Desenvolvimento de um sistema para simulação e otimização do processo de adsorção para avaliação da separação de misturas liquidas
Agnes de Paula Scheer
TESE
Português
(Broch.)
T/UNICAMP Sch22d
Campinas, SP : [s.n.], 2002.
204p. : il.
Orientador: Maria Regina Wolf Maciel
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica
Resumo: A adsorção tomou-se nas últimas décadas um processo importante de purificação e separação nas áreas da petroquímica, de alimentos, da química fina e da biotecnologia. É uma operação que pode resolver os sérios problemas dos poluentes diluídos em efluentes líquidos e, também, aqueles...
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Resumo: A adsorção tomou-se nas últimas décadas um processo importante de purificação e separação nas áreas da petroquímica, de alimentos, da química fina e da biotecnologia. É uma operação que pode resolver os sérios problemas dos poluentes diluídos em efluentes líquidos e, também, aqueles relacionados com componentes em baixas concentrações nas correntes industriais, que precisam ser recuperados pelo seu alto valor agregado. Esse trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema de simulação de leito fixo e leito móvel simulado para possibilitar a tomada de decisão em relação à avaliação de um adsorvedor, já em operação, ou à viabilidade desse processo para concentração de uma determinada mistura. O trabalho foi iniciado com a simulação da coluna de adsorção em leito fixo usando o modelo de difusão no poro. Dois processos de transferência de massa foram considerados: a transferência de massa externa da fase líquida para a superfície da partícula e a difusão interna no poro. Na formulação do modelo as seguintes considerações foram feitas: coeficientes de difusão independentes da composição da mistura, partículas esféricas de igual tamanho, temperatura e porosidade constantes. A partir do modelo mais complexo, no entanto, é possível a modelagem de diversas outras situações. A abordagem cromatográfica, por exemplo, mostrou-se uma ferramenta eficaz para estudos preliminares do comportamento da mistura em estudo. Foi possível também analisar os efeitos das variáveis de operação no desempenho do sistema contracorrente contínuo, conhecido por leito móvel simulado. No projeto de tais processos, a relação de equilíbrio precisa ser conhecida e facilmente implementada no sistema de equações. Portanto, algumas modificações no modelo matemático foram propostas com o objetivo de permitir o uso de qualquer relação descrevendo o equilíbrio entre a fase líquida no poro e a fase adsorvida. Foi estudada também a descrição termodinâmica do fenômeno interfacial e aplicada a teoria da solução sólido-adsorvato para o comportamento no equilíbrio. Para a solução do modelo foram utilizados cinco métodos numéricos com as respectivas condições iniciais e de contorno. O método das Características e o método de Colocação Ortogonal em uma abordagem global e, em vários subdomínios fixos, foram acopladas com a sub-rotina DASSL para a integração no tempo. O Método dos Elementos Finitos, por sua vez, foi acoplado com CrankNicolson e Runge-Kutta. Os resultados foram comparativamente analisados, considerando a facilidade de implementação quando curvas de ruptura experimentais e simuladas da literatura foram usadas para validação. Foi mostrado que as transformações e modificações propostas na solução matemática e computacional não alteraram as respostas e possibilitaram o uso de um modelo mais compacto, com diminuição do tempo computacional. De qualquer maneira, o sistema está apto a oferecer ao usuário vários procedimentos de cálculo. A partir dos programas desenvolvidos (ADFIX, ADCRO e ADMOV) é possível acrescentar particularidades do processo e dados experimentais disponíveis, tornando o sistema de simulação ainda mais completo e versátil para estudos de casos das mais variadas situações industriais de purificação e separação de líquidos
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Abstract: Adsorption plays an important role as a purification process applied to petrochemical, food, chemistry and biotechnology areas. It is an unit operation that can solve the major problems of polluted liquid effluents, and those related with low concentrated components in industrial streams...
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Abstract: Adsorption plays an important role as a purification process applied to petrochemical, food, chemistry and biotechnology areas. It is an unit operation that can solve the major problems of polluted liquid effluents, and those related with low concentrated components in industrial streams that must be recovered due to their high added value. The aim of this work was to develop a computational system for the dynamic simulation of both fixed and simulated moving bed adsorbers. This development can help the decision about the operation or further application of the process. The starting point of this work was the simulation of packed bed adsorption columns using the pore diffusion mode
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Two mass transfer processes were considered: the exte rn ai mass transfer trom the bulk liquid phase to the particle surface and the internal pore diffusion within the adsorbent particle itself. In the formulation of this model, the following assumptions were made: diffusion coefficients independent...
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Two mass transfer processes were considered: the exte rn ai mass transfer trom the bulk liquid phase to the particle surface and the internal pore diffusion within the adsorbent particle itself. In the formulation of this model, the following assumptions were made: diffusion coefficients independent of the mixture composition, spherical particles with equal sizes, constant temperature and porosity. This same approach can be applied for others different situations. A chromatographic approach was implemented which allowed a previous study of the performance of a specific separation mixture. The continuous counter-current process was developed as a simulated moving bed and its performance was evaluated to analyse the effects of operational variables. In the design of such processes, the adsorption equilibrium relationship must be available and be easily implemented in the model equations. Therefore, some modifications into the mathematical model were proposed in order to allow the use of any relationship describing the equilibrium between the liquid solution in the pore and the solid phase. The thermodynamic description of the interface phenomena was studied and the solid-adsorbates solution theory was applied to the equilibrium behaviour. Five different numerical methods with appropriate boundary and initial conditions were adopted. The methods of Characteristics and Orthogonal Collocation in a global and finite elements approach were used coupled with the DASSL routine for solving the differential equation system. The Finite Element Method was coupled with Crank-Nicolson or Runge-Kutta for time discretization. The results were comparatively analyzed, concerning facility of implementation when experimental and predictive breakthrough curves data from literature were used for validation. It was shown that the transformations and modifications proposed did not change the response of the model and have enabled the improvement of the numerical solution. With the developed softwares (ADFIX, ADCRO and ADMOV) it is possible to modify the input of any related process data. This allows the application of the system as a more complete and versatile design tool for different industrial liquid separation and purification processes
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Maciel, Maria Regina Wolf, 1955-
Orientador
Luz Junior, Luiz Fernando de Lima
Avaliador
Krähenbühl, Maria Alvina, 1960-
Avaliador
Ravagnani, Sergio Persio, 1956-
Avaliador
Toledo, Eduardo Coselli Vasco de, 1965-
Avaliador
Desenvolvimento de um sistema para simulação e otimização do processo de adsorção para avaliação da separação de misturas liquidas
Agnes de Paula Scheer
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