Neutralização de correntes gasosas ricas em NOx

Abstract

Os problemas ambientais, associados às emissões de gases que contêm NOx, têm vindo a intensificar-se nas últimas décadas devido ao aumento da concentração destes compostos na atmosfera, resultante da atividade humana incluindo a atividade do sector industrial. Na Bondalti Chemicals, existe um processo de abatimento de gases NOx, porém, no presente trabalho pretende-se avaliar um sistema que reforce o atual, no caso de paragem inesperada da unidade de produção de mononitrobenzeno (MNB), para funcionamento temporário.Uma primeira etapa constitui uma revisão bibliográfica e comparação das diferentes técnicas existentes para o tratamento de correntes gasosas com NOx. Através desta análise e avaliação das vantagens e desvantagens que cada técnica apresenta, concluiu-se que a técnica com maior potencial para ser instalada na unidade fabril de produção de MNB é a absorção reativa com recurso a solução aquosa de NaOH.A absorção de gases ou scrubbing é uma operação unitária em que um ou vários componentes da mistura gasosa são removidos através da sua dissolução num líquido absorvente. A ocorrência de reações químicas no processo de separação intensifica a transferência de massa possibilitando a existência de um gradiente de potencial químico entre fases, o que maximiza a eficiência do processo. É proposta a utilização de uma coluna de absorção de enchimento aleatório com operação em contracorrente e recirculação da mistura líquida absorvente a entrar pelo topo.A influência da concentração de NaOH da solução absorvente utilizada na eficiência do processo de absorção de gases NOx foi avaliada com recurso a estudo experimental. Os resultados permitiram verificar que a mistura absorvente com 20% (m/m) de NaOH, proporciona uma maior remoção de gases NOx. No entanto, a utilização de uma concentração de NaOH tão elevada em operação à temperatura ambiente pode resultar na formação de sais e precipitado, podendo inviabilizar o processo a nível industrial sendo que esta não é aconselhada. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo em Aspen Plus V.8.8, capaz de reproduzir o processo, incluindo as reações químicas e os fenómenos de transferência de massa característicos da absorção reativa de NOx, em solução de NaOH. Este modelo pode ajudar a melhorar o projeto da unidade através da análise dos parâmetros operacionais e do dimensionamento da coluna de absorção. Os resultados do modelo foram comparados com dados experimentais no estudo de de Paiva e Kachan (2004) sem recirculação. Foi possível comprovar a coerência do modelo obtido com os dados experimentais, no entanto, o modelo revelou-se pouco sensível à pressão parcial de gases NOx na corrente de entrada.O trabalho incluiu ainda a extensão do modelo em Aspen Plus V.8.8 para descrever a instalação que se pretende implementar na Bondalti Chemicals. Este modelo permitiu o estudo do comportamento da coluna de absorção de NOx a projetar e a análise de sensibilidade aos parâmetros de operação e dimensionamento. No trabalho é proposta a utilização de uma mistura absorvente com uma concentração de 10 % (m/m) de NaOH. A operação unitária deve operar com um caudal de recirculação na gama de 6 a 10 m3 h-1 de modo a proporcionar maior eficiência ao processo. Estas condições de operação foram obtidas após a seleção das melhores dimensões da coluna: 0.6 m de diâmetro e 3 m de altura. Nestas condições a conversão de NOx atingida à saída da coluna de absorção são entre os 41% a 46%.

The environmental problems associated with the NOx emissions have been intensified in recent decades due to the increased concentration of these compounds in the atmosphere as a result of human activity, including the industrial sector. Bondalti Chemicals owns a mononitrobenzene production unit (MNB). In this unit, a process of NOx gas abatement is already implemented. In this work, we intend to evaluate a system that reinforces the current one, in case of unexpected shutdown, for temporary operation.The first step was a literature review and comparison of the different techniques for the treatment of NOx gas streams. Through this analysis and evaluation of the advantages and disadvantages of each technique, it was concluded that the technique with the greatest potential to be installed in the MNB production plant is the reactive absorption using an aqueous solution of NaOH.Gas absorption or scrubbing is a unit operation in which one or more components of the gas mixture are removed by dissolving them in a liquid absorbent. The chemical reactions in the separation process intensifies mass transfer, allowing the existence of a chemical potential gradient between phases, which maximizes the efficiency of the process. It is proposed to use a countercurrent absorption column with a random packing with and recirculation of the absorbent liquid mixture, entering at the top.The influence of the NaOH concentration on the absorbent solution used upon the efficiency of the NOx gas absorption process was evaluated with the aim of an experimental study. The results allowed to verify that the absorbent mixture with 20% (w/w) of NaOH enabled a greater removal of NOx gases. However, the use of such a high NaOH concentration in the operation at ambient temperature may result in the formation of salts and precipitate, which might turn the process unfeasible at the industrial level and is not recommended. The need for a purge current in the recirculation of the absorbent solution of the process has been confirmed.In this work, a detailed Aspen Plus V.8.8 model was developed, capable of reproducing the process, including the chemical reactions and mass transfer phenomena characteristic of the reactive absorption of NOx in NaOH solution. This model can help improve the design through the analysis of the operating parameters and the design of the absorption column. The results of the model were compared with experimental data of the study of de Paiva and Kachan (2004) without recirculation. It was possible to prove the coherence of the model obtained with the experimental data, however, the model exhibited poor sensitivity to the partial pressure of NOx gases in the inlet current.The work also included the extension further development of the model in Aspen Plus V.8.8 to describe the absorption process intended to implement at Bondalti Chemicals. This model allowed the study of the behavior of the NOx absorption column to be designed projected and the sensitivity analysis to the operational and dimensioning parameters. In this work, it is proposed the use of an absorbent mixture with a concentration of 10%(w/w) of NaOH. The unit should operate a recirculation flow rate between 6 and 10 m3h-1 to provide greater efficiency to the process. These operating conditions were obtained after selecting the adequate column dimensions: 0.6 m in diameter and 3 m in height. Under these conditions, the absorption column achieved NOx conversion between 41% and 46%.