INFLUÊNCIA DA REAÇÃO QUÍMICA NA MODELAGEM DA ABSORÇÃO DE CO2 ATRAVÉS DE CONTATORES DE MEMBRANA

Autores

1Passos, W.F.A.; 2Morais Júnior, A.A.

Resumo

O processo de captura de dióxido de carbono (CO2) já está bem difundido no meio acadêmico e industrial. Neste trabalho, foi realizada a análise da influência da reação química em um sistema absorção de CO2 por um método não- convencional: absorção em contatores de membranas de fibra oca (HFMC). Foi observado que a adição da reação na modelagem do sistema diminui a resistência à transferência de massa do processo, atingindo maiores valores de razão de captura, quando comparados ao sistema simulado sem a contribuição da reação química. Ainda foi analisada a influência da temperatura de operação do sistema, de onde concluiu-se que o aumento da temperatura contribui de forma positiva para a captura.

Palavras chaves

Captura de carbono; Absorção reativa; Contatores de membrana

Introdução

A contribuição da concentração de dióxido de carbono na atmosfera para a elevação da temperatura do planeta (sendo o CO2 um gás do efeito estufa), e suas crescentes taxas de emissão pela parte de vários setores, vem despertando o interesse pela captura do mesmo ao longo dos últimos anos (BAINS et al., 2017). Entretanto, outro motivo para esta procura encontra-se nas variadas utilidades que o gás possui, desde solvente químico, à conservação de órgãos e tecidos. Na literatura, a captura de CO2 por métodos convencionais (torres de absorção e colunas de desabsorção), tem sido os mais eficientes na captura, porém com altos consumos energéticos (WILCOX, 2012; STEENEVELDT et al., 2016). Uma alternativa eficaz que tem surgido no meio acadêmico é a absorção gasosa através de membranas, e, mais especificamente, através de contatores de membranas de fibra oca (HFMC – do inglês: Hollow Fiber Membrane Contactors), possuindo diversas vantagens em relação aos métodos citados (GABELMAN e HWANG, 1999; RIVERO et al., 2020). Em processos de absorção de CO2, geralmente são empregadas soluções aquosas de alcanolaminas como solvente, as quais possuem suas vantagens em relação a outros tipos de solventes, e agem tanto fisicamente como quimicamente (MA’MUN et al., 2005; ROCHELLE, 2009). Neste trabalho, a contribuição da reação química na modelagem e simulação de um sistema de absorção de CO2 em uma solução de monoetanolamina (MEA) através de um módulo de contactor de membrana (HFMC) foi estudada, pretendendo-se saber qual a melhor abordagem para o sistema, e quais as condições ótimas de operação.

Material e métodos

O HFMC foi modelado utilizando a abordagem baseada em taxas (Rate Based Model), e segue a mesma proposta de RODE et al. (2012) e ZAIDIZA et al. (2014), contudo, sem ser adimensional. O sistema opera isotermicamente em estado estacionário, e varia apenas com a coordenada z, desprezando as variações radias. Uma configuração em contracorrente foi adotada para o sistema, onde uma mistura gasosa de dióxido de carbono (que é o soluto com fração molar inicial de 0,15) e ar saturado (H2O + N2 + O2) escoa sobre as fibras (no lado do casco), e o solvente, que é uma solução aquosa de MEA 30% (m/m), escoa no lúmen das fibras. O gás se comporta idealmente com a diminuição da pressão, e sofre influência da transferência de massa do processo; porém, a fase líquida mantém sua vazão volumétrica constante, sendo a queda de pressão dessa desprezível. Sendo a Lei de Henry usada para descrever o equilíbrio na interface líquido- gás (que está localizada na superfície interna das membranas), não foram consideradas variações na constante de Henry devido à faixa de concentração utilizada (MA’MUN et al., 2005). A transferência de massa foi descrita por resistências em série, somando as resistências no filme da fase gasosa, nos poros da membrana, e no filme líquido (GABELMAN e HWANG, 1999). Os poros foram considerados não molhados, para não adicionar resistência ao processo (WANG et al., 2005). Foi considerado que a reação química acontece na camada limite da fase líquida, sendo a mesma irreversível e de segunda ordem (VERSTEEG et al., 1996; RODE et al., 2012). Neste trabalho, o CO2 será representado por A e o MEA, por B. No processo, a contribuição da reação química é dada pelo fator de aumento (E), sendo, o mesmo, calculado a partir do número de Hatta e do fator de aumento limitante ou assintótico (LEVENSPIEL, 1998; BEEK et al., 1999). RODE et al. (2012) descreve o cálculo destes parâmetros e seu domínio. Os balanços molares foram realizados numa abordagem diferencial, tomando como base um volume de controle infinitesimal no HFMC. A concentração de CO2 no gás depende da queda de pressão no lado do casco e do fluxo de mássico do soluto, enquanto que a concentração de MEA livre no sistema é dada pela proporção estequiométrica da reação. A queda de pressão na fase gasosa é caracterizada por uma equação de Kozeny, aplicada a um escoamento sobre uma matriz cilíndrica (HAPPEL, 1959). Para a resolução do sistema de equações, foi utilizado o software Matlab®, utilizando um solver como ferramenta de solução de equações diferenciais ordinárias e outras rotinas.

Resultado e discussão

A figura 1 mostra as principais equações utilizadas para o desenvolvimento do trabalho (parte a), como também uma tabela contendo o parâmetro utilizados nas simulações (parte b). Para analisar a influência da reação no processo de absorção, foram utilizadas duas abordagens: na primeira, foi estudada uma temperatura ótima para que a taxa de captura de CO2 no processo de absorção reativa fosse máxima, e, na segunda, foi comparado o comportamento da fração molar de CO2 na fase gasosa de acordo com a coordenada axial adimensional (z/Z) para o processo sem considerar a reação química, e considerando-a. A faixa de temperatura utilizada na análise sensitiva foi de 280 K (respeitando a temperatura de fusão da solução aquosa de MEA) à 380 K. A figura 2 descreve como a constante cinética (dada pela equação de Arrhenius mostrada na figura 1) se comporta com a dada faixa de temperatura (parte a), como também a taxa de captura de CO2 atingida para cada temperatura dentro da faixa (parte b). Toda a configuração do HFMC, como também todos os parâmetros de simulação foram fixados, de maneira que apenas a temperatura foi variada para a realização da primeira análise, e foi fixada para a segunda análise, onde o comprimento do equipamento foi fixado em 1,141 m. Observa-se, na parte (a) da figura 2, que a constante cinética seguiu o comportamento previsto (dado o formato de sua equação), atingindo valores mais altos para temperaturas elevadas. Já a razão de captura atinge seu limite, chegando ao valor máximo de 1 (100%), próximo à 370 K. Na parte (b) da figura 2, encontra-se a comparação entre a simulação do processo de absorção de CO2 com e sem a reação química. Percebe-se que, a fração molar de soluto na fase gasosa que deixa o sistema atinge menores valores quando a reação é levada em consideração, obtendo-se, portanto, razões de capturas de CO2 mais elevadas (no caso estudados, atingindo 56,17% desprezando a reação química, e 90,01% considerando a mesma). Isto ocorre porque a reação química diminui a resistência a transferência de massa na fase líquida, e, consequentemente, diminui a resistência total do sistema, permitindo que mais CO2 seja transportado para o solvente.



Figura 1 – Principais equações e parâmetros de simulação



Figura 2 – Resultados gráficos das análises



Conclusões

O processo de absorção de CO2 mostrou-se ser mais eficiente quando a reação química é levada em consideração no processo. Neste trabalho, foi constatado que a reação influencia de forma positiva o comportamento do sistema, e ainda, que para o modelo de reação considerada (irreversível de segunda ordem), o aumento da temperatura eleva a razão de captura de CO2, tornando o processo mais produtivo.

Agradecimentos

Referências

BAINS, Praveen; PSARRAS, Peter; WILCOX, Jennifer. CO2 capture from the industry sector. Progress in Energy and Combustion Science, v. 63, p. 146-172, 2017.

BEEK, Wiero Jan; MUTTZALL, Klaus Max Karl; VAN HEUVEN, Jan Willem. Transport phenomena. Chichester: Wiley, 1999.

GABELMAN, Alan; HWANG, Sun-Tak. Hollow fiber membrane contactors. Journal of Membrane Science, v. 159, n. 1-2, p. 61-106, 1999.

HAPPEL, John. Viscous flow relative to arrays of cylinders. AIChE Journal, v. 5, n. 2, p. 174-177, 1959.

LEVENSPIEL, Octave. Chemical reaction engineering. John wiley & sons, 1998.

MA'MUN, Sholeh et al. Solubility of carbon dioxide in 30 mass% monoethanolamine and 50 mass% methyldiethanolamine solutions. Journal of Chemical & Engineering Data, v. 50, n. 2, p. 630-634, 2005.

RIVERO, Joanna R. et al. Hollow fiber membrane contactors for post-combustion carbon capture: A review of modeling approaches. Membranes, v. 10, n. 12, p. 382, 2020.

ROCHELLE, Gary T. Amine scrubbing for CO2 capture. Science, v. 325, n. 5948, p. 1652-1654, 2009.

RODE, Sabine et al. Evaluating the intensification potential of membrane contactors for gas absorption in a chemical solvent: A generic one-dimensional methodology and its application to CO2 absorption in monoethanolamine. Journal of membrane science, v. 389, p. 1-16, 2012.

STEENEVELDT, R.; BERGER, B.; TORP, T. A. CO2 capture and storage: closing the knowing–doing gap. Chemical Engineering Research and Design, v. 84, n. 9, p. 739-763, 2006.

VERSTEEG, G. F.; VAN DIJCK, L. A. J.; VAN SWAAIJ, W. P. M. On the kinetics between CO2 and alkanolamines both in aqueous and non-aqueous solutions. An overview. Chemical Engineering Communications, v. 144, n. 1, p. 113-158, 1996.

WANG, R. et al. Influence of membrane wetting on CO2 capture in microporous hollow fiber membrane contactors. Separation and Purification Technology, v. 46, n. 1-2, p. 33-40, 2005.

WILCOX, Jennifer. Carbon capture. Springer Science & Business Media, 2012.

ZAIDIZA, David Albarracin et al. Modeling of CO2 post-combustion capture using membrane contactors, comparison between one-and two-dimensional approaches. Journal of membrane science, v. 455, p. 64-74, 2014.

Patrocinadores

Capes Capes CFQ

Apoio

Realização

ABQ