Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10198/12749
Título: Purificação do biogás em sólidos porosos
Autor: Henrique, Adriano
Orientador: Silva, José A.C.
Lenzi, Giane Gonçalves
Data de Defesa: 2015
Resumo: O biogás é uma mistura gasosa obtida pela decomposição anaeróbia da matéria orgânica, é constituído essencialmente por metano e dióxido de carbono e pequenas quantidades de outros compostos, tais como nitrogênio, ácido sulfídrico, vapor d’água entre outros. Devido a sua alta quantidade de metano, o biogás pode ser utilizado como combustível, porém, necessita passar por um processo de purificação, com o objetivo de remover o CO2 dessa mistura e transformá-la em biometano, combustível semelhante ao gás natural. Das tecnologias existentes para a purificação do biogás, a adsorção com modulação de pressão (Pressure Swing Adsorption - PSA) é uma técnica competitiva, devido à sua aplicabilidade em uma ampla gama de temperatura e pressão, e também porque a separação de gases por adsorção vem ganhando mercado com o desenvolvimento de sólidos adsorventes. Nesse aspecto, a presente dissertação foi dedicada a estudar a purificação do biogás, utilizando o processo de adsorção, em que foram realizados estudos do equilíbrio de adsorção em três tipos de adsorventes da família BEA por cromatografia gasosa, em leito fixo, para os componentes puros CO2, CH4 e N2 afim de obter suas isotérmicas de adsorção. Também foram realizados estudos de transferência de massa, de modo a determinar o mecanismo de controle de difusão predominante no adsorvente utilizado. Os estudos de equilíbrio de adsorção do CO2, CH4 e N2 foram realizados em zeólitos da família BEA, com diferentes razões molares SiO2/Al2O3 e diferentes cátions de compensação, como o H-BEA-25, H-BEA-150 e Na-BEA-25, nas temperaturas de 313, 373 e 423 K, e com pressões parciais na faixa de 0,33 a 4,16 bar. A quantidade de material adsorvido nos zeólitos BEA para os componentes estudados, decresce na seguinte ordem CO2 > CH4 > N2. As isotérmicas obtidas experimentalmente foram modeladas utilizando o modelo de Langmuir. Para os zeólitos de mesma razão molar SiO2/Al2O3 (25), observou-se que o zeólito com o cátion de compensação Na+ adsorveu maior quantidade de material do que o com o cátion H+ a 313 K e pressão 4,16 bar, com 2,84, 1,59 e 0,97 mol/kg de CO2, CH4 e N2 respectivamente, para Na-BEA e 2,28, 1,31 e 0,83 mol/kg para o H-BEA. Para os zeólitos de razão molar distintas e mesmo cátion de compensação, o zeólito H-BEA-150 apresentou uma menor quantidade de material adsorvido com 2,23, 1,06 e 0,59 mol/kg de CO2, CH4 e N2, respectivamente. Estudos de seletividade foram realizados para os sistemas CO2/CH4, CO2/N2 e CH4/N2, sendo que a ordem decrescente de seletividade para os três zeólitos nas três temperaturas estudadas é dada por CO2/N2 > CO2/CH4 > CH4/N2, com os maiores valores obtidos para o zeólito H-BEA-150, na temperatura de 313 K, com 6,65, 3,24 e 2,05 respectivamente. Os estudos de transferência de massa foram realizados pela técnica da coluna de comprimento zero (zero lenght column – ZLC), utilizando como adsorbato o CO2 à uma pressão parcial de 0,03 bar, com o sistema à pressão total de 1 bar e temperatura de 313 K. Não foi possível determinar o mecanismo que controla a difusão nos zeólitos estudados, devido os experimentos realizados serem muito rápidos e encontrarem-se em condições de equilíbrio, não sendo possível obter informações cinéticas a respeito dos materiais. No entanto, os resultados indicam que não existem resistências à transferência de massa nas condições estudadas. Com os resultados obtidos nos estudos de equilíbrio de adsorção, pode-se concluir que o zeólito BEA é um adsorvente candidato a purificação do biogás, já que demonstrou uma preferência maior à adsorção de CO2, em relação aos demais gases, e apresentou valores interessantes de seletividade para os sistemas CO2/CH4 e CO2/N2, além de apresentar características importantes, como a possibilidade de funcionalização da sua estrutura em termos de permuta catiônica e índice de hidrofobicidade através da razão molar SiO2/Al2O3.
The biogas is a gas mixture obtained by the anaerobic decomposition of organic matter, being mainly composed by methane, carbon dioxide and other compounds in minor amounts, like nitrogen, sulfidric acid, water vapour and others. Due to the high quantity of methane (around 50%), the biogas can be used as a fuel, but, it’s necessary to go through a process of purification, to remove CO2 and transform it in biomethane (around 95%), a fuel similar to natural gas. There are many technologies to purificate biogas, being the Pressure Swing Adsorption (PSA) widely used, due to it’s applicability in a wide range of temperature and pressure, and also because the gas separation using adsorption is gaining market with the development of new solid adsorbents. During this work, it was studied the pure component adsorption equilibrium of CO2, CH4 and N2 in three types of adsorbents of BEA family (H-BEA-25, H-BEA-150 and Na-BEA-25) by gas chromatography. Also mass transfer studies were carried out with the ZLC technique, to determine the predominant mechanism of diffusion control in the solid. The adsorption equilibrium studies were performed in the temperatures range of 313, 373 e 423 K, and partial pressures between 0,33 and 4,16 bar. The amount adsorbed of the compounds, decreases in the order CO2 > CH4 > N2. The isotherm data was modeled with the Langmuir Model. In zeolites with the same molar ratio SiO2/Al2O3 (25), it was observed that the compensation cation Na+ increases the amount of the compounds, being 2,84, 1,59 and 0,97 mol/kg of CO2, CH4 e N2 respectively, in Na-BEA and 2,28, 1,31 e 0,83 mol/kg in H-BEA. For the zeolites with different molar ratio and the same compensation cation, it was observed that zeolite H-BEA-25 adsorbs more than zeolite H-BEA-150. The order of selectivity for the three zeolites in the three temperatures is CO2/N2 > CO2/CH4 > CH4/N2, with the highest value obtained for zeolite H-BEA-150, at the temperature of 313 K, with 6,65, 3,24 and 2,05, respectively. The mass transfer studies were made using the zero length column (ZLC) technique, using as adsorbate CO2 at the partial pressure of 0,03 bar, with the system at a total pressure of 1 bar and temperature of 313 K. It was not possible to determine the mechanism that controls the diffusion in the zeolites, since experiments were so fast, that ZLC studies were made in equilibrium conditions. Accordingly, it was not possible to obtain kinetic information for the adsorbents. However, it can be conclude that there are no resistances to the mass transfer in the studied conditions. The experimental results obtained show that zeolite BEA is an adsorbent candidate to biogas purification, since adsorbs a significant amount of CO2, with reasonable values of selectivity for the systems CO2/CH4 and CO2/N2. At the same time, zeolite BEA presents an important characteristic, like the functionalization of the framework in terms of cation exchange and hydrophobic index by changing the molar ratio SiO2/Al2O3.
URI: http://hdl.handle.net/10198/12749
Designação: Mestrado em Engenharia Química
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