Resumo. Abstract. 1. Introdução

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1 IBP 1289_12 ESTUDO COMPARATIVO DA VELOCIDADE DE ABSORÇÃO DE CO 2 EM SOLUÇÕES AQUOSAS DE AMINAS Thiago Alonso 1, Lilian Mello 2, Denise Tavares 3 Henry Rodriguez 4, José Luis de Paiva 5 Copyright 2012, Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis - IBP Este Trabalho Técnico foi preparado para apresentação na Rio Oil & Gas Expo and Conference 2012, realizado no período de 17 a 20 de setembro de 2012, no Rio de Janeiro. Este Trabalho Técnico foi selecionado para apresentação pelo Comitê Técnico do evento, seguindo as informações contidas no trabalho completo submetido pelo(s) autor(es). Os organizadores não irão traduzir ou corrigir os textos recebidos. O material conforme, apresentado, não necessariamente reflete as opiniões do Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, Sócios e Representantes. É de conhecimento e aprovação do(s) autor(es) que este Trabalho Técnico seja publicado nos Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference Resumo Neste trabalho avaliou-se experimentalmente a capacidade de absorção de CO 2 proveniente de uma mistura CO 2 -ar (10 % mol/mol), em diferentes soluções aquosas de aminas, tais como MEA, DEA, MDEA e AMP. Os ensaios de absorção foram realizados em uma coluna de parede molhada com promotor de película, em escala laboratório. A concentração do gás foi medida na entrada e saída da coluna de absorção e simultaneamente as concentrações de entrada e saída da fase líquida. As análises das fases gás e líquida foram realizadas No equipamento de infravermelho ReactIR TM 45m. Os resultados obtidos foram expressos em termos das velocidades de absorção e da relação entre a quantidade de CO 2 absorvido e a quantidade de amina alimentada, para os diferentes solventes. Abstract This study evaluated experimentally the absorption capacity of CO 2 from a mixture CO 2 ar (10 %mol/mol) into different aqueous solutions of amines, such as MEA, DEA, MDEA and AMP. The absorption tests were carried out in a wetted wall column with promoter film, in laboratory scale. The gas concentration was measured at the inlet and outlet of the absorption column and simultaneously the concentrations at the inlet and oulet of the liquid phase. The analyses of gas and liquid phases were realized by infrared equipment ReactIR TM 45m. The results were expressed in terms of absorption rate and the relationship between the amount of CO 2 absorbed and the amount of amine fed, to the different solvents. 1. Introdução Atualmente, o estudo de processos para captura de CO 2 tem aumentado mundialmente devido aos efeitos adversos dos gases de efeito estufa no ecossistema. Particularmente, no caso do processo de absorção de CO 2 emprega-se um solvente que reage quimicamente com este, que é então regenerado no processo de dessorção. Todavia, a este processo de regeneração está associado um alto custo operacional, devido ao consumo de energia envolvido na recuperação do solvente (Dey e Aroonwilas, 2009). Num processo de absorção, o gás soluto pode ser absorvido fisicamente ou quimicamente, onde no primeiro caso este é dissolvido no solvente, e no segundo caso ele reage com um componente dissolvido na solução líquida. Segundo Danckwerts (1966), geralmente, a velocidade de reação específica da absorção física é menor quando comparada com a velocidade de reação específica da absorção com reação química. Portanto, o emprego de solventes reativo pode aumentar significativamente a remoção do gás a ser absorvido. As alcanolaminas estão entre as opções de solventes mais importantes para a remoção de gases ácidos, como por exemplo, o H 2 S e CO 2. Esses compostos têm o compromisso entre alcalinidade e volatilidade. Em linhas gerais, o grupo hidroxila presente na molécula garante a solubilidade em água e permite uma redução da pressão de vapor da solução, 1 Engenheiro de Pesquisa e Desenvolvimento The Dow Chemical Company 2 MSc, Engenharia Quimica Universidade de São Paulo 3 Engenheira Quimica Universidade de São Paulo 4 Engenheiro Quimico Universidade de São Paulo 5 PhD, Engenharia Quimica Universidade de São Paulo

2 enquanto o grupo amina promove a alcalinidade necessária para a reação com o CO 2. Na sequência, apresenta-se uma breve descrição das propriedades das aminas investigadas neste trabalho, com base em Kohl (1985). MEA (Monoetanolamina) Esta é uma amina primária, com apenas um substituinte orgânico ligado ao nitrogênio. Verifica-se uma alta velocidade de absorção, quando empregada na absorção de gases contendo H 2 S e CO 2, e de forma não seletiva. No entanto, se observa neste sistema problemas associados à corrosão. DEA (Dietanolamina) Figura 1. Estrutura molecular da Monoetanolamina Esta é uma amina secundária, com apenas dois substituintes orgânicos ligados ao nitrogênio. Esta amina é empregada na remoção de H 2 S e CO 2 e também COS; sendo usada, usualmente, em concentrações de 30% (massa) ou inferiores. MDEA (Metildietanolamina) Figura 2. Estrutura molecular da Dietanolamina Esta é uma amina terciária, com três substituintes orgânicos ligados ao nitrogênio. Tem uma maior afinidade para H 2 S do que para o CO 2. Tem uma baixa entalpia de reação, quando comparada às aminas primárias e secundárias, o que representa menores custos energéticos para a regeneração. Figura 3. Estrutura molecular da Metildietanolamina 2. Materiais e métodos Os diferentes testes experimentais foram realizados em uma coluna de parede molhada com promotor de película. Onde a coluna consiste de dois tubos concêntricos de vidro, na qual o tubo externo funciona como uma camisa, na qual escoa água para garantir a manutenção da temperatura. A coluna tem uma altura de 1,16 m e diâmetro igual a 0,022m. O promotor de película consiste de uma malha metálica, de abertura igual a 28 mesh, a qual foi colocada sobre a parede interna do tubo interno da coluna. Um esquema simplificado da coluna de absorção é apresentado na Figura 4. este dispositivo foi empregado em trabalhos anteriores (Rodriguez et al., 2011). O processo de absorção foi realizado em contracorrente entre a fase líquida e a fase gasosa. Onde a corrente líquida foi bombeada para o topo da coluna, a qual desce sobre a parede interna da coluna molhando a tela metálica, entanto que, a corrente gasosa foi introduzida pelo fundo da coluna. 2

3 Saída do gás Entrada da solução de amina Saída da água Entrada da água Entrada do gás Saída da solução de amina Figura 4. Esquema do dispositivo experimental: Coluna de parede molhada As diferentes soluções aquosas de aminas usadas nos diferentes testes de absorção apresentam-se na Tabela 1. Tabela 1 Concentrações das soluções absorvedoras alimentadas Solução absorvedora Concentração (% g Amina.g Solução -1 ) MEA 25 DEA 25 3

4 AMP 25 MDEA 25 Na Tabela 2 estão apresentadas as condições experimentais dos ensaios de absorção verificadas para todas as soluções absorventes. Tabela 2 Resumo das condições experimentais para os diferentes ensaios experimentais Pressão de operação Temperatura de operação Concentração de CO 2 na corrente de gás alimentada Vazão do liquido Vazão do gás Atmosférica: Pa 298,15 K 10 % mol/mol 3, (kg/s) 3, (kg/s) 3. Resultados e conclusões A capacidade de absorção do CO 2, para cada uma das soluções absorvedoras é expressa na forma de velocidade de absorção média, R CO2 (kmol.m -2 h -1 ). Esta velocidade é calculada a partir da concentração de CO 2 absorvida na fase líquida, determinada a partir da análise da fase líquida e da sua vazão. Considerou-se para a área de transferência de massa a área geométrica da coluna. Calcula-se, também, outro importante parâmetro, que é a relação entre a quantidade CO 2 absorvida e quantidade de amina (ou equivalente) alimentada, expressa por Y CO2 (kmol CO 2 /kmol amina). Excepcionalmente no caso da MDEA, constatou-se que a velocidade de absorção foi muito baixa em relação as outros solventes estudados. O resultado da velocidade de absorção desta amina não está reportado devido ao baixo valor detectado na analise química que é da ordem de grandeza do erro experimental da medida. Apresentam-se na Tabela 3 os valores da velocidade de absorção média, R CO2, e da relação Y CO2, para cada uma das soluções absorvedoras (MEA, DEA e AMP). Tabela 3. Velocidades de absorção e mol CO 2 absorvido/ mol amina Solução absorvedora R CO2 (kmol.m -2 h -1 ) Y CO2 (mol CO 2 /mol amina) MEA 2,7E-02 0,44 DEA 2,3E-02 0,65 AMP 7,3E-03 0,17 Observa-se que existe uma variação na velocidade de absorção entre as diferentes soluções aquosas de aminas. As velocidades de absorção nas aminas puras decrescem com o grau de substituição, como pode ser observado comparando-se os resultados de MEA, DEA e MDEA. Os resultados das velocidades de absorção permitem uma estimativa da taxa de absorção em colunas com recheios estruturados constituídos a partir da tela metálica empregada neste trabalho, desde que operando em condições hidrodinâmicas equivalentes. 4. Agradecimentos 4

5 A equipe agradece à Fapesp Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo pela ajuda financeira de extrema valia a este trabalho, a Dow Chemical Brasil por disponibilizar soluções para a realização da pesquisa e ao Laboratório de Separações Térmicas e Mecânicas LSTM da Escola Politécnica da USP. 5. Referências DANCKWERTS, P. V. Gas liquid reactions. New York: McGraw Hill Book Co, DEY, A., AROONWILAS, A. CO2 absorption into MEA-AMPblend: mass transfer and absorber height index. Energy Procedia., v. 1, n. 1, p , KOHL, A., RIESENFELD, F. Gas Purification, Gulf Publishing Company, RODRIGUEZ, H., MELLO, L., SALVAGNINI, W., PAIVA, J. Absorption of carbon dioxide into aqueous solutions of alkanolamines in a wetted wall column with film promoter. In: Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, Florence, Italy: The Italian Association of Chemical Engineering, May,