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Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.unioeste.br/handle/tede/7194
Tipo do documento: Dissertação
Title: Modelagem e previsão da adsorção do CO2 em diferentes adsorventes utilizando equações fenomenológicas e redes neurais: uma abordagem combinada
Other Titles: Modeling and prediction of CO2 adsorption on different adsorbents using phenomenological equations and neural networks: a combined approach
Autor: Colombo, William Luis Reginatto 
Primeiro orientador: Palu, Fernando
Primeiro coorientador: Silva, Edson Antonio da
Primeiro membro da banca: Borba, Carlos Eduardo
Segundo membro da banca: Johann, Gracielle
Terceiro membro da banca: Palu, Fernando
Resumo: A alta emissão de dióxido de carbono (CO2) é uma das principais causas do aquecimento global. A adsorção é uma das opções em potencial para a captura, uma vez que é de fácil aplicação e adaptação em processos industriais, além de ser de baixo custo. Entretanto, ainda é necessário estudar as condições ótimas para aumentar a eficiência de captura. Destacam-se, dentre os materiais utilizados para adsorção, as zeólitas, as estruturas metal-orgânicas e o carvão ativado, tendo em vista que, suas características como volume e distribuição de poro, bem como área superficial são variáveis de expressiva importância para a eficiência do processo. No entanto, na modelagem clássica do equilíbrio estas propriedades não aparecem na formulação matemática. Os modelos fenomenológicos baseados em equações de estado são alternativas para descrever fenômenos de adsorção, contudo, a via fenomenológica apresenta algumas limitações quando o número de variáveis envolvidas no processo aumenta. Assim este trabalho tem como principal objetivo realizar a modelagem matemática dos dados de equilíbrio da adsorção do CO2 em diferentes tipos de adsorventes empregando modelos fenomenológicos (Equações de Estado 2D e Isotermas clássicas de Adsorção) e redes neurais artificiais. Assim, inicialmente foi realizado a coleta de dados de adsorção para os seguintes adsorventes: Cu-BTC, Zeólita 13X, IRMOF-1, ZIF-8, Mg-MOF-74, carbono ativado e Zeólita 5A, com diferentes condições de temperatura, pressão, além das propriedades texturais dos adsorventes: área superficial e volume de poro, totalizando assim 2991 dados de temperatura, pressão e quantidade adsorvida. Após a coleta dos dados, realizou-se uma modelagem matemática com as equações clássicas (Langmuir, Freundlich, Toth e Sips) e com as equações de estados bidimensionais (Van der Waals, Redlich-Kwong e Pegn-Robinson). Os modelos que melhor representaram os sistemas investigados foram Toth (IRMOF-1 e carvão ativado), Sips (ZIF-8 e Zeólita 5A), Van der Waals (Zeólita 13X e Mg-MOF-74) e Langmuir (Cu-BTC). Numa segunda etapa o melhor modelo para cada tipo de adsorvente foi utilizado para gerar uma base de dados padronizada com as condições de equilíbrio de adsorção junto com as propriedades texturais para realizar o treinamento com redes neurais. Para o treinamento utilizou-se como técnica de validação cruzada o K-Fold, com 4 subconjuntos, com separação de 15% dos dados para realizar a validação final, foram testadas e otimizadas 6 diferentes condições, com 1, 2 e 3 camadas internas de neurônios, testando neurônios perceptron e recorrentes. O critério usado para separar os dados foi a combinação das variáveis de entrada: área, temperatura e volume de poro para o Cu-BTC, Zeólita 13 X e IRMOF-1, e área e temperatura para o restante dos adsorventes, com a finalidade de evitar análises estatísticas com dados já treinados previamente e trazer maior robustez nos modelos. A quantidade de neurônios e a função de ativação foi escolhida com o uso de algoritmos genéticos. Com a melhor configuração escolhida, em seguida determinou-se a quantidade ótima de épocas, comparando-se com os dados de teste. Por fim, com a melhor configuração fez-se um comparativo estatístico para escolha do melhor modelo obtido entre as 6 configurações. No geral a configuração com neurônios perceptron se sobressaiu em relação as redes recorrentes, e apenas para o carvão ativado que a modelagem não foi satisfatória. Através da análise paramétrica observou-se que a área tem uma correlação negativa com a adsorção, com exceção da Zeólita 13X e o volume de poro apresentou correlação positiva para o Cu-BTC, negativa para a Zeólita 13X e inconclusiva para o IRMOF-1. Ademais, o uso de redes neurais combinados com as equações fenomenológicas foram satisfatórios para geração de modelos genéricos com capacidade preditiva em diferentes condições operacionais e propriedades texturais dos adsorventes.
Abstract: The high emission of carbon dioxide (CO2) is one of the main causes of global warming. Adsorption is one of the potential options for capture, since it is easy to apply and adapt in industrial processes, in addition to being low cost. However, it is still necessary to study the optimal conditions to increase capture efficiency. Among the materials used for adsorption, zeolites, metal-organic frameworks and activated carbon stand out, since their characteristics such as pore volume and distribution, as well as surface area are variables of significant importance for the efficiency of the process. However, in classical equilibrium modeling these properties do not appear in the mathematical formulation. Phenomenological models based on equations of state are alternatives to describe adsorption phenomena, however, the phenomenological route presents some limitations when the number of variables involved in the process increases. Thus, the main objective of this work is to perform the mathematical modeling of equilibrium data of CO2 adsorption on different types of adsorbents using phenomenological models (2D Equations of State and classical Adsorption Isotherms) and artificial neural networks. Thus, adsorption data collection was initially performed for the following adsorbents: Cu-BTC, Zeolite 13X, IRMOF-1, ZIF-8, Mg-MOF-74, activated carbon and Zeolite 5A, with different conditions of temperature, pressure, besides the textural properties of the adsorbents: surface area and pore volume, thus totaling 2991 data of temperature, pressure and adsorbed amount. After data collection, mathematical modeling was performed with the classical equations (Langmuir, Freundlich, Toth and Sips) and with the two-dimensional equations of state (Van der Waals, Redlich-Kwong and Pegn-Robinson). The models that best represented the investigated systems were Toth (IRMOF-1 and activated carbon), Sips (ZIF-8 and Zeolite 5A), Van der Waals (Zeolite 13X and Mg-MOF-74) and Langmuir (Cu-BTC). In a second step the best model for each type of adsorbent was used to generate a standardized database with the adsorption equilibrium conditions together with the textural properties to perform the training with neural networks. For the training, the K-Fold cross-validation technique was used, with 4 subsets, with 15% separation of the data to perform the final validation, 6 different conditions were tested and optimized, with 1, 2 and 3 internal layers of neurons, testing perceptron and recurrent neurons. The criterion used to separate the data was the combination of the input variables: area, temperature and pore volume for Cu-BTC, Zeolite 13X and IRMOF-1, and area and temperature for the rest of the adsorbents, in order to avoid statistical analysis with previously trained data and bring greater robustness in the models. The number of neurons and the activation function were chosen using genetic algorithms. With the best configuration chosen, the optimal number of epochs was then determined, comparing with the test data. Finally, with the best configuration, a statistical comparison was made to choose the best model obtained among the 6 configurations. In general, the configuration with perceptron neurons stood out in relation to the recurrent networks, and only for activated carbon that the modeling was not satisfactory. Through the parametric analysis it was observed that the area has a negative correlation with adsorption, except for Zeolite 13X and the pore volume showed a positive correlation for Cu-BTC, negative for Zeolite 13X and inconclusive for IRMOF-1. Furthermore, the use of neural networks combined with phenomenological equations was satisfactory for generating generic models with predictive capacity under different operating conditions and textural properties of the adsorbents.
Keywords: Adsorção
Redes neurais
Algoritimos genéticos
Modelagem matemática.
Adsorption
Neural networks
Genetic algorithms
Mathematical modeling
CNPq areas: ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Publisher: Universidade Estadual do Oeste do Paraná
Sigla da instituição: UNIOESTE
Departamento: Centro de Engenharias e Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Campun: Toledo
Citation: COLOMBO, William Luis Reginatto. Modelagem e previsão da adsorção do CO2 em diferentes adsorventes utilizando equações fenomenológicas e redes neurais: uma abordagem combinada. 2023. 140 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://tede.unioeste.br/handle/tede/7194
Issue Date: 18-Aug-2023
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Química (TOL)

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