Projeto Problema do 5° Prêmio Rhodia-ABEQ (1996)
Para o controle da poluição atmosférica, são de fundamental importância os processos de dessulfuração, nos quais a redução de sulfeto de hidrogênio (H2S) é efetuada através da reação com anidrido sulfuroso (SO2), em presença de um catalisador adequado, produzindo-se enxofre elementar (S):
2 H2S + SO2 --> 3 S + 2 H2O Visando a industrialização desse processo, estudaram-se em escala de laboratório, as características cinéticas desse sistema reacional. No aparato experimental montado, um reator tubular vertical, a mistura reacional de SO2, H2S e outros gases inertes é alimentada na sua base. Água e catalisador dissolvido são alimentados no topo e são extraídos pela base, acompanhados do S em suspensão, formado pela reação no sistema de contato gás-líquido. Os gases residuais são extraídos pelo topo do reator, carregando também vapor d'água em equilíbrio. Para que a reação ocorra, os gases devem difundir-se na fase líquida, onde se encontra o catalisador, caracterizando assim uma situação de transferência de massa com influência da reação química.
O Anexo I apresenta alguns dados experimentais obtidos em laboratório, bem como as condições operacionais. O Anexo II apresenta um esboço do reator. O Anexo III apresenta o modelo matemático proposto e algumas das hipóteses básicas utilizadas no seu desenvolvimento.
Para futura construção de uma unidade industrial de recuperação de S a partir de uma mistura de H2S e SO2, pede-se que sejam elaborados os seguintes itens:
1. Escolha e justifique um tipo adequado de reator industrial de contato gás-líquido para executar o serviço;
2. Dimensione o reator escolhido, calculando suas dimensões principais e seus detalhes construtivos, para a seguinte situação:
Vazão total de gases: 30.000 Nm3/h à pressão atmosférica Gases na alimentação: H2S e SO2 em proporção estequiométrica (mistura a 1,5% em volume) e inertes Recuperação de S: 99,0 % 3. Identifique e justifique quais são as variáveis do projeto cujas incertezas são mais expressivas e quais mais contribuem para a incerteza no cálculo da altura desse reator;
4. Escolha e justifique o material de construção do reator;
5. Prepare uma folha de especificações (data-sheet) do reator;
6. Estime a ordem de grandeza do custo do reator conforme a folha de especificações (data-sheet);
7. Faça um diagrama seqüencial (sem os balanços de massa e energia) do processo de remoção de H2S de uma corrente gasosa;
8. Indique as dificuldades mais significativas que a operação, manutenção e controle desse reator poderá apresentar, e sugira como resolvê-las.
OBSERVAÇÕES
Utilize o sistema SI de unidades; Eventuais dados, informações e métodos adicionais utilizados para a resolução do problema, devem ser claramente relacionados, citando-se suas referências bibliográficas; Todas as hipóteses assumidas devem ser claramente apresentadas e justificadas; Simbologia e unidades devem ser apresentadas; A análise comparativa dos trabalhos submetidos irá considerar, além da sua correção técnica, os aspectos de organização, clareza e asseio.
Os presentes dados foram obtidos em reator de contato gás-líquido tubular vertical de laboratório. Os dados da tabela II.1 foram obtidos para uma concentração inicial de H2S (componente A) de 1,0 % em volume e uma concentração de catalisador de 0,0576 kmol/m3 de fase líquida.
Tabela II.1 - Dados de concentração de H2S (CAg) na saída do reator de laboratório em função do tempo
t (segundos) CAg (kmol/m3) 1,4 9,95 x 10-4 1,7 7,79 x 10-4 2,9 3,49 x 10-4 3,9 1,95 x 10-4 4,2 1,43 x 10-4 Os dados da Tabela II.2 foram obtidos para uma concentração inicial de H2S (componente A) de 1 % em volume e um tempo fixo de 3 segundos.
Tabela II.2 - Dados de concentração de H2S (CAg) na saída do reator de laboratório em função da concentração de catalisador (Ccat)
Ccat (kmol/m3) CAg (kmol/m3) 2,0x10-2 1,40 x 10-3 3,2x10-2 5,33 x 10-4 6,0x10-2 2,78 x 10-4 1,0x10-1 1,70 x 10-4 1,6x10-1 1,15 x 10-4 A operação e a análise dos dados do reator de laboratório, levou também às seguintes conclusões:
Para se evitar reações parasitas e facilitar a recuperação do enxofre na forma líquida, é necessário trabalhar a temperaturas superiores a 120 °C ; além disso a viscosidade do enxofre líquido passa por um máximo a 160 °C. Dessa forma, a faixa de temperatura de interesse, situa-se entre 130 e 150 °C; A estrutura geométrica do reator tem pouca influência na velocidade da reação; A reação entre H2S e SO2 dissolvidos é muito rápida, mesmo a 25 °C; A concentração de catalisador influencia a velocidade de reação a 130 °C. A reação ocorre na fase líquida, após a dissolução dos reagentes gasosos. A solubilidade dos gases na fase líquida a 130 °C é pequena, mas muito diferente para o H2S e o SO2 (o SO2 é cinco vezes mais solúvel que o H2S); Um excesso de H2S leva à conversão total de SO2, enquanto que um excesso de SO2 não consegue eliminar todo o H2S; Concentrações de catalisador superiores a 0,2 kmol/m3 de fase líquida eleva a velocidade de reações parasitas.
O modelo matemático proposto para o sistema de transporte de massa com influência da reação química presente no reator, segue a seguinte correlação:
CAg - Concentração de H2S na fase gasosa, kmol/m3 CAgo - Concentração de H2S na fase gasosa na entrada do reator, kmol/m3 Ccat - Concentração de catalisador na fase líquida, kmol/m3 K - Constante, m7/4/(kmol1/4.s) a - Área interfacial gás-líquido, m2/m3 t - Tempo, s O modelo matemático proposto foi desenvolvido analisando-se a transferência de massa da fase gasosa para a fase líquida, onde ocorre a reação. Considerou-se que a resistência à transferência de massa ocorre num filme de líquido, estacionário e imóvel na interface, onde os gases reagentes difundem-se (difusão molecular).
Para a construção do modelo matemático, adotaram-se as seguintes hipóteses:
A resistência à transferência de massa na fase gasosa é pequena, em relação à resistência da fase líquida; Concentração constante do SO2 na fase líquida, proporcional à concentração do SO2 na fase gasosa; A reação é rápida e o H2S reage totalmente no filme líquido; A cinética da reação é de ordem um com relação ao H2S e ao SO2; A lei de Henry é valida para o H2S; A variação de densidade dos gases pode ser ignorada; Escoamento tipo pistonado ("plug-flow").