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Simulation of fixed bed adsorption processes with simplified models. Application for CO2 adsorption in biogas purification

2021Master thesis Open access
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datacite.subject.fosEngenharia Químicapt_PT
dc.contributor.advisorAlmeida, João P.
dc.contributor.advisorSilva, José António
dc.contributor.advisorRenzini, María Soledad
dc.contributor.authorInchauspe, María Eugenia
dc.date.accessioned2021-04-07T09:51:21Z
dc.date.available2021-04-07T09:51:21Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractBiogas production has grown remarkably in recent years and this growth is expected to continue in the coming years. This growth leads to an increase in the field of biogas purification and upgrading research. Among the variety of existing purification and upgrading techniques, one of the most used today is adsorption, specifically Pressure Swing Adsorption (PSA) as it is convenient when a cost-efficiency balance is made. To describe the dynamic behavior of an adsorption column, it is necessary to know the effluent concentration-time profile, also called the breakthrough curve. A good prediction of the breakthrough curve is essential to ensure the normal and safe operation of the process. Among the existing mathematical models to make this prediction, the Bohart-Adams model is one of the oldest and simplest in terms of mathematical application. This model considers that the operation is carried out at a constant velocity, but when the feed concentration is high, as in the case of biogas purification where we can have CO2 concentrations of up to 50%, the velocity cannot be considered constant. In this work, the different forms of the Bohart-Adams equation were studied and it was observed that this model, Tomas's and Yoon Nelson's are the same with minor modifications. The main advantage of the use of a mathematically simple model such as Bohart-Adams for the design and scale-up in an adsorption process is to shorten the times in determining the design variables and construction parameters of the equipment and this advantage is accompanied by a reduction in costs in the design and calculation stage of the process. Seeking to transfer the mathematical simplicity of this equation to cases in which high concentrations are used, tests were performed using the Bohart-Adams logistic form, studying the changes in the fit of the experimental data when a correction for variable velocity is applied in the stoichiometric time calculation. These tests were carried out with three types of adsorbents along with three different concentrations, the three adsorbents were: Activated Carbon, Pellets CuBTC and Bulk CuBTC and the concentrations used were 20%, 33% and 50% CO2. It was found that using the sigmoid or logistic form of Bohart-Adams, good adjustments were achieved even with initial concentrations of 50%. In the end, it is shown how the parameters obtained from this model are useful to make a scale-up in a simple way.pt_PT
dc.description.abstractA produção de biogás cresceu notavelmente nos últimos anos e espera-se que esse crescimento continue nos próximos anos. Este crescimento leva a um aumento no campo da purificação do biogás e pesquisa de atualização. Entre a variedade de técnicas de purificação e atualização existentes, uma das mais usadas hoje é a adsorção, especificamente a Adsorção por Variação de Pressão (PSA), pois é conveniente quando é feito um equilíbrio de custo-benefício. Para descrever o comportamento dinâmico de uma coluna de adsorção, é necessário conhecer o perfil concentração-tempo do efluente, também chamado de curva de ruptura. Uma boa previsão da curva de ruptura é essencial para garantir o funcionamento normal e seguro do processo. Dentre os modelos matemáticos existentes para fazer essa previsão, o modelo Bohart-Adams é um dos mais antigos e simples em termos de aplicação matemática. Este modelo considera que a operação é realizada a uma velocidade constante, mas quando a concentração de alimentação é alta, como no caso da purificação do biogás onde podemos ter concentrações de CO2 de até 50%, a velocidade não pode ser considerada constante. Neste trabalho, as diferentes formas da equação de Bohart-Adams foram estudadas e observou-se que este modelo, o de Tomas e o de Yoon Nelson são iguais, com pequenas modificações. A principal vantagem do uso de um modelo matematicamente simples como Bohart-Adams para o projeto e aumento de escala em um processo de adsorção é encurtar os tempos na determinação das variáveis de projeto e parâmetros de construção do equipamento e esta vantagem é acompanhada por um redução de custos na fase de desenho e cálculo do processo. Em busca de transferir a simplicidade matemática desta equação para os casos em que são utilizadas altas concentrações, foram realizados testes utilizando a forma logística de Bohart-Adams, estudando as alterações no ajuste dos dados experimentais quando uma correção para velocidade variável é aplicada no estequiométrico cálculo do tempo. Estes testes foram realizados com três tipos de adsorventes juntamente com três concentrações diferentes, os três adsorventes foram: Carvão Ativado, Pellets CuBTC e Bulk CuBTC e as concentrações utilizadas foram 20%, 33% e 50% CO2. Verificou-se que usando a forma sigmóide ou logística de Bohart-Adams, bons ajustes foram alcançados mesmo com concentrações iniciais de 50%. Ao final, mostra-se como os parâmetros obtidos neste modelo são úteis para fazer um scale-up de forma simples.pt_PT
dc.identifier.tid202692116pt_PT
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10198/23528
dc.language.isoengpt_PT
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/pt_PT
dc.subjectSimulationpt_PT
dc.subjectBed adsorptionpt_PT
dc.subjectCO2pt_PT
dc.subjectBiogáspt_PT
dc.titleSimulation of fixed bed adsorption processes with simplified models. Application for CO2 adsorption in biogas purificationpt_PT
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
rcaap.rightsopenAccesspt_PT
rcaap.typemasterThesispt_PT
thesis.degree.nameMestrado de dupla diplomação com a Universidade Tecnológica Faculdad Regional Cordoba UTN-FRCpt_PT

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