VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
X-004 - EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DE CO2 EM UM LAVADOR DE GASES:
EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES DE LAVAGEM SOBRE A
QUANTIDADE DE CO2 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- no 293. Bairro: Nova Marambaia- PA; CEP: 66623-190.- Fone:
(91) 2310923; (91) 37546807 (Albras) - [email protected]
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 (Na2CO3, , NaOH ou KOH) através do gás CO2 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 CO2, o qual escoaria por uma das entradas inferiores indo em contracorrente com uma
solução de lavagem a base de Na2CO3, 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.
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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.
CO2 + AR
6
9
10
14
5
3
6
12
13
4
15
8
15
2
1
7
11
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; 7Reservatório de Líquido Absorvente; 8- Bomba de Recirculação; 9- Sistema de Aspersão; 10Manômetro; 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 cm2 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 cm2 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
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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 CO2 do cilindro (2) é controlada por um medidor (3), o
qual é misturado com ar na região de mistura (4), a mistura de ar + CO2 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 CO2 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 CO2 (v/v) foi medida utilizando-se um analisador dos produtos de combustão tipo ORSAT marca QUIMIS,
modelo Q-332-3.
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
100
30
75
26,4
50
15,9
25
5,5
ND = valor não detectado pelo instrumento
Saída
do lavador
6,5
5,75
2,7
ND
DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE CO2 ( v/v ).
O comportamento da absorção do dióxido de carbono frente a soluções de Na2CO3, , 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 CO2 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 Na2CO3 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
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54,6%. Ressalta-se também que a solução de Na2CO3 é um reagente classificado alto em relação ao grau de
importância industrial, quando o soluto é CO2 e o solvente é H2O, conforme PERRY e CHILTON, 1980.
Uma diminuição nos valores de eficiência do lavador utilizando as soluções de Na2CO3, 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 CO2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções
de Na2CO3.
Abertura
(%)
100
75
50
25
100
75
50
25
Concentração da solução de Na2CO3 = 2% em m/v ou 0,014N
∆P
Volume CO2 (mL)
T
Eficiência (%) Eficiência media
(oC) (mmH2O) Entrada
Saída
(%)
30
13
0,2
0,0
100
28
14
0,3
0,0
100
28
13
0,4
0,0
100
30
14
0,6
0,0
100
90,3
28
14
0,6
0,2
67
29
12
0,8
0,2
75
29
8
0,4
0,0
100
30
8
0,8
0,2
50
83.3
28
8
0,8
0,0
100
29
3
0,5
0,0
100
30
3
0,6
0,2
67
80,3
31
3
1,0
0,2
80
28
0
0,6
0,2
67
28
0
0,8
0,2
75
69,6
28
0
1,2
0,4
67
Concentração da solução de Na2CO3 = 1% em m/v ou 0,007N
31
31
30
29
29
30
30
31
32
32
30
30
13
13
13
8
8
8
3
3
3
0
0
0
0.4
0.6
0,8
0,4
0,6
0,8
0,6
0,8
0,8
0,8
1,0
1,6
0,2
0,2
0,4
0,1
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,8
1,2
50
67
50
75
33
50
33
50
50
50
20
25
55,6
52,6
44,3
31,6
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%.
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Tabela 3: Medidas de concentração de CO2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções
de NaOH.
Abertura (
%)
100
75
50
25
100
75
50
25
Concentração da solução de NAOH = 3,75% em m/v ou 0,0937N
∆P
Volume CO2 (mL)
T
Eficiência (%)
Eficiência media
(mmH2O)
(oC)
Entrada
Saída
(%)
30
14
0,8
0,0
100
31
14
1,0
0,2
80
82,3
31
14
1,2
0,4
67
30
8
0,8
0,2
75
30
8
0,8
0,2
75
70
30
8
1,0
0,6
60
30
3
0,8
0,4
50
29
3
1,0
0,3
70
66,6
29
3
1,0
0,2
80
30
0
1,0
0,5
50
29
0
1,0
0,4
60
59
29
0
1,2
0,4
67
Concentração da solução de NaOH = 2,5% em m/v ou 0,0625N
29
29
30
29
14
14
14
8
1,0
0,8
1,0
1,2
0,3
0,0
0,6
0,6
70
100
40
50
29
29
28
28
29
29
30
30
8
8
3
3
3
0
0
0
1,0
1,0
1,0
1,2
1,2
0,8
0,8
1,0
0,4
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,4
0,5
60
20
40
50
67
50
50
50
70
57
52
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 Na2CO3 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).
 Entrada − Saída 
Ef = 
.100
Entrada


equação (1)
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 ).
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Tabela 4: Medidas de concentração de CO2 na entrada (e) e na saída (s) do lavador utilizando soluções
de KOH
Abertura ( %)
100
75
50
25
100
75
50
25
Concentração da solução de KOH = 0,75% em m/v ou 0,0137N
T ∆P (mmH2O) Volume CO2 (mL)
Eficiência (%)
Eficiência media
(oC)
Entrada
Saída
(%)
30
14
0,8
0,1
85
30
14
1,0
0,2
80
81,6
31
14
1,0
0,2
80
26
8
0,8
0,2
75
28
8
1,0
0,3
70
75
28
8
1,0
0,2
80
28
3
1,2
0,4
75
29
3
1,0
0,4
60
70
29
3
0,8
0,2
75
29
0
1,0
0,5
50
29
0
1,0
0,3
70
62,3
29
0
1,2
0,4
67
Concentração da solução de KOH = 0,5% em m/v ou 0,009N
29
29
30
29
30
30
29
29
29
29
28
28
14
14
14
10
10
10
3
3
3
0
0
0
0,6
1,0
1,0
0,8
1,4
1,6
1,0
1,2
1,0
1,0
1,2
1,4
0,2
0,2
0,2
0,4
0,4
0,4
0,2
0,4
0,6
0,6
0,6
0,4
67
80
80
50
70
75
80
67
40
40
50
70
75,6
65
62,3
53,3
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 CO2 em função das concentrações de lavagem (C)
de Na2CO3, 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.
Ef = a + b.Cc
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 Na2CO3 (0,9778), NaOH (0,9910) e KOH (0,9978) podem ser considerados
satisfatórios.
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Figura 2: Resultados experimentais das soluções de Na2CO3, 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.
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A equação matemática utilizada neste estudo para ajustar os dados de remoção do poluente CO2 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 Na2CO3, 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 CO2 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%
(Na2CO3), 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 Na2CO3 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.
2.
3.
4.
5.
6.
CALDAS, J. N.; LACERDA, A. I. Torres Recheadas. Coleção Tecnologia Brasileira. JR Editora
Ltda. Rio de Janeiro. 1988.
CAMPOS, L. M. Eficiência de Remoção de CO2 em um Lavador Direto de Gases: Efeito da
Concentração das Soluções de Lavagem. Belém. 2001. Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de
Engenharia Química do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Pará. 2001.
HOFFMANN ,R VIEIRA, S. Análise de regressão: uma introdução á econometria. São Paulo: Hucitec
, 1997.
LOBATO, I. C. Estudo do Lavador de Gases Centrífugo no Controle das Emissões de SO2. Belém.
1998. Dissertação de Mestrado apresentada ao curso de Engenharia Química do Centro Tecnológico da
Universidade Federal do Pará. 1998.
PERRY, R: CHILTON, C. H.. Manual de Engenharia Química, 5aed. , Rio de Janeiro, Ed. Guanabara
Dois, UFRJ, 1980.
STERN, A. C. ; Air pollution : engineering control of pollution. Third edition, volume IV. p. 67.
Academic Press, 1977.
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