Uma corrente gasosa com uma vazão de 50 \mathrm{kgmol} / \mathrm{h} e contendo 12,5 \% CO2 e o restante de hidrocarbonetos, é tratada em uma coluna absorvedora para reduzir o teor de CO2 a um máximo de 1,0 \%. O solvente utilizado neste processo é a MEA (mono etanol amina) que contém 0,15 \mathrm{~mol} de CO2 por mol de MEA, que absorve apenas o CO2. A solução rica em CO2 não deverá conter mais do que 0,45 \mathrm{~mol} de CO2 por mol de MEA. Determine a composição mássica da solução rica em CO2, sabendo-se que as massas moleculares do CO2 e da MEA são, respectivamente, 44 e 61 . Esquematize o fluxograma do sistema, nomeando todas as correntes e incluindo todas as informações conhecidas e faça a respectiva análise de graus de liberdade. Determine o % de absorção de CO2 na coluna absorvedora e a vazão de alimentação de MEA.

Passo 1

O enunciado descreve um processo de absorção de CO _2 em uma coluna, onde entra uma corrente gasosa de F_G=50 kmol/h contendo 12{,}5\% de CO _2 (restante hidrocarbonetos) e sai gás purificado com 1{,}0\% de CO _2. O solvente é MEA cuja alimentação (solução “lean”) tem carregamento \beta_L=0{,}15 mol CO _2/mol MEA e a solução rica não pode exceder \beta_R=0{,}45 mol CO _2/mol MEA.
Conteúdo: balanços globais e de componente em estado estacionário, além de relações de carregamento do solvente. Vamos:
1) esquematizar fluxograma e analisar graus de liberdade;
2) calcular vazões e % de absorção de CO _2;
3) determinar vazão de alimentação de MEA;
4) composição mássica da solução rica.

Passo 2

Fluxograma (coluna de absorção):
– Corrente 1: gás alimento, F_G=50 kmol/h, y_{CO_2,F}=0{,}125.
– Corrente 2: solvente lean, composição \beta_L=0{,}15 mol CO _2/mol MEA.
– Corrente 3: gás purificado, y_{CO_2,3}=0{,}010, vazão G.
– Corrente 4: solvente rico, composição \beta_R=0{,}45 mol CO _2/mol MEA.
Incógnitas: \;G,\;S_{L,\text{MEA}},\;S_{L,CO_2},\;S_{R,\text{MEA}},\;S_{R,CO_2} (total de 5 incógnitas).
Equações:
1) balanço total de gás;
2) balanço de CO _2 no gá s+absorção;
3) balanço de MEA;
4) balanço de CO _2 no solvente;
5) \,S_{L,CO_2}=0{,}15\,S_{L,\text{MEA}};
6) \,S_{R,CO_2}=0{,}45\,S_{R,\text{MEA}}.
Total de 6 equações para 5 incógnitas, mas a especificação de carregamento rico fixa o grau de liberdade; o sistema fica determinado.

Passo 3

Balanço sobre o gás na coluna (somente CO _2 e hidrocarbonetos (HC)):
HC não reage, sai todo na corrente 3:
G\,(1-0{,}01)\;=\;50\,(1-0{,}125) \quad\Longrightarrow\quad G\;=\;\frac{50\times0{,}875}{0{,}99}\;=\;44{,}1919\;\text{kmol/h}.
CO _2 alimentado: 50\times0{,}125=6{,}25 kmol/h.
CO _2 na saída de gás:
CO_{2,3}=G\times0{,}01=0{,}4419\;\text{kmol/h}.
Portanto CO _2 absorvido:
N_{abs}=6{,}25-0{,}4419=5{,}8081\;\text{kmol/h}.

Passo 4

Percentual de absorção de CO _2:
\%\;=\;\frac{5{,}8081}{6{,}25}\times100\%=92{,}93\%.

Passo 5

Balanços no solvente (MEA não é consumida): \,S_{R,\text{MEA}}=S_{L,\text{MEA}}=S_{\text{MEA}}.
CO _2 no rico menos no lean = CO _2 absorvido:
0{,}45\,S_{\text{MEA}} \;-\;0{,}15\,S_{\text{MEA}} \;=\;5{,}8081 \;\Longrightarrow\; 0{,}30\,S_{\text{MEA}}=5{,}8081 \;\Longrightarrow\; S_{\text{MEA}}=19{,}3603\;\text{kmol/h}.

Passo 6

Composição da solução rica (molar e mássica):
– Moles CO _2 no rico: 0{,}45\times19{,}3603=8{,}7121 kmol/h.
– Moles totais ricos: 19{,}3603+8{,}7121=28{,}0724 kmol/h.
– Fração molar CO _2: 8{,}7121/28{,}0724=0{,}3103.
– Fração molar MEA: 0{,}6897.
– Massas:
m_{CO_2}=8{,}7121\times44=383{,}333\;\text{kg/h}, \quad m_{MEA}=19{,}3603\times61=1\,181{,}579\;\text{kg/h}.
– Frações mássicas:
w_{CO_2}=\frac{383{,}333}{383{,}333+1\,181{,}579}=0{,}2451\;(24{,}51\%), \quad w_{MEA}=0{,}7549\;(75{,}49\%).

Resposta

Composição mássica da solução rica: 24{,}5\% de CO _2 e 75{,}5\% de MEA.
Percentual de absorção de CO _2: 92{,}93\%.
Vazão de alimentação de MEA: 19{,}36 kmol/h.

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