Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016

Em virtude da necessidade de se quantificar os carbamatos provenientes de processos de absorção química do gás CO2 por monoetanolamina (MEA) e dietanolamina (DEA), curvas analíticas por espectroscopia no infravermelho (IV) foram construídas visando à determinação do teor de carbamatos de MEA e DEA, além da quantificação de MEA, DEA e metildietanolamina (MDEA) em soluções puras e em misturas. O procedimento analítico compreendeu o preparo das amostras-padrão constituintes das curvas de calibração e suas quantificações com o emprego de técnicas instrumentais de referência titulação potenciométrica, pesagem e GC-FID. As amostras-padrão de aminas puras foram quantificadas por titulação potenciométrica, sendo possível a detecção exata do ponto de equivalência. As composições dos padrões analíticos de misturas foram estabelecidas segundo um diagrama triangular para misturas e o teor de cada componente foi determinado por gravimetria e GC-FID. Tanto a hidrólise quanto a degradação térmica dos carbamatos foram fatores que restringiram o emprego da titulação potenciométrica, HPLC-MS/MS e GC-FID como técnicas de referência em suas quantificações. Essas restrições, somadas ao fato de não haver disponibilidade comercial desses carbamatos, levaram ao uso da espectroscopia de RMN de 1H na determinação quantitativa. As curvas de calibração apresentaram ótimo ajuste dos valores preditos com relação aos de referência e erro máximo de predição de 0,594 %. Dois processos de absorção química do gás CO2 foram realizados em escala semipiloto e os resultados obtidos foram de 1,02 % e 0,98 % de CO2 absorvido por solução de MEA e DEA, respectivamente. Os mesmos processos foram simulados no software Aspen Plus, obtendo-se 1,18 % de CO2 absorvido por solução de MEA e 1,00 % por solução de DEA. / Due to the need to quantify carbamates from the CO2 gas chemical absorption process by monoethanolamine (MEA) and diethanolamine (DEA), analytical curves by IR spectroscopy were obtained with the aim of quantifying MEA and DEA carbamates and MEA, DEA and methyldiethanolamine (MDEA) in pure solutions and mixtures. The analytical procedure considered the preparation of standard samples constituents of the calibration curves and their quantification using reference instrumental techniques potentiometric titration, gravimetry and GC-FID. The standard samples of pure amines were quantified by potentiometric titration, getting the accurate detection of the equivalence point. The compositions of the analytical standards of the mixtures were established according to a triangular diagram for mixtures and the content of each component was determined by gravimetry and GC-FID. The carbamate hidrolysis and its thermal degradation were factors that limited the use of potentiometric titration, HPLCMS/ MS and GC-FID as reference techniques in their quantitation. These restrictions, added to the fact of not having commercial availability of these carbamates, led the use of 1H NMR spectroscopy for the quantitative determination. The calibration curves resulted in an excellent adjustment of the expected values related to the reference values and maximum error of prediction of 0.594 %. Two chemical absorption processes of CO2 gas were performed in semi-pilot scale and the obtained results were of 1.02 % and 0.98 % of absorbed CO2 by MEA and DEA solutions, respectively. Both processes were simulated using Aspen Plus software, presenting 1.18 % of CO2 absorbed by MEA solution and 1.00 % by DEA solution.

Em virtude da necessidade de se quantificar os carbamatos provenientes de processos de absorção química do gás CO2 por monoetanolamina (MEA) e dietanolamina (DEA), curvas analíticas por espectroscopia no infravermelho (IV) foram construídas visando à determinação do teor de carbamatos de MEA e DEA, além da quantificação de MEA, DEA e metildietanolamina (MDEA) em soluções puras e em misturas. O procedimento analítico compreendeu o preparo das amostras-padrão constituintes das curvas de calibração e suas quantificações com o emprego de técnicas instrumentais de referência titulação potenciométrica, pesagem e GC-FID. As amostras-padrão de aminas puras foram quantificadas por titulação potenciométrica, sendo possível a detecção exata do ponto de equivalência. As composições dos padrões analíticos de misturas foram estabelecidas segundo um diagrama triangular para misturas e o teor de cada componente foi determinado por gravimetria e GC-FID. Tanto a hidrólise quanto a degradação térmica dos carbamatos foram fatores que restringiram o emprego da titulação potenciométrica, HPLC-MS/MS e GC-FID como técnicas de referência em suas quantificações. Essas restrições, somadas ao fato de não haver disponibilidade comercial desses carbamatos, levaram ao uso da espectroscopia de RMN de 1H na determinação quantitativa. As curvas de calibração apresentaram ótimo ajuste dos valores preditos com relação aos de referência e erro máximo de predição de 0,594 %. Dois processos de absorção química do gás CO2 foram realizados em escala semipiloto e os resultados obtidos foram de 1,02 % e 0,98 % de CO2 absorvido por solução de MEA e DEA, respectivamente. Os mesmos processos foram simulados no software Aspen Plus, obtendo-se 1,18 % de CO2 absorvido por solução de MEA e 1,00 % por solução de DEA. / Due to the need to quantify carbamates from the CO2 gas chemical absorption process by monoethanolamine (MEA) and diethanolamine (DEA), analytical curves by IR spectroscopy were obtained with the aim of quantifying MEA and DEA carbamates and MEA, DEA and methyldiethanolamine (MDEA) in pure solutions and mixtures. The analytical procedure considered the preparation of standard samples constituents of the calibration curves and their quantification using reference instrumental techniques potentiometric titration, gravimetry and GC-FID. The standard samples of pure amines were quantified by potentiometric titration, getting the accurate detection of the equivalence point. The compositions of the analytical standards of the mixtures were established according to a triangular diagram for mixtures and the content of each component was determined by gravimetry and GC-FID. The carbamate hidrolysis and its thermal degradation were factors that limited the use of potentiometric titration, HPLCMS/ MS and GC-FID as reference techniques in their quantitation. These restrictions, added to the fact of not having commercial availability of these carbamates, led the use of 1H NMR spectroscopy for the quantitative determination. The calibration curves resulted in an excellent adjustment of the expected values related to the reference values and maximum error of prediction of 0.594 %. Two chemical absorption processes of CO2 gas were performed in semi-pilot scale and the obtained results were of 1.02 % and 0.98 % of absorbed CO2 by MEA and DEA solutions, respectively. Both processes were simulated using Aspen Plus software, presenting 1.18 % of CO2 absorbed by MEA solution and 1.00 % by DEA solution.

O processo de absorção do CO2 em soluções aquosas de alcanolaminas foi estudado em uma coluna de parede molhada empregando-se uma tela metálica, de 28 mesh, como promotor de película e operando em contracorrente. As alcanolaminas testadas nos diferentes experimentos foram: monoetanolamina (MEA), 2-amino-2-metil-1-propanol (AMP) e piperazina (PZ). Os experimentos de absorção foram realizados nas soluções aquosas individuais da MEA e AMP; e, nas misturas MEA:AMP e AMP:PZ; visando avaliar a velocidade de absorção do CO2 em diferentes vazões do líquido, a saber: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. O presente sistema de absorção foi caracterizado através da determinação dos principais parâmetros de transferência de massa: área interfacial efetiva, coeficiente de transferência individual da fase gasosa e o coeficiente volumétrico global médio de transferência de massa. Determinou-se a área interfacial efetiva da coluna, por meio da absorção do CO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH, para as diferentes vazões de líquido, sendo os resultados obtidos igual a 106, 126 e 144 m2/m3, respectivamente. O coeficiente volumétrico de transferência de massa da fase gasosa foi determinado por meio da absorção de SO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH. Os resultados experimentais mostram que o coeficiente volumétrico individual de transferência de massa e a área interfacial são função da vazão do líquido. As velocidades de absorção do CO2 diluído em ar, em soluções de aminas e suas misturas foram determinadas experimentalmente para diferentes vazões de líquido, sendo os resultados expressos na forma de coeficientes globais de transferência de massa e parâmetros cinético-difusivos da fase líquida. As velocidades de absorção em MEA são bem superiores aos de AMP e NaOH. No caso das misturas foram obtidas velocidades superiores em comparação às das aminas individuais. A velocidade de absorção em AMP é fortemente incrementada na presença de PZ, mesmo em baixa concentração. / The CO2 absorption process in alkanolamine aqueous solutions was studied in a wetted wall column employing a film promotor of thin stainless steel woven wire, 28 mesh, which was operated in countercurrent. The tested alkanolamines were monoethanolamine (MEA), 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) and piperazine (PZ). The absorption experiments were performed in individual aqueous solutions of MEA and AMP and the mixtures MEA:AMP and AMP:PZ, with the aim of evaluating the CO2 absorption rate in different liquid flow rates, namely: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. This absorption system was characterized through determining of the main parameters of mass transfer: effective interfacial area, individual mass transfer coefficient of the gas phase and the average overall mass transfer volumetric coefficient. The effective interfacial area was determined by the absorption of CO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH for the different liquid flow rates, and the results obtained are 106, 126 and 144 m2/m3, respectively. The mass transfer volumetric coefficient of the gas phase was determined by chemical method of the absorption of SO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH. The experimental results show that the individual mass transfer coefficient and interfacial area are a function of liquid flow rate. On the other hand, the results of the performance of CO2 absorption into amine aqueous solutions were expressed in function of the average overall mass transfer volumetric coefficient and liquid phase diffusive kinetic parameters, which were measured experimentally for different liquid flow rates. The absorption rate in MEA are higher in comparison with AMP and NaOH. In the case of the blended, the absorption rate in AMP is enhanced by piperazine, even in low concentration.

O processo de absorção do CO2 em soluções aquosas de alcanolaminas foi estudado em uma coluna de parede molhada empregando-se uma tela metálica, de 28 mesh, como promotor de película e operando em contracorrente. As alcanolaminas testadas nos diferentes experimentos foram: monoetanolamina (MEA), 2-amino-2-metil-1-propanol (AMP) e piperazina (PZ). Os experimentos de absorção foram realizados nas soluções aquosas individuais da MEA e AMP; e, nas misturas MEA:AMP e AMP:PZ; visando avaliar a velocidade de absorção do CO2 em diferentes vazões do líquido, a saber: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. O presente sistema de absorção foi caracterizado através da determinação dos principais parâmetros de transferência de massa: área interfacial efetiva, coeficiente de transferência individual da fase gasosa e o coeficiente volumétrico global médio de transferência de massa. Determinou-se a área interfacial efetiva da coluna, por meio da absorção do CO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH, para as diferentes vazões de líquido, sendo os resultados obtidos igual a 106, 126 e 144 m2/m3, respectivamente. O coeficiente volumétrico de transferência de massa da fase gasosa foi determinado por meio da absorção de SO2 diluído em ar em uma solução aquosa de NaOH. Os resultados experimentais mostram que o coeficiente volumétrico individual de transferência de massa e a área interfacial são função da vazão do líquido. As velocidades de absorção do CO2 diluído em ar, em soluções de aminas e suas misturas foram determinadas experimentalmente para diferentes vazões de líquido, sendo os resultados expressos na forma de coeficientes globais de transferência de massa e parâmetros cinético-difusivos da fase líquida. As velocidades de absorção em MEA são bem superiores aos de AMP e NaOH. No caso das misturas foram obtidas velocidades superiores em comparação às das aminas individuais. A velocidade de absorção em AMP é fortemente incrementada na presença de PZ, mesmo em baixa concentração. / The CO2 absorption process in alkanolamine aqueous solutions was studied in a wetted wall column employing a film promotor of thin stainless steel woven wire, 28 mesh, which was operated in countercurrent. The tested alkanolamines were monoethanolamine (MEA), 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) and piperazine (PZ). The absorption experiments were performed in individual aqueous solutions of MEA and AMP and the mixtures MEA:AMP and AMP:PZ, with the aim of evaluating the CO2 absorption rate in different liquid flow rates, namely: 3.10-7, 6.10-7 e 10.10-7 m3/s. This absorption system was characterized through determining of the main parameters of mass transfer: effective interfacial area, individual mass transfer coefficient of the gas phase and the average overall mass transfer volumetric coefficient. The effective interfacial area was determined by the absorption of CO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH for the different liquid flow rates, and the results obtained are 106, 126 and 144 m2/m3, respectively. The mass transfer volumetric coefficient of the gas phase was determined by chemical method of the absorption of SO2 diluted in air into an aqueous solution of NaOH. The experimental results show that the individual mass transfer coefficient and interfacial area are a function of liquid flow rate. On the other hand, the results of the performance of CO2 absorption into amine aqueous solutions were expressed in function of the average overall mass transfer volumetric coefficient and liquid phase diffusive kinetic parameters, which were measured experimentally for different liquid flow rates. The absorption rate in MEA are higher in comparison with AMP and NaOH. In the case of the blended, the absorption rate in AMP is enhanced by piperazine, even in low concentration.