Os circuitos de reciclagem de solvente são utilizados para reduzir o consumo de solvente e manter estável a operação do absorvedor. Em uma planta-piloto de absorção de gases, o solvente desce por uma coluna recheada ou de pratos enquanto o gás sobe, transferindo um contaminante solúvel para a fase líquida. A corrente de saída rica em solvente geralmente é regenerada e devolvida ao absorvedor, enquanto a reposição com solvente fresco compensa o solvente perdido por purga, arraste, evaporação ou amostragem.

O principal princípio de contabilização é distinguir as correntes internas de reciclagem das correntes externas. Uma corrente de reciclagem aparece nos balanços de unidades individuais, mas é cancelada no balanço geral do processo porque não atravessa o limite externo do processo.

Por que as Plantas-Piloto de Absorção Reciclam o Solvente

Redução do consumo de matéria-prima

Um circuito de reciclagem permite que a maior parte do solvente circule repetidamente, em vez de ser descartada após uma única passagem pela coluna.

Isso é especialmente importante quando o solvente é caro, perigoso ou requer tratamento antes do descarte. As plantas-piloto utilizam a reciclagem para aproximar a economia de solvente de um processo industrial de maior escala.

Manutenção de uma concentração controlada de solvente

O desempenho da absorção depende da composição e da vazão do solvente. O retorno do solvente regenerado ajuda a manter condições operacionais relativamente constantes na coluna.

Sem reciclagem, a composição e o inventário do solvente mudariam continuamente, a menos que fosse fornecida uma grande vazão de solvente fresco. Isso dificultaria a avaliação consistente do desempenho da coluna.

Suporte à regeneração do solvente

Em muitos sistemas, o líquido que sai do absorvedor contém o contaminante capturado. Uma etapa de regeneração a jusante, como dessorção, destilação ou outra separação, remove grande parte do contaminante e produz um solvente adequado para retornar ao absorvedor.

Por exemplo, um solvente pode absorver sulfeto de hidrogênio ou amônia na coluna e depois liberá-los durante a regeneração. O líquido regenerado torna-se a corrente de reciclagem.

Melhoria da economia em escala-piloto

As plantas-piloto nem sempre apresentam as mesmas economias de escala que as instalações comerciais. A reciclagem reduz a demanda por solvente fresco, a geração de resíduos e os custos operacionais, permitindo experimentos prolongados com um inventário limitado de solvente.

O circuito também proporciona experiência prática com a recuperação de solvente, as necessidades de reposição, o acúmulo de impurezas e a operação em regime permanente.

Como Definir os Limites do Balanço de Massa

O limite do absorvedor

Para o absorvedor isoladamente, defina o gás de entrada e o líquido de entrada como correntes que entram, e o gás tratado e o líquido rico como correntes que saem.

Um balanço total é:

[ G_{\text{in}}+L_{\text{in}}

G_{\text{out}}+L_{\text{out}} ]

onde (G) e (L) são as vazões das correntes gasosa e líquida em uma base mássica ou molar consistente.

O balanço do contaminante

Para uma espécie absorvida (A), o balanço de componente é:

[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}

G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]

Aqui, (y_A) é a fração de (A) na fase gasosa, e (x_A) é sua fração na fase líquida. Ambas devem ser definidas de forma consistente como frações molares ou frações mássicas.

A quantidade absorvida pelo líquido é normalmente expressa como:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

quando a alimentação líquida contém uma quantidade desprezível de (A). Se o solvente já contiver (A), o termo de entrada do líquido também deverá ser incluído.

O balanço do solvente

Para um solvente não reativo (S), o balanço no absorvedor é:

[ \dot m_{S,\text{in}}

\dot m_{S,\text{out}} ]

desde que não haja evaporação do solvente, arraste, reação ou outra perda dentro do absorvedor.

Em uma planta-piloto real, essas perdas podem ser significativas o suficiente para exigir uma corrente de solvente de reposição.

Como a Reciclagem Aparece no Balanço do Processo

O balanço do misturador

O solvente fresco de reposição e o solvente reciclado regenerado se combinam antes de entrar no absorvedor:

[ L_{\text{makeup}}+L_{\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}} ]

Para o componente solvente (S):

[ L_{\text{makeup}}x_{S,\text{makeup}} + L_{\text{recycle}}x_{S,\text{recycle}}

L_{\text{absorber,in}}x_{S,\text{in}} ]

Essa equação determina a vazão e a composição do solvente que entra na coluna.

O balanço da regeneração

O líquido rico que sai do absorvedor entra na seção de regeneração. Um balanço total simplificado é:

[ L_{\text{rich}}

L_{\text{regenerated}} + L_{\text{regenerator losses}} + L_{\text{purge}} ]

O balanço correspondente do contaminante inclui o contaminante removido na corrente de topo ou de dessorção da regeneração:

[ \dot n_{A,\text{rich}}

\dot n_{A,\text{regenerated}} + \dot n_{A,\text{overhead}} + \dot n_{A,\text{losses}} ]

Os termos exatos dependem de a etapa de regeneração ser modelada como um dessorvedor, uma coluna de destilação, um tanque de vaporização instantânea ou outra unidade.

O limite geral do processo

Quando o limite envolve o absorvedor, a unidade de regeneração, o misturador e as tubulações de reciclagem, a corrente de reciclagem é interna. Ela entra e sai do limite em termos contábeis iguais e, portanto, é cancelada.

O balanço geral em regime permanente baseia-se apenas nas correntes externas:

[ \text{Entradas externas}

\text{Saídas externas} ]

Para o contaminante, isso geralmente significa:

[ \text{Contaminante que entra com o gás de alimentação} + \text{Contaminante que entra com a reposição}

\text{Contaminante que sai no gás tratado} + \text{Contaminante recuperado ou purgado} + \text{Contaminante em outras perdas} ]

O contaminante não desaparece simplesmente quando é absorvido. Ele é transferido da fase gasosa para o solvente e deve finalmente sair por meio de um produto de regeneração, uma purga, uma corrente de resíduos, o gás tratado ou um inventário acumulado.

Por que as Correntes de Reposição e Purga são Importantes

A reposição compensa as perdas inevitáveis

Adiciona-se solvente fresco para compensar o solvente que deixa o sistema por meio de purga líquida, arraste pelo gás, evaporação, drenagem de equipamentos, amostragem ou perdas na regeneração.

Em regime permanente, a vazão de reposição substitui aproximadamente a perda líquida de solvente:

[ L_{\text{makeup}} \approx L_{\text{purge}} + L_{\text{evaporation}} + L_{\text{entrainment}} + L_{\text{other losses}} ]

A igualdade pode exigir ajustes se o solvente entrar ou sair por meio de correntes de processo adicionais.

A purga evita o acúmulo de impurezas

Um circuito fechado de solvente pode acumular impurezas não voláteis, produtos de degradação ou contaminantes que não foram completamente regenerados. Se nenhum desses materiais deixar o sistema, seu inventário aumentará ao longo do tempo.

Uma purga remove uma fração controlada do líquido em circulação. O solvente de reposição então restaura a vazão e a composição totais desejadas.

O regime permanente exige ausência de acúmulo líquido

Para qualquer componente (i), o balanço geral é:

[ \text{Entrada}_i-\text{Saída}_i

\text{Acúmulo}_i ]

Em regime permanente:

[ \text{Acúmulo}_i=0 ]

Essa condição é particularmente importante para as impurezas. Se a entrada calculada exceder a saída, o circuito não estará em regime permanente; o componente estará se acumulando, mesmo que a vazão principal de solvente pareça constante.

Uma Sequência Prática para o Balanço

Comece pelas vazões medidas

Meça ou estime a vazão de gás, a vazão de solvente, a vazão de reposição, a vazão de reciclagem, a vazão de purga e as correntes de saída relevantes. Use vazões mássicas em todo o cálculo ou vazões molares em todo o cálculo.

Misturar frações mássicas e frações molares sem conversão é uma fonte comum de erros.

Faça o balanço do absorvedor

Primeiro, calcule o contaminante transferido do gás para o líquido:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

Em seguida, compare esse valor com o aumento do contaminante transportado pela corrente líquida.

Faça o balanço da seção de regeneração

Determine quanto do contaminante absorvido sai na corrente de topo ou de produto regenerado e quanto permanece no solvente reciclado.

O solvente regenerado ainda pode conter algum contaminante, portanto, presumir uma corrente de reciclagem perfeitamente pura pode produzir um resultado irrealista.

Faça o balanço do misturador

Use as correntes de reposição e reciclagem para calcular a composição que entra no absorvedor. Essa etapa conecta os cálculos de perda de solvente à condição operacional real da coluna.

Verifique o circuito completo

Por fim, desenhe o limite externo do processo e remova todos os termos internos de reciclagem do balanço geral. O balanço externo deve fechar dentro da incerteza esperada das medições.

Um balanço que fecha em torno de cada unidade, mas falha no conjunto, geralmente indica uma purga omitida, uma perda não medida, uma base inconsistente ou uma composição incorreta da corrente.

Entendendo os Compromissos

Uma reciclagem maior reduz o uso de solvente, mas aumenta a complexidade do circuito

Uma alta taxa de reciclagem reduz a demanda por solvente fresco, mas exige bombas, equipamentos de regeneração, instrumentação de controle e tubulações adicionais.

Ela também pode aumentar o tempo de residência e tornar o processo mais sensível ao acúmulo gradual de impurezas.

A reciclagem não garante qualidade constante do solvente

A composição do solvente depende da eficácia da regeneração, da taxa de purga, da carga de contaminante e da degradação do solvente. Reciclar uma corrente contaminada pode reduzir gradualmente a capacidade de absorção.

Por isso, a corrente de reciclagem deve ser caracterizada por sua composição, e não apenas por sua vazão.

A purga melhora o controle de impurezas, mas desperdiça material útil

Uma purga maior remove as impurezas de forma mais eficaz, mas também remove solvente e possivelmente o contaminante absorvido que poderia ser recuperado.

Portanto, a taxa de purga representa um compromisso entre a recuperação do solvente, o controle de impurezas e a estabilidade operacional.

As premissas de regime permanente podem não se aplicar durante a partida

Durante a partida, a parada ou uma mudança nas condições operacionais, os inventários de solvente e contaminante estão mudando. O termo de acúmulo não pode ser considerado igual a zero.

São necessários balanços transientes até que o circuito alcance uma condição operacional estável.

Escolhendo a Opção Adequada para seu Objetivo

Use a estrutura do balanço para adequar a análise à questão investigada.

• Se seu foco principal for o consumo de solvente: Envolva todo o sistema de reciclagem e calcule a reposição de solvente fresco a partir da purga, evaporação, arraste e outras perdas de solvente.
• Se seu foco principal for o desempenho do absorvedor: Faça o balanço do absorvedor separadamente e compare o contaminante que entra com o contaminante que sai nas correntes gasosa e líquida.
• Se seu foco principal for a qualidade do solvente: Inclua balanços de componentes para o contaminante, o solvente e as impurezas não voláteis, juntamente com qualquer corrente de purga.
• Se seu foco principal for o aumento de escala: Acompanhe tanto a absorção em passagem única quanto a recuperação geral, reconhecendo que a reciclagem altera a composição do solvente e as condições operacionais efetivas do processo.
• Se seu foco principal for a validação de dados: Faça primeiro os balanços em nível de unidade e, em seguida, verifique se o balanço geral do processo fecha após o cancelamento das correntes internas de reciclagem.

Um circuito de reciclagem é mais bem compreendido não como uma fonte ou um sumidouro adicional, mas como um caminho de circulação interna cujos benefícios e perdas se tornam claros por meio de balanços de componentes cuidadosamente definidos.

Tabela-Resumo:

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