente de alimentação líquida no resultado obtido para a composição do HCl na fase vapor. A Figura 5 mostra os resultados na forma gráfica. Conforme pode-se observar, com o aumento da temperatura da corrente de alimentação líquida, a corrente de saída vapor não alcança o padrão de emissão estabelecido sendo que, praticamente não há alteração no fluxo de HCl na corrente de saída vapor. Tabela 5 - Influência da temperatura alimentação líquida no fluxo de HCl na saída vapor. Temperatura do Fluxo de HCl na corrente Líquido ( C) de saída vapor kmol/h fração molar 10 2,350 0, ,351 0, ,352 0, ,353 0, Fluxo molar de HCl (kmol/h) Limite máximo de emissão: kmol/h Temperatura do Líquido ( C) Figura 5 - Fluxo molar de HCl na saída vapor x Temperatura alimentação líquido. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 426

9 INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO FLUXO MOLAR DA FASE LÍQUIDA A Tabela 6 mostra a influência da variação do fluxo molar da corrente de alimentação líquida no resultado obtido para a composição do HCl na fase vapor. A Figura 6 mostra os resultados na forma gráfica. Conforme pode-se observar, um aumento do fluxo molar da alimentação líquida, possivelmente fará com que a saída vapor alcance o padrão de emissão estabelecido. Tabela 6 - Influência do fluxo molar alimentação líquida no fluxo de HCl na saída vapor. Fluxo do Fluxo de HCl na corrente Líquido (kmol/h) de saída vapor kmol/h fração molar ,395 0, ,351 0, ,262 0, ,384 0, ,149 0, Fluxo molar de HCl (kmol/h) Limite máximo de emissão: kmol/h Fluxo do Líquido (kmol/h) Figura 6 - Fluxo molar de HCl na saída vapor x Fluxo molar alimentação do líquido. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 427

10 CONCLUSÕES Após as simulações, chega-se à conclusão que o objetivo de lançar o HCl na atmosfera com um fluxo não superior a 1,8 kg/h ou 0,049 kmol/h, para atender ao padrão estabelecido na NB 1265, somente será conseguido se a coluna operar com uma combinação de alta pressão com alto fluxo molar de alimentação do líquido. A decisão entre uma ou outra condição depende de considerações econômicas, pois, assim como a manutenção de alta pressão no interior da coluna possui um custo de energia envolvido, o aumento do fluxo de líquido no fundo da coluna pode exigir investimentos de grande monta, pois este líquido deverá ser tratado adequadamente, antes do lançamento do mesmo em corpos d água. A variação do número de estágios da coluna e da temperatura de alimentação do líquido não produzem variações significativas nas condições de saída da coluna. Apesar de a simulação ter sido feita usando-se a água como solvente, o software desenvolvido permite a utilização de qualquer solvente, inclusive soluções aquosas. Um grande número de componentes encontram-se no banco de dados desenvolvido, sendo que novos componentes podem ser adicionados ao mesmo. O desenvolvimento de um software, para o cálculo interativo, mostrou-se uma importante ferramenta de trabalho, possibilitando uma otimização e um aumento da produtividade na realização das simulações. A visualização imediata dos resultados na tela propicia uma rapidez na tomada de decisões durante as simulações. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS; NB Incineração de Resíduos Sólidos Perigosos - Padrões de Desempenho, ABNT, RINO, C.A.F.; Modelagem e simulação de colunas de pratos para absorção de gases: um método para minimização de poluentes industriais. Dissertação de Mestrado; Departamento de Processos Químicos - Faculdade de Engenharia Química/UNICAMP, ROCCA, A.F.C., IACOVONE, A.M.M.B., BARROTTI, A.J. et al; Resíduos Sólidos Industriais, 2 a edição; CETESB/ASCETESB, THEODORE, L. e REYNOLDS, J.; Introduction to Hazardous Waste Incineration; John Wiley & Sons, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 428