Registro fonte: Modelagem e simulação da adsorção de H2S em colunas de leito fixo visando a otimização de condições operacionais e o scale-up

Modelagem e simulação da adsorção de H2S em colunas de leito fixo visando a otimização de condições operacionais e o scale-up

Due to the increase in energy demand, new sustainable technologies for energy supply are being developed not only to supply this demand, but to reduce environmental impacts, since much of the energy used by human being is through the fossil fuels burning, which leds to greenhouse gases emission. Thi...

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Autor principal:	Silva, Pedro Guilherme Costacurta da
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2023
Assuntos:	Biogás Modelos matemáticos Energia - Fontes alternativas Adsorção Biogas Mathematical models Renewable energy sources Adsorption CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30654
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id	riut-1-30654
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spelling	riut-1-306542023-03-01T06:07:32Z Modelagem e simulação da adsorção de H2S em colunas de leito fixo visando a otimização de condições operacionais e o scale-up Modeling and simulation of H2S adsorption in fixed bed columns with the objective of optimizing operating conditions and scale-up Silva, Pedro Guilherme Costacurta da Scheufele, Fabiano Bisinella Scheufele, Fabiano Bisinella Schmitz, Jones Erni Alves, Helton José Biogás Modelos matemáticos Energia - Fontes alternativas Adsorção Biogas Mathematical models Renewable energy sources Adsorption CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA Due to the increase in energy demand, new sustainable technologies for energy supply are being developed not only to supply this demand, but to reduce environmental impacts, since much of the energy used by human being is through the fossil fuels burning, which leds to greenhouse gases emission. This adverse scenario provides concerns about air pollution and climate change. In this context, the present work consisted in the mathematical modeling development to investigate the behavior of kinetics, equilibrium, and the influence of operational variables on the performance of the adsorption of H2S in fixed bed columns, as well as to model and simulate its dynamic behavior adjusted to experimental lab-scale data coupled with analysis of the influence of operational parameters, aiming to establish optimal operating conditions to support the dimensioning and scale-up of biogas desulfurization units. Therefore, lab-scale experimental data aimind to obtain equilibrium and kinetic data from the Langmuir isotherm (qmax (45°C) = 23.903 mg g-1; qmax (25°C) = 146.5 mg g-1 and b = 12.372 L mg-1), were obtained in a fixed bed adsorption column equipment present at Labmater-UFPR, linked to the ANEEL/COPEL PD RD&I UFPR 80-2018 project. Afterwards, for the description of the mass transfer rate, three models were considered assuming different mechanisms as the controlling step of mass transfer, namely, two diffusional models: Resistance to external mass transfer – Diffusion in the film; Resistance to internal mass transfer – Intraparticle diffusion using the LDF approach; and a reaction model: Adsorption at the adsorbent sites. From this, the following operational parameters were evaluated: Feed concentration of H2S in the bed (C0) in 50 ppmmol, 500 ppmmol and 1000 ppmmol; volumetric feed rate (Q) in 300 mL min-1, 1050 mL min-1 and 1800 mL min-1; Temperature (T) at 25 °C, 35 °C and 45 °C). From the obtained models’ fitting performance results, it was identified that the LDF model was the one that best described phenomenologically the fixed bed adsorption process. In this way, different simulations were carried out with the actual operating data of the adsorption column present in the Entre Rios do Oeste Biogas Mini Power Plant, varying the following parameters: C0 (191 ppmmol, 769.1 ppmmol and 1773 ppmmol); Q (187.50 L min-1,656, 25 L min-1 and 1125 L min-1); Bed height (HB) (82 cm and 164 cm). In addition, on large scale (real scale), sudden variations in H2S concentration and feed flowrate were identified as critical variables, because despite being variables that are not easily controllable and intrinsic to the process, these (especially in some non-ideal bed operation configurations) caused a “concentration peak” effect, impairing the bed’s efficiency. In this sense, in order to avoid underutilization of the bed and to overcome such problems, the best operating parameters for the bed were found from the simulations (C0 = 769 ppmmol, Q = 656.25 L min-1 and HB = 164 cm), but due to the increase in the pressure drop (head loss) in the bed caused by the increase in the bed length, it is also suggested to operate in parallel by using two beds with the same optimal parameters, however, considering half the flowrate (Q = 328.13 L min-1). In general, through the development of this work, the phenomenological mathematical modeling stood out as a powerful tool in the analysis and optimization of processes, in which, through simulations of different operating conditions or configurations, it allowed the optimization of these, the identification of possible operational problems (through reduced experimentation), and the scale-up of the process, which was confronted and validated based on real operating data. Devido ao aumento da demanda energética, novas tecnologias sustentáveis para o suprimento de energia estão em desenvolvimento com a finalidade de, além de atender a demanda, reduzir os impactos ambientais, uma vez que boa parte da energia utilizada pelo ser humano é através da queima de combustíveis fósseis gerando gases de efeito estufa. Este cenário é preocupante no que tange à poluição do ar e mudanças climáticas. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos matemáticos para investigar o comportamento de cinética, equilíbrio e a influência das variáveis operacionais sobre a performance da adsorção de H2S em colunas de leito fixo, bem como a modelagem e simulação destes no ajuste à dados experimentais em escala laboratorial e, análise da influência dos parâmetros operacionais, visando o estabelecimento de condições ótimas de operação para subsidiar o dimensionamento e o scale-up de unidades de dessulfurização do biogás. Desse modo, os dados experimentais em escala laboratorial para a obtenção dos dados de equilíbrio e cinéticos a partir da isoterma de Langmuir (qmax (45°C) = 23,903 mg g-1; qmax(25°C) = 146,5 mg g-1 e b = 12,372 L mg-1), foram obtidos em um módulo de coluna de adsorção em leito fixo presente no Labmater-UFPR, vinculado ao projeto ANEEL/COPEL PD RD&I UFPR 80-2018. Em seguida, para a descrição da taxa de transferência de massa, foram considerados três modelos que assumem diferentes mecanismos como etapa controladora de transferência de massa, sendo dois modelos difusionais: Resistência à transferência de massa externa – Difusão no filme; Resistência à transferência de massa interna – Difusão intrapartícula utilizando a abordagem LDF; e um modelo reacional: Adsorção nos sítios do adsorvente. A partir disso, realizou-se a avaliação dos seguintes parâmetros operacionais: Concentração de alimentação de H2S no leito (C0) em 50 ppmmol, 500 ppmmol e 1000 ppmmol; vazão volumétrica de alimentação (Q) em 300 mL min-1, 1050 mL min-1 e 1800 mL min-1; Temperatura (T) em 25 °C, 35 °C e 45 °C). A partir dos resultados obtidos identificou-se que o modelo LDF foi o que melhor descreveu fenomenologicamente o processo de adsorção em leito fixo. Desta forma, realizaram-se diferentes simulações com os dados reais de operação da coluna de adsorção presente Minicentral Termelétrica a Biogás de Entre Rios do Oeste, variando os seguintes parâmetros: C0 (191 ppmmol, 769,1 ppmmol e 1773 ppmmol); Q (187,50 L min-1, 656, 25 L min-1 e 1125 L min-1); Altura do leito (HB) (82 cm e 164 cm). Além disso, em escala real, identificou-se as variações bruscas de concentração de H2S e vazão de alimentação como variáveis críticas, pois apesar de serem variáveis não facilmente controláveis e intrínsecas ao processo, estas (especialmente em algumas configurações não ideais de operação do leito) causam um efeito de “golpe de concentração” prejudicando a eficiência do leito. Neste sentido, visando evitar o subaproveitamento do leito e contornar tais problemas, a partir das simulações encontrou-se os melhores parâmetros de operação para o leito (C0 = 769 ppmmol, Q = 656,25 L min-1 e HB = 164 cm), porém devido ao aumento na perda de carga no leito causado pelo aumento do mesmo, sugere-se ainda a operação em paralelo utilizando dois leitos com os mesmos parâmetros ótimos, entretanto, considerando metade da vazão (Q = 328,13 L min-1). De modo geral, por meio da elaboração deste trabalho, a modelagem matemática fenomenológica se configurou como uma ferramenta poderosa na análise e otimização de processos, em que por meio de simulações de diferentes condições ou configurações operacionais permitiu a otimização destas, a identificação de possíveis problemas operacionais (por meio de experimentação reduzida), e o aumento de escala do processo, o qual foi confrontado e validado a partir de dados reais de operação. 2023-02-28T16:41:57Z 2023-02-28T16:41:57Z 2021-08-25 bachelorThesis SILVA, Pedro Guilherme Costacurta da. Modelagem e simulação da adsorção de H2S em colunas de leito fixo visando a otimização de condições operacionais e o scale-up. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30654 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Toledo Brasil Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia UTFPR
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description	Due to the increase in energy demand, new sustainable technologies for energy supply are being developed not only to supply this demand, but to reduce environmental impacts, since much of the energy used by human being is through the fossil fuels burning, which leds to greenhouse gases emission. This adverse scenario provides concerns about air pollution and climate change. In this context, the present work consisted in the mathematical modeling development to investigate the behavior of kinetics, equilibrium, and the influence of operational variables on the performance of the adsorption of H2S in fixed bed columns, as well as to model and simulate its dynamic behavior adjusted to experimental lab-scale data coupled with analysis of the influence of operational parameters, aiming to establish optimal operating conditions to support the dimensioning and scale-up of biogas desulfurization units. Therefore, lab-scale experimental data aimind to obtain equilibrium and kinetic data from the Langmuir isotherm (qmax (45°C) = 23.903 mg g-1; qmax (25°C) = 146.5 mg g-1 and b = 12.372 L mg-1), were obtained in a fixed bed adsorption column equipment present at Labmater-UFPR, linked to the ANEEL/COPEL PD RD&I UFPR 80-2018 project. Afterwards, for the description of the mass transfer rate, three models were considered assuming different mechanisms as the controlling step of mass transfer, namely, two diffusional models: Resistance to external mass transfer – Diffusion in the film; Resistance to internal mass transfer – Intraparticle diffusion using the LDF approach; and a reaction model: Adsorption at the adsorbent sites. From this, the following operational parameters were evaluated: Feed concentration of H2S in the bed (C0) in 50 ppmmol, 500 ppmmol and 1000 ppmmol; volumetric feed rate (Q) in 300 mL min-1, 1050 mL min-1 and 1800 mL min-1; Temperature (T) at 25 °C, 35 °C and 45 °C). From the obtained models’ fitting performance results, it was identified that the LDF model was the one that best described phenomenologically the fixed bed adsorption process. In this way, different simulations were carried out with the actual operating data of the adsorption column present in the Entre Rios do Oeste Biogas Mini Power Plant, varying the following parameters: C0 (191 ppmmol, 769.1 ppmmol and 1773 ppmmol); Q (187.50 L min-1,656, 25 L min-1 and 1125 L min-1); Bed height (HB) (82 cm and 164 cm). In addition, on large scale (real scale), sudden variations in H2S concentration and feed flowrate were identified as critical variables, because despite being variables that are not easily controllable and intrinsic to the process, these (especially in some non-ideal bed operation configurations) caused a “concentration peak” effect, impairing the bed’s efficiency. In this sense, in order to avoid underutilization of the bed and to overcome such problems, the best operating parameters for the bed were found from the simulations (C0 = 769 ppmmol, Q = 656.25 L min-1 and HB = 164 cm), but due to the increase in the pressure drop (head loss) in the bed caused by the increase in the bed length, it is also suggested to operate in parallel by using two beds with the same optimal parameters, however, considering half the flowrate (Q = 328.13 L min-1). In general, through the development of this work, the phenomenological mathematical modeling stood out as a powerful tool in the analysis and optimization of processes, in which, through simulations of different operating conditions or configurations, it allowed the optimization of these, the identification of possible operational problems (through reduced experimentation), and the scale-up of the process, which was confronted and validated based on real operating data.
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