O documento discute o processo de absorção, que envolve a remoção seletiva de componentes de uma mistura gasosa através do contato com um solvente líquido. O processo é usado em diversas indústrias químicas para separação e purificação de gases. A escolha apropriada do solvente é crucial para obter uma absorção eficiente.

1. Absorção
O coração de uma indústria Química é, em geral, o reactor onde a reacção entre vários
componentes dá origem ao produto que se pretende comercializar. Ironicamente, os
equipamentos maiores e mais caros são aqueles onde ocorrem os processos de
separação e purificação desse produto. Os processos mais usados são a destilação e a
absorção de gases, embora a utilização de membranas esteja actualmente em franca
expansão. Por isso, a compreensão destes processos e o projecto destas colunas são
fulcrais para um Engenheiro Químico. As preocupações ambientais têm aumentado o
uso do processo de absorção de gases que é um dos métodos principais de controlo da
poluição do ar industrial, pelo que este assunto deveria também fazer parte
dos curricula de um Engenheiro do Ambiente! O DL 286/93 estabelece, por exemplo,
os limites de emissão de unidades industriais para SO2, NOx e CO os valores de 50, 30
e 100 kg/h, respectivamente.
Nesta secção apresentam-se os Fundamentos associados ao Processo de Separação
“Absorção” que inclui a Bibliografia de apoio, seguindo-se os Modelos usados no
Dimensionamento das Colunas de Pratos e de Enchimento. Por fim, ilustra-se o
processo de dimensionamento das colunas com alguns Casos de Estudo.
Fundamentos
A absorção de gases (designada em língua inglesa por “Gas Absorption” ou ainda por
“Scrubbing”) é um processo com o qual se pretende remover preferencialmente um ou
mais componentes de uma mistura gasosa por contacto com uma corrente líquida onde
esses componentes se dissolvem. A operação inversa chama-se Desabsorção
(“Desorption” ou “Stripping”), na qual um componente dissolvido num líquido passa
para a fase gasosa. Embora a transferência de massa ocorra em direcções opostas os
princípios físicos associados tanto à Absorção como à Desabsorção são os mesmos. O
componente transferido de uma fase para outra é designado por Soluto, a corrente
gasosa é composta pelo gás soluto e o Gás de Transporte (ou inerte), e a corrente
líquida é constituída pelo Solvente e o soluto.
Os processos de Absorção e Desabsorção são muito usados para produção, separação
e purificação de misturas gasosas e concentração de gases, na produção de ácidos
(sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de amoníaco, de amónia, de formaldeído, de
carbonato de sódio, no tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias do
petróleo, na remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável (como o gásH2S),
na purificação de gases industriais e na separação de hidrocarbonetos gasosos. Para
regenerar o solvente, ou para obter a corrente gasosa na sua forma pura, pode elevar-se
a temperatura ou pode usar-se vapor de água numa coluna de desabsorção, também
designada coluna regeneradora (Fig. 1). Como exemplos, refira-se a absorção de
NH3 em água (NH4OH) a partir do ar, seguido de elevação de temperatura para
recuperação do NH3.
Seleção de solvente

2. A absorção de gases (designada em língua inglesa por “Gas Absorption” ou ainda por
“Scrubbing”) é um processo com o qual se pretende remover preferencialmente um ou
mais componentes de uma mistura gasosa por contacto com uma corrente líquida onde
esses componentes se dissolvem. A operação inversa chama-se Desabsorção
(“Desorption” ou “Stripping”), na qual um componente dissolvido num líquido passa
para a fase gasosa. Embora a transferência de massa ocorra em direcções opostas os
princípios físicos associados tanto à Absorção como à Desabsorção são os mesmos. O
componente transferido de uma fase para outra é designado por Soluto, a corrente
gasosa é composta pelo gás soluto e o Gás de Transporte (ou inerte), e a corrente
líquida é constituída pelo Solvente e o soluto.
Os processos de Absorção e Desabsorção são muito usados para produção, separação
e purificação de misturas gasosas e concentração de gases, na produção de ácidos
(sulfúrico, clorídrico, nítrico e fosfórico), de amoníaco, de amónia, de formaldeído, de
carbonato de sódio, no tratamento de gases de combustão do carvão e de refinarias do
petróleo, na remoção de compostos tóxicos ou de odor desagradável (como o gásH2S),
na purificação de gases industriais e na separação de hidrocarbonetos gasosos. Para
regenerar o solvente, ou para obter a corrente gasosa na sua forma pura, pode elevar-se
a temperatura ou pode usar-se vapor de água numa coluna de desabsorção, também
designada coluna regeneradora (Fig. 1). Como exemplos, refira-se a absorção de
NH3 em água (NH4OH) a partir do ar, seguido de elevação de temperatura para
recuperação do NH3.
Figura 01: Absorção seguida de desabsorção para regeneração do solvente.
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3. SELECÇÃO DO SOLVENTE
O processo de Absorção/Desabsorção é um processo de transferência de massa que
explora diferenças na solubilidade gás/líquido dos diferentes componentes de uma
mistura que se pretende tratar. Por isso, um dos pontos críticos para se obter uma
eficiente separação é a escolha do solvente (no caso da absorção) ou do gás de
transporte (no caso da desabsorção) a usar. Se o objectivo principal for a produção de
um composto específico, a selecção do solvente é restringida pela natureza do produto.
No caso da remoção de impurezas de um gás, há maior liberdade de escolha. Como já
se disse acima, um dos factores a considerar na escolha de um solvente é a
solubilidade do soluto, devendo esta ser elevada para se obter uma maior velocidade
de absorção e para necessitar de menor quantidade de líquido. Um outro factor é a
natureza química do soluto e do solvente que devem ser semelhantes para aumentar a
solubilidade. O solvente pode ser um líquido não reactivo e a solubilização do soluto é
apenas um processo físico (forças de interacção de Van der Waals), ou pode ser um
líquido que produz uma reacção rápida com o soluto o que faz aumentar a velocidade
de absorção e a quantidade a ser absorvida. Este último tipo de solvente químico é
usado, em geral, quando o soluto se encontra em baixas concentrações pois é um
processo mais selectivo (maior solubilidade do soluto), mas a reacção deve ser
reversível para que o soluto seja removido numa segunda coluna e não sejam
produzidas grandes quantidades de resíduos. Um solvente reactivo é também usado
quando se pretende converter um composto perigoso num composto mais inócuo.
A capacidade que um solvente tem de absorver um soluto gasoso A é função da sua
pressão parcial CA=f(pA), sendo CA a concentração na fase líquida. Por isso, a
absorção física é mais indicada para misturas mais concentradas (>pA). Esta relação
funcional depende da temperatura e do tipo de solvente. Em geral, a solubilidade do
gás diminui com a temperatura. Como exemplos, pode usar-se solventes físicos como
o etilenoglicol ou o carbonato de propileno para remover tanto o gás H2S como o
CO2 de correntes gasosas mais concentradas (~10 a ~50%), e, para concentrações mais
baixas destes (~1 a ~10%, nomeadamente em gases de combustão), usar-se soluções
aquosas de alcanolaminas (como a monoetanolamina, MEA, dietanolamina, DEA, ou
a trietanolamina, TEA) que reagem reversivelmente com estes compostos. A
regeneração pode ser feita por diminuição de pressão, no primeiro caso, ou por
aumento de temperatura (para que o soluto vaporize) no segundo caso, originando, no
entanto, maiores gastos energéticos. Se apenas houver quantidades vestigiais de H2S
ou CO2, pode usar-se NaOH, que reage irreversivelmente. Na produção de amónia,
por exemplo, uma corrente gasosa contendo ar e amoníaco é colocada em contacto
com água onde o amoníaco é preferencialmente absorvido, uma vez que o ar é muito
pouco solúvel em água. No controlo da poluição os vários óxidos de azoto podem ser
removidos por absorção com água, ácido sulfúrico ou soluções orgânicas (Cussler,
1997, Strigle, 1987).
O solvente também deve ter baixa pressão de vapor (baixa volatilidade) para reduzir a
perda de solvente para a corrente gasosa. Além disso, deve ter baixa viscosidade para
a velocidade de absorção e a transferência de calor serem elevadas e os custos de
bombagem serem baixos. Por fim, o solvente deve ser barato e acessível, não tóxico,
não inflamável, estável quimicamente e não corrosivo para não encarecer o material
de construção do equipamento. A maioria dos solventes físicos são solventes

4. orgânicos com elevado ponto de ebulição e baixa pressão de vapor, baixa viscosidade
e não corrosivos em contacto com metais comuns.
O processo de absorção é, em geral, exotérmico, sendo acompanhado pela libertação
de calor. Neste portal será apenas abordado o caso da absorção/desabsorção de apenas
um componente, considerando-se que os outros gases não são solúveis no líquido
(inertes) e que o líquido não é volátil. Além disso, só se abordará a absorção física e
isotérmica.
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EQUILÍBRIO DE FASES
Quando se coloca uma mistura gasosa em contacto com um líquido no qual um dos
componentes é solúvel, como no caso do NH3 na Fig. 2, a composição do soluto no
líquido vai evoluir até atingir um valor de equilíbrio dinâmico (isto é, quando igual
número de moléculas de soluto passarem da fase gasosa para a fase líquida e no
sentido inverso). Diz-se que se atingiu o valor da Solubilidade do soluto no líquido,
para as condições em que foi realizada a experiência. A solubilidade do gás no líquido
é uma função da natureza de ambos os componentes, da temperatura, da pressão
parcial do gás na fase gasosa e da composição do líquido. A solubilidade diminui com
a temperatura e aumenta, em geral, com a pressão total (até 5 atm). Usando diferentes
valores de pressão parcial de NH3, no ensaio ilustrado na Fig. 2, obtêm-se diferentes
valores de concentração na fase líquida. Pode-se assim construir uma tabela ou gráfico
da chamada curva de equilíbrio, para diferentes temperaturas, e sistemas gás/líquido.
É, no entanto, mais adequado usar para efeitos computacionais uma equação algébrica
do tipo yi=f(xi) que descreva essa curva de equilíbrio. No caso da Fig. 2 basta aplicar a
lei de Dalton para converter a pressão parcial de NH3 em fracção molar (ordenada do
gráfico), enquanto a abcissa (mNH3/100 kgH2O) pode ser convertida em fracção molar
pela equação 1, onde MNH3 é a massa molar do amoníaco:
(1)
Para sistemas ideais (gás e líquido), as composições de equilíbrio estão relacionadas
linearmente entre si sendo a constante de proporcionalidade o valor da pressão de
vapor do soluto puro (p*A,σ) – esta relação é conhecida como a lei de Raoult e o seu
formalismo matemático está apresentado na Eq.2 onde pAi é a pressão parcial do
soluto na fase gasosa e xAi a fracção molar de soluto na fase líquida, ambas nas
condições de equilíbrio. No entanto, a maioria das misturas não são ideais. Contudo,
quando são usadas concentrações baixas (p.e. x<0,05), em parte delas verifica-se
também uma dependência linear, esta descrita pela lei de Henry – Eq.3 ou 4. Chamase a atenção para as unidades da constante de Henry (H) as quais dependem do
formalismo usado para transcrever a lei de Henry. Para converter a Eq. 3 na Eq 4 basta
dividir ambos os termos pela pressão total (lei de Dalton) pelo que a constante de
Henry na Eq. 4 é independente da pressão total. Quando os gases são muito solúveis
bastam pequenas pressões parciais no gás para se obterem concentrações elevadas no
líquido, pelo que a constante de Henry tem um valor baixo, enquanto sucede o
contrário para gases pouco solúveis (Fig 3). Como se pode ver, para sistemas que
sigam a lei de Raoult ou a de Henry, a curva de solubilidade é uma recta, permitindo

5. simplificar a metodologia de cálculo do dimensionamento das colunas como se verá
nas secções seguintes.
(2)
[H´]=Pa.fracção molar-1
[H]=fracção molar.fracção molar-1
Figura 02: Dados de equilíbrio NH3/H2O a diferentes temperaturas (adaptado de
International Critical Tables, 1929)
(3)
(4)

6. Figura 03: Efeito da temperatura e do tipo de gás soluto no valor da constante de
Henry referente à solubilização em água (adaptado de International Critical Tables,
1929).
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EQUIPAMENTO
A velocidade de transferência de massa depende, como se viu na
secção “Transferência de Massa”, da área de transferência, da driving-force, e do
coeficiente de transferência de massa.
A área para transferência de massa, ou área de contacto gás/líquido, pode ser
aumentada por divisão das correntes líquida e/ou gasosa em pequenas porções. Isto é
efectuado com recurso à passagem de gás pelos espaços vazios de um leito poroso
cheio de material inerte (o enchimento), o qual está banhado de líquido, ou ainda à

7. utilização de pratos com orifícios por onde passam pequenas bolhas de gás que
estabelecem contacto com a corrente líquida no topo do prato como mostra a Fig. 4.
Assim, este Processo de Separação é comum ser efectuado em colunas cilíndricas
verticais (ou torres), sendo o objectivo deste portal o seu dimensionamento, isto é, a
determinação do diâmetro da coluna e da altura de enchimento, num caso, e da
determinação do número de pratos (ou andares) no outro. O enchimento pode ter
diversas configurações como mostra a Fig. 5 (enchimento desordenado, como anéis de
Raschig, de Lessing ou de Pall, Selas de Berl, etc, e enchimento ordenado ou
estruturado) e os pratos podem ser de vários tipos: perfurados, de campânula, de
válvulas, etc. Na secção Destilação/Interior da coluna são apresentados alguns
exemplos destes dispositivos. Para promover o contacto contínuo gás/líquido pode
ainda utilizar-se atomizadores (ou colunas de spray) e colunas de borbulhamento de
gás.
Como se pode concluir pela análise do equipamento ilustrado na Fig. 4 o processo é
influenciado pela mecânica dos fluidos, sendo o escoamento complexo e descrito
largamente por correlações empíricas. A escolha do equipamento depende do caudal
de gás a tratar, do grau de separação a obter, da razão entre os caudais de líquido e de
gás, da facilidade da remoção de calor, da simplicidade de construção, da resistência
hidráulica, da impureza dos fluidos, das propriedades físicas do sistema e da sua
corrosividade. Para além destes factores, as colunas com enchimento permitem operar
tanto em contra-corrente como em co-corrente, enquanto nas de pratos só é possível
operar em contra-corrente (fluxos de gás e de líquido em direcções opostas). Contudo,
é esta última condição de operação que permite maiores driving-forces. Remete-se
para a Bibliografia, a listagem das vantagens e desvantagens de cada um destes
equipamentos e em que circunstâncias uns devem ser preferidos a outros. De forma
resumida adianta-se que a diferença de custo entre as colunas de pratos e de
enchimento não é grande embora as últimas sejam mais caras. Estas são escolhidas
quando o diâmetro é inferior a 0,6 m e quando é necessário menor queda de pressão
ou maior variedade de materiais de construção. As primeiras são escolhidas quando
não se tem de usar caudais de líquidos baixos e permitem maiores tempos de
residência do líquido, controlo de temperatura (pelo uso de serpentinas) e são mais
fáceis de limpar. Como regra, a coluna de pratos deve ser escolhida quando o diâmetro
é elevado e quando é necessário mais de 20 andares.

8. Figura 04: Coluna com enchimento e coluna de pratos perfurados (adaptado de Bird et
al., 1969)
Figura 05: Exemplos de enchimentos – anéis de Raschig (vidro), anéis de Pall
(metálicos) e anéis de Lessing (cerâmicos).
Quanto maior for o afastamento das condições de equilíbrio (driving-force), isto é,
quanto menor for a quantidade de soluto no líquido relativamente ao máximo que é
capaz de absorver (solubilidade), maior será a velocidade de absorção. Enquanto este
dado termodinâmico estabelece o máximo de separação que é possível obter, o
coeficiente de transferência de massa descreve a rapidez com que ocorre o processo de
separação. Estes coeficientes são difíceis de prever uma vez que dependem das
condições operatórias (T, P), da composição, das propriedades físicas de ambas as
fases, da velocidade e do tipo de regime. Por isso, é comum recorrer a correlações
empíricas obtidas experimentalmente para situações semelhantes, podendo, no
entanto, o erro na sua estimativa ascender a 25%. A Absorção é um dos Processos de
Separação à escala industrial onde se a utiliza mais intensivamente para a sua

9. descrição analítica este conceito de coeficiente de transferência de massa desenvolvido
na secção “Transferência de Massa”. No entanto, enquanto a absorção de gases
numa coluna de enchimento é um exemplo de “contacto diferencial” (contínuo) que
depende directamente dos coeficientes de transferência de massa, a absorção em
colunas de pratos é um “contacto por andares” (descontínuo) onde se pressupõe a
existência de equilíbrio entre fases, conceito este já definido naintrodução aos
Processos e Operações Unitárias .
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PROJECTO DA COLUNA
Os cálculos de projecto da coluna de absorção assentam em quatro princípios básicos
que serão analisados mais em pormenor nas secções seguintes:
- extensão da separação (que afecta a altura da coluna – número de andares ou altura
de enchimento); é necessário conhecer as condições de equilíbrio para o sistema e
efectuar balanços mássicos; o custo da coluna é, em geral, logarítmico: remover 99%
do soluto custa duas vezes mais do que remover 90% e duas vezes mais remover
99,9% do que 99%;
- o tempo de contacto ente fases que depende da velocidade de transferência de massa
(eficiência do prato no caso do contacto por andares);
- a queda de pressão/caudais permitidos (que fixa o diâmetro da coluna);
- as necessidades energéticas (mecânicas e eléctricas) – bombagem dos fluidos,
dispersão de líquidos e gases.
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