Introdução Adsorventes Equilíbrio de Adsorção Operações de Adsorção Equipamentos. Adsorção. Rodolfo Rodrigues. Universidade Federal do Pampa

Documentos relacionados
PQI-2321 Tópicos de Química para Engenharia Ambiental I

ADSORÇÃO. Adsorção é a fixação de uma substância em uma interface, seja ela sólido-gás, sólido-líquido, líquido-gás (vapor).

Catálise heterogênea. Catalisador sólido. Reação na interface sólido-fluido

FILTROS DE CARVÃO ATIVADO GRANULADO ( TFCAG )

PROMOVE- PROCESSOS DE SEPARAÇÃO. Extração

Extração Sólido-Líquido

CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA ( CCD) Bruno Henrique Ferreira José Roberto Ambrósio Jr.

Controle e medida da poluição do ar. IFUSP física da poluição do ar João Lars Tiago Vanessa

COLÓIDES. Colóide: partícula com uma dimensão linear entre 1nm e 1µm (1000 nm).

INSTABILIDADE DAS DISPERSÕES COLOIDAIS

ANTONIO REINALDO CESTARI

Equilíbrio é um estado em que não há mudanças observáveis, com passar do tempo.

Secagem e Armazenagem de Grãos e Sementes Aula 04

Físico-Química Farmácia 2014/02

Secadores por Adsorção CPDA e CPDH. Produtos de Alta Performance. Desenvolvidos para você!

QUÍMICA. CO (g) + 2H 2 (g) CH 3 OH(g) 1M 2M 0 1M x 2M 2x 0 + x 0,5M 1M 0,5M PROVA 3 - CONHECIMENTOS ESPECÍFICOS QUESTÃO 05 RESPOSTA: 29 - NÍVEL FÁCIL

Interações intermoleculares e sua influência nas propriedades das substâncias

3.1. Como varia com a temperatura? A pressão de vapor aumenta com o aumento da temperatura e diminui com a diminuição da temperatura.

Estudo cinético para adsorção das parafinas C 11, C 12 e C 13 em zeólita 5A.

Estudo Físico-Químico dos Gases

SOLUÇÕES - SOLUÇÃO IDEAL E AS PROPRIEDADES COLIGATIVAS

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA

Fundamentos de Química

EQUILÍBRIO QUÍMICO MOLECULAR

Estudo Físico-Químico dos Gases

Introdução. Definição

PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS E IDENTIFICAÇÃO DE EQUIPAMENTOS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, TÉRMICA E VEICULAR. Rio de Janeiro 2015

AULA 4 Físico-Química Industrial. Operações Unitárias Na Indústria Farmacêutica

Resposta: D Resolução comentada: Ci x Vi = Cf x Vf Ci = 0,5 mol/l Cf = 0,15 mol/l Vf = 250 ml Vi = 0,5 x Vi = 0,15 x 250 Vi = 75 ml.

SISTEMAS DE COMPOSIÇÃO VARIÁVEL EQUILÍBRIO QUÍMICO

MUDANÇA DE ESTADO ROMPIMENTO DE FORÇAS INTERMOLECULARES

RESPOSTAS ESPERADAS QUÍMICA

Concentração dos reagentes Quanto maior a concentração dos reagentes, maior a velocidade da reação.

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RIO GRANDE DO NORTE IFRN CAMPUS MOSSORÓ PROFESSOR: ALBINO DISCIPLINA: QUÍMICA EXPERIMENTAL

ADSORÇÃO. Em Superfícies Sólidas

Introdução. Uma mistura éconstituída por duas ou mais substâncias puras, sejam simples ou compostas MISTURA

SOLUÇÕES MAIS DE UM COMPONENTE VOLÁTIL A SOLUÇÃO DILUÍDA IDEAL

Introdução. Introdução. Introdução. Constantes físicas da água 27/5/2013. Água em alimentos. Teores de água de alguns alimentos

Termoquímica Entalpia e Lei de Hess

Equilíbrio Físico. Equilíbrio físico estado no qual duas ou mais fases de uma substância coexistem sem uma tendência a mudança.

Métodos de Determinação da Massa Molar. Fábio Herbst Florenzano

Análise do processo de transferência térmica na sinterização. Fornos utilizados para queima de produtos cerâmicos

Equilíbrio Químico. É uma reação reversível na qual a velocidade da reação direta é igual à velocidade da reação inversa.

Equipamentos de controle ambiental - ar

Isolamento e Purificação de Biomoléculas. CFBio 2014 Emanuel Carrilho Sala 104 Q1 Ramal

SECAGEM E PSICROMETRIA OPERAÇÕES UNITÁRIAS 2. Profa. Roberta S. Leone

ANÁLISE TÉRMICA Sumário

Departamento de Física e Química Química Básica Rodrigo Vieira Rodrigues

Profa. Dra. Milena Araújo Tonon Corrêa

Química Fascículo 02 Elisabeth Pontes Araújo Elizabeth Loureiro Zink José Ricardo Lemes de Almeida

T= R: 1º trocador: Q= cal/s; mc=208,33 mol/s; A = 60,82 m 2 ; 2º trocador: Q= cal/s; mc=173,61 mol/s; A = 115,52 m 2

Cinética Química. Prof. Alex Fabiano C. Campos

OLIMPÍADA PIAUIENSE DE QUÍMICA 2015 Modalidade EM2-26/09/2015 FASE II

X Congresso Brasileiro de Engenharia Química Iniciação Científica

CONSTANTE DE EQUILÍBRIO

Química Aplicada. QAP0001 Licenciatura em Química Prof a. Dr a. Carla Dalmolin

ESCOLA SECUNDÁRIA DE CASQUILHOS

UNIDADES DIDÁTICAS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I 05/03/2015 APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA

Módulo inicial Materiais: Diversidade e Constituição. Química 10.º ano Ano lectivo 2007/2008

Prof. Dra. Lisandra Ferreira de Lima PROPRIEDADES FÍSICAS PARTE II VISCOSIDADE; TENSÃO SUPERFICIAL E PRESSÃO DE VAPOR

Forças intermoleculares

Soluções UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO UFRJ INSTITUTO DE QUÍMICA IQG127. Prof. Antonio Guerra

CIAS LIO TÂNC CIAN. Prof. Msc João Neto 2

Cinética Química. Prof. Alex Fabiano C. Campos. Rapidez Média das Reações

CIÊNCIAS DA NATUREZA - QUÍMICA Prof. Adriana Strelow 1º Ano

Capítulo 1 Vapor d água e seus efeitos termodinâmicos. Energia livre de Gibbs e Helmholtz Equação de Clausius Clapeyron

11/Mar/2016 Aula 7 Entropia Variação da entropia em processos reversíveis Entropia e os gases ideais

BC0307 Transformações Químicas. Cinética química

Química. divulgação. Comparativos curriculares. Material de. A coleção Ser Protagonista Química e o currículo do Estado do Rio Grande do Sul

Concurso de Docentes Edital Nº

Ressonância, Formas de respresentação de moléculas orgânicas, Forças intermoleculares. Aula 3

Equações-chave FUNDAMENTOS. Seção A. Seção E. Seção F. Seção G. mv 2. E c E P. mgh. Energia total energia cinética energia potencial, ou E E c.

Exercício. Questão 48 Engenheiro de Processamento Petrobras 02/2010

CONCEITUAÇÃO GASES E VAPORES 27/09/2011 GÁS. Substâncias que, em condições normais de pressão e temperatura (25 C e 760 mmhg), estão no estado gasoso.

Deve-se esperar uma redução na velocidade de rotação do hidrômetro em dias frios.

DESEMPENHO DE PENEIRA MOLECULAR NA DESIDRATAÇÃO DE ÁLCOOL ETÍLICO

CINÉTICA QUÍMICA. Obs.: a variação da quantidade deverá ser sempre um valor positivo, então ela deverá ser em módulo. 1.

2. Considerando a figura dada na questão 2, explique a principal dificuldade de conformação da sílica fundida em relação ao vidro de borosilicato.

P1 - PROVA DE QUÍMICA GERAL 09/04/11

a) Escreva os nomes das substâncias presentes nos frascos A, B e C. A B C

Profº André Montillo

SUBSTÂNCIAS PURAS, MISTURAS E SEPARAÇÃO DE MISTURAS.

SECAGEM. Profa. Marianne Ayumi Shirai. Secagem

Avaliação da capacidade de adsorção de CO 2 em zeólitas 13X e 5A através do Método Gravimétrico

t RESOLUÇÃO COMECE DO BÁSICO

Resolução de Questões de Provas Específicas de Química (Aula 7)

Tratamentos Térmicos

Conceitos Básicos sobre gases

AULA 16 Deslocamento de Equilíbrio

Química Monitores: Luciana Lima e Rafael França 06, 07, 08 e 11/07/2015. Material de Apoio para Monitoria

PROMOVE PROCESSOS DE TRATAMENTO

Programa da cadeira Termodinâmica e Teoria Cinética

IEE ASSIS BRASIL- QUÍMICA 3º ANO ENSINO MÉDIO POLITÉCNICO

Profº André Montillo

Destilação a vácuo. pressão menor, p.e. menor!

Torrefacção de CDRs industriais: Aplicações energéticas e materiais

Caracterização das Chamas:

Ligações Químicas Interações Intermoleculares

INTRODUÇÃO À INDÚSTRIA DO PETRÓLEO UNIDADE IV REFINO DE PETRÓLEO

ÁGUA, SOLUBILIDADE E PH

Transcrição:

Adsorção Prof. Universidade Federal do Pampa BA310 Curso de Engenharia Química Campus Bagé 22 de novembro de 2016 Adsorção 1 / 40

Introdução Adsorção 2 / 40

Introdução Operação de Adsorção É a concentração/retenção de 1 ou + componentes (solutos) de um fluido sobre uma superfície sólida: Sólido: adsorvente. Soluto: adsorvato. Utilizada sobretudo para remoção de solutos de misturas diluídas; A operação inversa é a dessorção ou regeneração; A adsorção é um processo exotérmico ao passo que a dessorção é um processo endotérmico. Adsorção 3 / 40

Introdução Figura 1: Fluxograma de um sistema de leito duplo para adsorção-dessorção. Os leitos operam em ciclos de adsorção e dessorção. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 4 / 40

Introdução Classificação Adsorção física (fisissorção): Forças de Van der Waal e eletrostáticas. Adsorção química (quimissorção): Ligações químicas. Ex.: Reações químicas heterogêneas catalíticas. Fisissorção é reversível ao passo que quimissorção pode não ser! Adsorção 5 / 40

Introdução Características Pressão (ou concentração) e temperatura são as variáveis mais importantes: Adsorção: P e T (Exotérmica) Dessorção: P e T (Endotérmica) Operações de regeneração: PSA e TSA. Adsorventes: Área superficial específica [m 2 /g]; Tamanho e distribuição de partículas; Porosidade e distribuição de tamanho de poros; Tipos: Carvão ativado, PMC, sílica-gel, alumina ativada, PMZ (zeólita), silicato e adsorvente polimérico. Adsorção 6 / 40

Introdução Aplicação e Seleção de Adsorventes 1 Facilidade de separação: Se K 1 então destilação é proibitiva e adsorção pode ser uma escolha atrativa. 2 Concentração de soluto: Baixa concentração de soluto leva o balanço em favor da adsorção. 3 Condições de processo: Desejável se somente condições brandas (T e P) são permitidas para separação. Adsorção 7 / 40

Introdução Aplicação e Seleção de Adsorventes 4 Características dos adsorventes: (i) alta capacidade de adsorção; (ii) reversibilidade de adsorção; (iii) seletividade; (iv) fácil regeneração; (v) baixo custo; (vi) insolubilidade e (vii) boa resistência mecânica quando usado na forma de pérolas ou pellets. Adsorção 8 / 40

Adsorventes Comerciais Adsorção 9 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 1: Adsorventes importantes comercialmente e suas características. Adsorvente Características Usos Comerciais Carvão ativado Superfície hidrofóbica, odores Remoção de poluentes e sabores orgânicos do ar e água orgânicos de líquidos e gases Peneira molecular Separação baseada na diferença Produção de N 2 a partir de ar de carbono (PMC) de difusividade intrapartícula Sílica-gel Adsorvente de alta capacidade Secagem de ar e outros hidrofílica gases Alumina ativada Adsorvente de alta capacidade Secagem de correntes hidrofílica gasosas Fonte: Dutta (2007). Adsorção 10 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Figura 2: A rede estrutural da sílica-gel. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 11 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 2: Adsorventes importantes comercialmente e suas características (continuação). Adsorvente Vantagens Desvantagens Carvão ativado Adsorvente hidrofóbico mais Difícil regeneração se ocorre barato, carro-chefe do controle deposição, pode pegar fogo de polução na regeneração com ar Peneira molecular Único adsorvente prático para Única aplicação comercial é de carbono (PMC) adsorção seletiva de O 2 sobre N 2 em separação de ar Sílica-gel Maior capacidade do que peneiras Não muito efetivo para a moleculares de zeólitas (PMZs) redução de umidade a níveis baixíssimos Alumina ativada Maior capacidade do que PMZs Não tão efetivo quanto PMZs para remoção de traços de umidade Fonte: Dutta (2007). Adsorção 12 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 3: Adsorventes importantes comercialmente e suas características (continuação). Adsorvente Características Usos Comerciais Peneira molecular Superfície hidrofílica, canais Desidratação, separação de ar, de zeólita (PMZ) regulares polares separação de moléculas baseada em tamanho e forma Silicato Superfície hidrofóbica Remoção de orgânicos de correntes gasosas Adsorvente Copolímero de estireno- Remoção de orgânicos de polimérico divinilbenzeno é o mais correntes gasosa frequente Fonte: Dutta (2007). Adsorção 13 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações (a) Zeólita A (b) Zeólita X Figura 3: As estruturas de zeólitas. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 14 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 4: Adsorventes importantes comercialmente e suas características (continuação). Adsorvente Vantagens Desvantagens Peneira molecular Separação de moléculas Menor capacidade adsortiva de zeólita (PMZ) baseada em polaridade e do que muitos outros adsorventes geometria Silicato Pode ser regenerado por Bastante caro queima mais facilmente Adsorvente Menos propenso a deposi- Muito mais dispendioso do que polimérico ção do que carvão ativado carvão ativado Fonte: Dutta (2007). Adsorção 15 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 5: Sistemas comerciais de separação por adsorção. Separação Separação de gás a granel (>1% soluto) n-parafinas/iso-parafinas, aromáticos N 2 /O 2 O 2 /N 2 CO, CH 4, N 2, Ar, NH 3 de H 2 HCs de emissões Purificação de gás (<1% soluto) H 2 O/gás craqueado, gás natural, gás sinético CO 2 /C 2 H 4, gás natural HCs, solventes/correntes de ventilação Compostos sulfurados/gás natural, H 2, gás liquefeito de petróleo, etc. SO 2 /correntes de ventilação Poluentes do ar interior (COVs)/ar Emissões de ventilação de tanque/ar ou N 2 Odores/ar Adsorvente Zeólita Zeólita Peneira molecular de carbono Zeólita Carvão ativado Sílica-gel, alumina, zeólita Zeólita Carvão ativado Zeólita Carvão ativado Carvão ativado Carvão ativado Carvão ativado Fonte: Dutta (2007). Adsorção 16 / 40

Adsorventes Comerciais e Aplicações Tabela 6: Sistemas comerciais de separação por adsorção (continuação). Separação Separação de líquido a granel (>1% soluto) n-parafinas/iso-parafinas, aromáticos p-xileno/o-xileno, m-xileno Olefinas/parafinas Frutose/glucose Purificação de líquido (<1% soluto) H 2 O/orgânicos, orgânicos oxigenados, orgânicos halogenados Orgânicos, orgânicos halogenados/h 2 O Odores e sabores/h 2 O Compostos sulfurados/orgânicos Contaminantes coloridos/frações de petróleo, xaropes, óleo vegetais Produtos de fermentação/efluentes fermentados Adsorvente Zeólita Zeólita Zeólita Zeólita Sílica-gel, alumina, zeólita Alumina ativada, sílica-gel Carvão ativado Zeólita Carvão ativado Carvão ativado Fonte: Dutta (2007). Adsorção 17 / 40

Equilíbrio de Adsorção Adsorção 18 / 40

Equilíbrio de Adsorção Variáveis importantes: q é a massa adsorvida (de soluto) por unidade de massa de adsorvente (sólido); p é a pressão parcial de soluto para gases; c é a concentração de soluto, ou seja, massa de soluto por unidade de volume de solução. q é dado em função de p, para gases, ou c, para líquidos. Representação do equilíbrio: isoterma de adsorção: q p a T = constante; isóbara de adsorção: q T a P = constante; isóstera de adsorção: ln(p) 1/T a q = constante. Adsorção 19 / 40

Equilíbrio de Adsorção Figura 4: Os 5 tipos básicos de isotermas (p = pressão do adsorvato; P v = pressão de vapor saturado do adsorvato). Fonte: Dutta (2007). Adsorção 20 / 40

Equilíbrio de Adsorção Figura 5: Ilustração da adsorção em mono- e multicamadas e da condensação capilar. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 21 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de Langmuir: adsorção é proporcional a fração de área livre da superfície: q = q m Kp 1 + Kp (1) onde q m e K são parâmetros ajustáveis. q m representa a quantidade máxima adsorvida por massa de adsorvente (para p 1); para p 1, é uma isoterma linear : q = q m K p; indica adsorção em monocamadas. Adsorção 22 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de Langmuir: linearização da equação resulta em: p q = 1 p + 1 q m q m K (2) onde 1/q m é o coef. angular e 1/(q m K) é o coef. linear. Adsorção 23 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de Freundlich: quantidade adsorvida no equilíbrio segue uma lei de potência: q = K p 1/n (3) onde K e n são parâmetros ajustáveis. é uma isoterma linear para n = 1; linearização resulta em: log q = 1 n log p + log K (4) onde 1/n é o coef. angular e log K é o coef. linear Adsorção 24 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de Toth: útil para adsorventes heterogêneos como carvão ativado: q = q m p (b + p n ) 1/n (5) onde q m, b e n são parâmetros ajustáveis. Adsorção 25 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de SIPS: combina as equações de Langmuir e Freundlich: q = q m (K p) 1/n 1 + (K p) 1/n (6) onde q m, K e n são parâmetros ajustáveis. Adsorção 26 / 40

Equilíbrio de Adsorção Isotermas de Adsorção Isoterma de BET: indica adsorção em multicamadas para vários sistemas: q = q m c χ (1 χ)[1 + (c 1)χ] (7) onde: q é soluto adsorvido por massa de adsorvente; q m é soluto adsorvido em monocamada por massa de adsorvente; χ = p/p v ; P v é pressão de vapor do soluto a dada T; c é constante dependente de T. Adsorção 27 / 40

Equilíbrio de Adsorção Calor de Adsorção calor isostérico de adsorção é o tipo de calor de adsorção mais importante; equação de Clausius-Clapeyron: ( H) iso = RT 2 d ln p dt = R d ln p d(1/t) (8) pode ser determinado a partir de isotermas a diferentes temperaturas. Adsorção 28 / 40

Operação em Batelada e Leito Fixo Adsorção 29 / 40

Operação em Batelada (Vaso Agitado) O projeto de uma operação de adsorção em batelada (no estado estacionário) envolve a resolução de Relação de equilíbrio e Balanço material. Em uma operação a T constante, a relação de equilíbrio é representada por uma isoterma de adsorção: q = f(c) (1) O balanço material pode ser escrito como: q F M + c F = qm + cs (2) onde o subíndice F indica a condição de entrada, M é a massa de adsorvente e S é o volume de solução alimentada. Adsorção 13 / 19

Operação em Batelada (Vaso Agitado) A eq. 2 pode ser reescrita na forma de uma equação da reta: ( q = S ) ( c + q F + S ) M M c F (3) onde o subíndice 0 indica a condição inicial, M é a massa de adsorvente e S é o volume de solução alimentada. A resolução da combinação das eqs. 1 e 3, gráfica ou algebricamente, é a solução do problema. Adsorção 14 / 19

Operação Contínua (Leito Fixo) Operação de adsorção em leito fixo é descrita pelo conceito de zona de transferência de massa (ou zona de adsorção) (mass transfer zone - MTZ); É um problema em estado transiente onde a concentração do soluto na fase fluida e sólida varia com o tempo e a posição: c = f(z, t) e q = f(z, t); MTZ é vista pelos perfis de concentração para um dado tempo t ao longo do comprimento z do leito; A concentração é dada na forma adimensional: Fase sólida: q/q 0 e Fase fluida: c/c 0. Adsorção 15 / 19

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura Figura 6: Perfis de concentração da fase sólida a diferentes tempos. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 30 / 40

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura Figura 7: Perfis de concentração da fase sólida a diferentes tempos (continuação). Fonte: Dutta (2007). Adsorção 31 / 40

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura Figura 8: Perfis de concentração da fase sólida a diferentes tempos (continuação). Os perfis antes e após o tempo de ruptura, t b, são mostrados acima e abaixo, respectivamente. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 32 / 40

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura Figura 9: Evolução da concentração de soluto no gás a diferentes posições axiais (y b = concentração normalizada no ponto de ruptura). Fonte: Dutta (2007). Adsorção 33 / 40

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura (a) Figura 10: (a) zona de adsorção no tempo de ruptura (t = t b ), e (b) concentração do soluto no efluente em função do tempo. Fonte: Dutta (2007). (b) Adsorção 34 / 40

Zona de Adsorção e Ponto de Ruptura Figura 11: Propagação da zona de adsorção (MTZ) e da frente estequiométrica (SF) através de um leito recheado de adsorvente. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 35 / 40

Equipamentos e Processos de Adsorção Adsorção 36 / 40

Equipamentos de Adsorção Figura 12: Construção de um leito recheado de adsorção. Suporte do leito: esferas cerâmicas de 2 tamanhos; distribuidor radial de gás. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 37 / 40

Equipamentos de Adsorção Figura 13: Unidade contínua de adsorção em leito móvel. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 38 / 40

Regeneração de Adsorventes Figura 14: Isotermas de adsorção de um ciclo ideal de TSA. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 39 / 40

Regeneração de Adsorventes Figura 15: Esquema de uma unidade de PSA em 2 leitos para produção de oxigênio. Fonte: Dutta (2007). Adsorção 40 / 40