A condensação de vapor a montante altera a alimentação do absorvedor antes que a absorção comece. Quando uma mistura de gás quente é resfriada em um trocador de calor a montante, o vapor condensável torna-se líquido e deixa a fase gasosa. Portanto, o absorvedor recebe um fluxo total de gás menor, um peso molecular médio diferente e concentrações de soluto revisadas; assim, seu balanço de massa, razão gás-líquido, eficiência de remoção e cálculos de dimensionamento devem ser todos atualizados.

O balanço do absorvedor deve ser baseado no gás que permanece após a condensação, não na alimentação original de gás quente. Calcule a quantidade condensada nas condições de saída do trocador de calor, remova-a da corrente em fase gasosa e, em seguida, converta o fluxo de gás restante para a temperatura e pressão de operação do absorvedor.

Por que a condensação altera a alimentação do absorvedor

A condensação remove material da fase gasosa

Na temperatura e pressão de saída do trocador de calor, um componente condensável pode exceder sua pressão de vapor de equilíbrio. O excesso deixa a fase gasosa como líquido.

Para um cálculo simples, a quantidade condensada é determinada a partir da quantidade de vapor de entrada e do vapor que permanece na condição de equilíbrio de saída:

[ n_{\text{condensado}} = n_{\text{vapor,entrada}} - n_{\text{vapor,saída}} ]

A quantidade de vapor de saída deve ser baseada na temperatura e pressão de saída do trocador de calor, e não apenas na composição de entrada.

O fluxo molar total de gás diminui

O fluxo de gás pós-resfriamento é:

[ n_{\text{gás,saída}} = n_{\text{gás,entrada}} - n_{\text{condensado}} ]

Este fluxo reduzido é a alimentação de gás real para o absorvedor, assumindo que o líquido condensado seja removido antes de entrar na coluna.

A mudança pode ser substancial quando o gás original contém uma grande quantidade de vapor de água ou outro componente transportador condensável.

A composição do gás é re-normalizada

A remoção de líquido de um componente altera sua fração molar na fase gasosa e altera a concentração relativa de cada componente que permanece no gás.

Para o componente (i):

[ y_{i,\text{absorvedor}} = \frac{n_{i,\text{gás,saída}}} {n_{\text{gás,saída}}} ]

Isso significa que a composição da alimentação do absorvedor não pode ser obtida simplesmente transportando as frações molares de entrada originais para jusante.

Como realizar o balanço sequencial

Comece com a entrada de gás quente

Defina a corrente de entrada em uma base consistente, como quilomols por hora:

[ n_{\text{entrada}} = n_{\text{condensável,entrada}} + n_{\text{soluto-absorvedor,entrada}} + n_{\text{inerte,entrada}} ]

O soluto do absorvedor pode ser amônia, um gás ácido ou outra espécie quimicamente reativa. Gases inertes e componentes não condensáveis geralmente permanecem na fase gasosa durante o resfriamento a montante comum.

Determine o vapor que permanece após o resfriamento

Use a temperatura e a pressão de saída do trocador de calor para determinar quanto vapor condensável pode permanecer em equilíbrio com a fase líquida.

Para a água, por exemplo, a pressão parcial do vapor de saída não pode exceder a pressão de saturação na temperatura de saída quando a água líquida está presente:

[ p_{\text{água}} = y_{\text{água}}P ]

Se a pressão parcial calculada exceder a pressão de saturação, ocorre condensação até que a condição de equilíbrio seja satisfeita.

Em um projeto mais rigoroso, o cálculo pode exigir dados de equilíbrio líquido-vapor para a mistura gasosa completa, especialmente quando amônia, gases ácidos ou outras espécies solúveis estão presentes.

Remova o líquido condensado

A quantidade condensada é removida da corrente de gás:

[ n_{\text{líquido}} = n_{\text{condensado}} ]

As quantidades dos componentes da fase gasosa restante são então usadas como entrada do absorvedor. A taxa de produto líquido também pode ser convertida para fluxo de massa:

[ \dot{m}{\text{líquido}} = n{\text{líquido}}MW_{\text{líquido}} ]

Este líquido pode ser rico em água, mas também pode conter soluto do absorvedor dissolvido ou arrastado.

Recalcule o peso molecular médio

O peso molecular médio do gás muda após a condensação:

[ \overline{MW}_{\text{gás}} = \sum_i y_iMW_i ]

Isso afeta a conversão de fluxo de massa, densidade do gás, velocidade superficial e cálculos de equipamentos.

Um cálculo que mantém o peso molecular médio original após a remoção de um componente de vapor importante pode produzir taxas de fluxo de massa e volumétrico inconsistentes.

Converta o fluxo de gás para as condições do absorvedor

O fluxo de gás que entra no absorvedor deve ser ajustado da base de saída do trocador de calor para as condições de operação do absorvedor:

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) ]

Para gases não ideais, inclua a correção do fator de compressibilidade:

[ \dot{V}_{2}

\dot{V}{1} \left(\frac{T{2}}{T_{1}}\right) \left(\frac{P_{1}}{P_{2}}\right) \left(\frac{Z_{2}}{Z_{1}}\right) ]

As temperaturas devem ser absolutas e as pressões devem usar uma base absoluta consistente.

Como o balanço do absorvedor é afetado

O balanço de massa do lado do gás começa em uma nova condição de alimentação

Para um soluto transferido do gás para o líquido:

[ n_{\text{soluto,entrada}}

n_{\text{soluto,saída}} + n_{\text{soluto,absorvido}} ]

O termo de entrada deve representar o fluxo de soluto após a condensação a montante. Se o próprio soluto permanecer gasoso, seu fluxo molar absoluto pode ser aproximadamente inalterado, mas sua fração molar aumenta quando uma quantidade maior de vapor transportador foi removida.

A razão gás-líquido muda

A razão gás-líquido do absorvedor é baseada no fluxo de gás revisado e no fluxo real de absorvente:

[ \frac{G}{L}

\frac{\text{fluxo de gás entrando no absorvedor}} {\text{fluxo de absorvente líquido}} ]

A condensação geralmente reduz (G), a menos que o condensado seja intencionalmente combinado com o líquido do absorvedor. Isso altera a linha de operação e pode afetar a taxa de circulação de solvente necessária.

A concentração de soluto pode aumentar ou diminuir

Se apenas um vapor transportador, como a água, condensa, o gás restante contém uma fração molar maior do soluto não condensável. Isso pode aumentar a carga aparente de soluto entrando no absorvedor, mesmo que o fluxo molar absoluto de soluto não tenha mudado.

Se o soluto também condensar, dissolver-se no condensado ou for removido por arraste, seu fluxo molar na fase gasosa diminui. O balanço do absorvedor deve então incluir essa remoção a montante explicitamente.

O dimensionamento do absorvedor pode mudar

O fluxo de gás afeta o diâmetro da coluna através da velocidade superficial do gás e dos limites de inundação. Um volume de gás menor geralmente reduz a área transversal necessária, mas a concentração de soluto revisada e a força motriz termodinâmica podem alterar a altura do recheio, os requisitos de pratos, a circulação de solvente ou as necessidades de remoção de calor.

A base de dimensionamento correta é, portanto, o fluxo e a composição do gás na entrada do absorvedor, não a condição original de gás quente.

Interação com o desempenho do trocador de calor

A condensação contribui para a carga térmica

Quando o vapor condensa, o trocador de calor remove tanto o calor sensível quanto o calor latente:

[ Q = Q_{\text{sensível}} + Q_{\text{latente}} ]

A contribuição latente é aproximadamente:

[ Q_{\text{latente}} = n_{\text{condensado}}\Delta H_{\text{vap}} ]

Ignorar este termo pode subestimar a carga de resfriamento necessária e representar incorretamente a temperatura de saída alcançável.

A saída de líquido deve ser contabilizada

O trocador de calor pode produzir duas fases de saída: um gás resfriado e um condensado. Um separador a jusante, um tambor de separação ou um dreno projetado adequadamente é necessário se o condensado não se destinar a entrar no absorvedor.

Se ocorrer arraste de líquido, a alimentação do absorvedor não é uma corrente de gás seco. O balanço deve incluir o líquido que entra na coluna e qualquer soluto dissolvido que ele contenha.

A condensação afeta as medições da planta-piloto

Os medidores de fluxo podem relatar o fluxo em diferentes condições de referência, enquanto as medições de gás úmido e gás seco podem usar bases diferentes. A condensação entre os pontos de medição pode criar discrepâncias aparentes, a menos que cada corrente seja colocada na mesma base de temperatura, pressão e umidade.

Para o trabalho piloto, registre a temperatura de saída do trocador de calor, a pressão, a taxa de condensado, a base de fluxo de gás e se o gás medido está úmido ou seco.

Entendendo as compensações

Assumir que todo o vapor condensável é removido

O resfriamento abaixo da temperatura de saturação de um componente não significa necessariamente a remoção completa. O gás de saída retém a quantidade de vapor de equilíbrio, a menos que um condensador, separador ou etapa de secagem adicional o remova.

Use a condição de equilíbrio de saída para calcular o vapor residual.

Tratar o condensado como solvente puro

O condensado pode conter amônia absorvida, gás ácido, sais dissolvidos ou gotículas arrastadas. Tratá-lo como água pura pode superestimar o fluxo de soluto que chega ao absorvedor e subestimar a concentração do produto líquido.

Analise ou estime a composição do condensado quando o soluto for altamente solúvel ou reativo.

Usar composição volumétrica sem uma base consistente

Frações molares em base úmida, frações molares em base seca, fluxo volumétrico real e fluxo volumétrico padrão não são intercambiáveis. Misturar essas bases pode invalidar os balanços do trocador de calor e do absorvedor.

Realize o balanço de massa em unidades molares primeiro, depois converta para massa ou volume nas condições necessárias.

Assumir que a condensação sempre melhora o desempenho do absorvedor

Um fluxo de gás menor pode reduzir o tamanho da coluna e a demanda de solvente, mas uma concentração de soluto maior pode aumentar a carga local e alterar a força motriz da absorção. A condensação também pode criar problemas de entupimento, corrosão, inundação ou distribuição de líquido se o líquido não for devidamente separado e gerenciado.

O equipamento a jusante deve ser avaliado usando tanto a taxa de fluxo revisada quanto a composição revisada.

Ignorar os efeitos da temperatura do absorvedor

O absorvedor pode operar em uma temperatura diferente da saída do trocador de calor. A solubilidade, o equilíbrio da reação, a pressão de vapor e o volume de gás podem mudar entre esses locais.

O balanço do absorvedor deve, portanto, começar com as condições reais de entrada do absorvedor, incluindo qualquer reaquecimento, resfriamento adicional, evaporação ou adição de líquido entre as unidades.

Como aplicar isso à sua planta-piloto

Use um cálculo sequencial que siga o caminho físico da corrente do trocador de calor até o absorvedor.

Se o seu foco principal é a carga do trocador de calor: Calcule o vapor condensado a partir da condição de equilíbrio de saída e inclua seu calor latente no balanço de carga de resfriamento.
Se o seu foco principal é o dimensionamento do absorvedor: Remova o condensado, recalcule o fluxo molar e volumétrico do gás nas condições do absorvedor e use esse fluxo revisado para o projeto hidráulico.
Se o seu foco principal é a remoção de soluto: Rastreie o soluto no gás, no condensado e no líquido do absorvedor separadamente, para que a dissolução ou condensação a montante não seja incorretamente creditada ao absorvedor.
Se o seu foco principal é a reconciliação de dados da planta-piloto: Expresse cada medição em uma base molar, de temperatura, pressão e úmida/seca consistente antes de comparar as correntes.
Se o seu foco principal é a recuperação de produto líquido: Meça ou estime a composição do condensado e inclua qualquer soluto de absorvedor dissolvido no balanço do produto líquido.

Um projeto de absorvedor confiável começa com a corrente que realmente chega ao absorvedor após a condensação a montante, não com a alimentação original de gás quente.

Tabela de resumo:

Área	Efeito da condensação a montante	Ação necessária
Fluxo de gás	O fluxo molar total de gás diminui	Remova o vapor condensado antes de calcular a alimentação do absorvedor
Composição do gás	As frações molares de soluto restantes podem aumentar	Recalcule a composição da fase gasosa
Peso molecular	O peso molecular médio do gás muda	Atualize o fluxo de massa, densidade e velocidade
Razão gás-líquido	O fluxo de gás e a demanda de solvente podem mudar	Recalcule a linha de operação e a taxa de solvente
Dimensionamento do absorvedor	O diâmetro, a altura do recheio ou os requisitos de pratos podem mudar	Use o fluxo e a composição nas condições de entrada do absorvedor
Carga do trocador de calor	A condensação adiciona carga de calor latente	Inclua o calor sensível e latente no balanço
Gerenciamento de líquidos	O condensado pode conter soluto dissolvido ou gotículas arrastadas	Use um separador e rastreie a composição do condensado
Medições piloto	Diferenças de úmido/seco e condições de referência podem distorcer os resultados	Reconcilie todas as correntes em uma base molar consistente

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