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Authors
Abstract(s)
Nowadays, several research and development efforts are devoted to find processes that can mitigate global warming. This phenomenon is caused by anthropogenic emissions of greenhouse gases, such as carbon dioxide and methane. In this way, adsorption processes are a promising alternative for capturing and separating greenhouse gases because it presents a lower energy cost, compared to other methods, and especially for the possibility of regenerating the adsorbent material without generating by-products. In addition, adsorption processes can be used for upgrading natural gas, a fuel with a low emission of carbon dioxide per kilowatt of energy produced. Thus, the main objective of this work was the development of an adsorption simulator to study the separation of CO2/CH4/N2 mixtures in a fixed bed including the conceptual design of a cyclic pressure swing adsorption (PSA) process for CO2 capture and purification. In order to achieve this objective, a mathematical model has been developed to describe the adsorption of mixtures in a fixed bed solved through numerical methods available in the literature. The numerical implementation was performed in MATLAB® simulation environment. The implemented model was tested and validated by simulating numerical examples of fixed bed adsorption available in the literature. Also, the model was used to fit experimental data collected at LSRE/CIMO-IPB concerning the CO2 adsorption in a fixed bed containing Activated Carbon derived from a municipal solid waste compost (AC-MSW). It was found, that the non-isothermal fixed bed adsorption model developed accurately described the experimental data. Finally, the thermodynamic and kinetic data collected from the best AC-MSW studied material was used to design a conceptual PSA unit using the numerical model and simulator developed. The conceptual PSA process was designed to capture carbon dioxide in a real post-combustion stream with data supplied by Persian Gulf Star Oil Company (PGSOC). Process performance parameters of the conceptual PSA simulated, indicate that is possible to achieve between 9.5-25% purity and high recovery of CO2 (above 87%) with the AC-MSW material, depending on the purge to feed ratio.
Atualmente, grandes esforços em pesquisa e desenvolvimento são destinados à busca de processos que possam mitigar o aquecimento global. Esse fenômeno é ocasionado por emissões antropogênicas de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono e o metano. Diante deste problema, o processo de adsorção é uma alternativa promissora para a captura e separação de gases do efeito estufa por apresentar menor custo energético, comparado a outros métodos, e especialmente, pela possibilidade de regenerar o material adsorvente sem gerar subprodutos. Além disso, a adsorção pode ser utilizada na purificação do gás natural, um combustível com baixa emissão de dióxido de carbono por kilowatt de energia produzida. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um simulador do processo de adsorção para o estudo da separação de misturas CO2/CH4/N2 em leito fixo incluindo um projeto conceitual do processo cíclico de adsorção por oscilação de pressão (PSA) para captura e purificação de CO2. Para alcançar este objetivo, um modelo matemático que descreve a adsorção de misturas em leito fixo foi desenvolvido e resolvido aplicando-se métodos numéricos disponíveis na literatura. A implementação numérica foi realizada no ambiente de simulação MATLAB®. O modelo implementado foi testado e validado simulando exemplos numéricos disponíveis na literatura. Além disso, o modelo foi ajustado aos dados experimentais coletados no LSRE/CIMO-IPB sobre a adsorção de CO2 em leito fixo contendo Carbono Ativado derivado de compostos de resíduos sólidos urbanos (AC-MSW). Constatou-se que o modelo não isotérmico de adsorção em leito fixo descreveu com boa precisão os dados experimentais. Por fim, os dados termodinâmicos e cinéticos coletados do melhor material estudado de AC-MSW foram utilizados para projetar uma unidade conceitual PSA utilizando o modelo numérico desenvolvido. A unidade conceitual PSA foi projetado para capturar dióxido de carbono de um fluxo real de gases pós-combustão, com dados fornecidos pela empresa Persian Gulf Star Oil Company (PGSOC). Os parâmetros de desempenho do processo PSA simulado indicam que com o AC-MSW é possível obter uma pureza entre 9.5-25% e alta recuperação de CO2 (acima de 87%), dependendo da relação entre a purga e a alimentação.
Atualmente, grandes esforços em pesquisa e desenvolvimento são destinados à busca de processos que possam mitigar o aquecimento global. Esse fenômeno é ocasionado por emissões antropogênicas de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono e o metano. Diante deste problema, o processo de adsorção é uma alternativa promissora para a captura e separação de gases do efeito estufa por apresentar menor custo energético, comparado a outros métodos, e especialmente, pela possibilidade de regenerar o material adsorvente sem gerar subprodutos. Além disso, a adsorção pode ser utilizada na purificação do gás natural, um combustível com baixa emissão de dióxido de carbono por kilowatt de energia produzida. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi desenvolver um simulador do processo de adsorção para o estudo da separação de misturas CO2/CH4/N2 em leito fixo incluindo um projeto conceitual do processo cíclico de adsorção por oscilação de pressão (PSA) para captura e purificação de CO2. Para alcançar este objetivo, um modelo matemático que descreve a adsorção de misturas em leito fixo foi desenvolvido e resolvido aplicando-se métodos numéricos disponíveis na literatura. A implementação numérica foi realizada no ambiente de simulação MATLAB®. O modelo implementado foi testado e validado simulando exemplos numéricos disponíveis na literatura. Além disso, o modelo foi ajustado aos dados experimentais coletados no LSRE/CIMO-IPB sobre a adsorção de CO2 em leito fixo contendo Carbono Ativado derivado de compostos de resíduos sólidos urbanos (AC-MSW). Constatou-se que o modelo não isotérmico de adsorção em leito fixo descreveu com boa precisão os dados experimentais. Por fim, os dados termodinâmicos e cinéticos coletados do melhor material estudado de AC-MSW foram utilizados para projetar uma unidade conceitual PSA utilizando o modelo numérico desenvolvido. A unidade conceitual PSA foi projetado para capturar dióxido de carbono de um fluxo real de gases pós-combustão, com dados fornecidos pela empresa Persian Gulf Star Oil Company (PGSOC). Os parâmetros de desempenho do processo PSA simulado indicam que com o AC-MSW é possível obter uma pureza entre 9.5-25% e alta recuperação de CO2 (acima de 87%), dependendo da relação entre a purga e a alimentação.
Description
Dupla diplomação UTFPR
Keywords
Modelling and simulation Fixed bed adsorption Pressure swing adsorption.