Estudo numérico de colunas de adsorção de leito fixo

Abstract

Resumo: Com a crescente poluição ambiental, a busca por novas técnicas para diminuir a poluição gerada pelas indústrias vem ganhando espaço, como no tratamento dos efluentes têxteis e poluentes gasosos. Essas indústrias buscam processos que não afetem a qualidade do produto e, principalmente, seu custo, assim, a técnica de adsorção em leito fixo vem sendo amplamente empregada, por ser uma técnica consolidada, viável economicamente e de fácil operação. Para a implantação em escala piloto ou industrial ou mesmo validar os resultados experimentais, a utilização da modelagem matemática se destaca, pois utiliza de modelos matemáticos capazes de predizer de forma analítica os resultados e com grande precisão, além disto, dispõe-se de métodos numéricos capazes de resolver problemas cada vez mais complexos. Esse trabalho estudou dois casos disponíveis na literatura de adsorção física, em meios líquidos e gasosos com carvão ativado como adsorvente para simular o comportamento fluidodinâmico e hidrodinâmico. As simulações foram realizadas utilizando o software comercial COMSOL Multiphysics que aplica o método dos elementos finitos - MEF, para a resolução de equações diferenciais parciais. O COMSOL permite ao usuário criar e resolver equações diferenciais parciais sem o desenvolvimento de programas especializados ou habilidades numéricas. Para a resolução das simulações dividiu-se em três partes: pré-processamento, processamento e pós procesamento. Pré-processamento defini-se pela construção da geometria, definição das condições de contorno, equações que serão utilizadas e escolha da malha e seu refino e o número de iterações. O processamento é a resolução das equações diferenciais parciais pelo MEF e o pósprocessamento é a forma gráfica na qual o software disponibiliza os resultados. Através dos modelos matemáticos da lei de Darcy e transportes de espécies em meios porosos, conseguiu-se simular o ponto de saturação do leito, assim obtendo a curva de ruptura para os meios líquidos e gasosos. As simulações conseguiram representar os resultados experimentais das curvas de rupturas, porém com o início do tempo de ruptura do leito inferior ao esperado de acordo com o experimental. Observou-se nas simulações a grande influência do coeficiente de dispersão mecânica, sobre a inclinação da curva de ruptura, afetando o ponto de ruptura e exaustão do leito. Um outro parâmetro que influênciou o comportamento na saturação do leito foi o modelo da isoterma de adsorção. Na isoterma de Langmuir observou-se uma influência predominante da capacidade máxima de adsorção.

Abstract: With the increasing of environmental pollution, the search for new techniques to reduce the pollution generated by industries has been focused, mainly in the treatment of textile industries effluent and gaseous pollutants. These industries are looking for processes that do not affect the quality of the product and, specially, their costs, thus the fixed bed adsorption technique has been widely used due to it is a consolidated unit operation, economically viable and easy operation. For deployment on a pilot scale or industrial or even validate the experimental results, the use of mathematical modeling, stands out because it uses mathematical models to predict the results in an analytical way and with huge precision, in addition, has reliable numerical methods able to solve increasingly complex problems. This work studied two cases available in the literature of physical adsorption, in liquid and gaseous media with activated carbon as adsorbent, to simulate the behavior fluid and hydrodynamic. The simulations were performed using commercial software COMSOL Multiphysics implementing finite element method - MEF, for solving partial differential equations. The COMSOL allows a user to create and solve partial differential equations without the development of specialized programs or numerical skills. For the solution, the simulations were divided into three parts: preprocessing, processing and pos-processing. Preprocessing was set up by the construction of geometry, definition of boundary conditions, the equations that are used and choose the mesh and its refining and the number of iterations. The rendering is resolution of partial differential equations by the MEF and the pos-processing is the graphical way in which software provides the results. The mathematical models of Darcy's law and species transport in porous media were used to simulate the saturation point, so for getting the curve breakthrough for a liquid and a gaseous media. The simulations were able to represent the experimental results of the breakthrough curve, but with the beginning of break-point time lower than the experimental points. It was noted the great influence, in the simulations results, of mechanical dispersion coefficient on the slope of the breakthrough curve, affecting the break-point and exhaustion of the bed. Another parameter that has influenced the behavior of the bed was the model of adsorption isotherm. In the Langmuir's model the adsorption capacity had a predominant influence.