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Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.unioeste.br/handle/tede/7574
Tipo do documento: Tese
Title: Estudo da separação da mistura CH4/CO2 pelo processo de adsorção com modulação de pressão utilizando carvão ativado comercial de origem vegetal
Other Titles: Study of the separation of the CH4/CO2 mixture by the pressure-modulated adsorption process using commercial activated carbon of vegetable origin
Autor: Staudt, Junior 
Primeiro orientador: Borba, Carlos Eduardo
Primeiro coorientador: Canevesi, Rafael Luan Sehn
Primeiro membro da banca: Silva, Edson Antônio da
Segundo membro da banca: Módenes, Aparecido NIvaldo
Terceiro membro da banca: Arroyo, Pedro Augusto
Quarto membro da banca: Scheufele, Fabiano Bisinella
Resumo: A separação da mistura formada pelos componentes majoritários do biogás bruto (CH4/CO2) é de grande interesse por promover a produção de biometano, que é um combustível renovável que pode ser alimentado na rede de gás natural e usado como substituto dos combustíveis fósseis. O enriquecimento de biogás por adsorção por modulação de pressão (PSA) é amplamente utilizado. No entanto, alto custo dos materiais adsorventes e ineficiência de separação na presença de contaminantes minoritários como vapor d’água podem dificultar o projeto de uma unidade PSA. O objetivo do presente trabalho foi estudar a separação da mistura CH4/CO2 pelo processo PSA usando um carvão ativado da casca do coco (CACC), o qual é produzido em escala comercial e é de baixo custo. Para tanto, o adsorvente foi primeiramente caracterizado, sendo evidenciado por fisissorção de nitrogênio e hidrogênio que 94% do volume dos poros está concentrado na região dos microporos. Parâmetros de equilíbrio foram estimados aplicando os modelos de Langmuir e Langmuir Multissítios a isotermas de equilíbrio monocomponente de CH4, CO2 e H2O a 298 e 323 K, as quais indicaram afinidades e capacidades de adsorção na ordem H2O>CO2>CH4. A partir destes parâmetros, foram simuladas isotermas de equilíbrio binárias e ternárias, e a seletividade e a capacidade de adsorção do CACC foram calculadas na presença e ausência de umidade e, em seguida, comparadas com as obtidas para a zeólita 13X, utilizada como material de referência. As simulações pelo modelo IAST-Langmuir apresentaram boa concordância com os dados experimentais de equilíbrio binário, e também alta seletividade de equilíbrio do CACC ao CO2, a qual aumentou na presença de umidade, indicando sua viabilidade para o enriquecimento de biogás úmido. Por outro lado, as simulações para a zeólita 13X sugeriram que o material não é adequado na presença de vapor de água, mas apresenta maior seletividade do que o CACC para o sistema CH4/CO2. Portanto, a integração de ambos os materiais pode ser útil para o enriquecimento do biogás. Foram obtidas curvas de ruptura diluídas (1 a 5 bar), com 5 vol% do adsorbato de interesse em balanço com gás Hélio. A partir destas curvas foram estimados os parâmetros cinéticos de transferência de massa nos macro/mesoporos e nos microporos, os quais não variaram com a pressão dentro do intervalo testado. Os parâmetros cinéticos e de equilíbrio foram usados para simular as curvas de ruptura dos sistemas binário e ternário. O modelo foi capaz de descrever bem o comportamento e a ruptura de ambos os adsorbatos em curvas de ruptura binárias CH4/CO2 obtidas em pressões de 1 a 5 bar e temperatura de 298 K, a partir das quais evidenciou-se o potencial do CACC em separar a mistura CH4/CO2 em uma coluna de leito fixo (fluxo contínuo). Na simulação de mistura ternária (CH4/CO2/H2O), a presença da umidade causou 10% de redução na capacidade de adsorção do CO2, porém não impossibilitou a separação da mistura e a produção de metano enriquecido. A partir das simulações realizadas para o processo de PSA observaram-se altos níveis de pureza (≈ 92%) e recuperação (≈ 89%) de metano na condição seca, os quais diminuíram na presença de umidade para 76 e 52%, respectivamente, nas condições simuladas. Por fim, concluiu-se que o CACC apresentou bom desempenho na presença de umidade, e, portanto, poderia ser aplicado de forma integrada com outro material que apresente maior seletividade na condição seca, como etapa preliminar do enriquecimento de biogás ou em um leito híbrido (e.g., carvão ativado e zeólita).
Abstract: The separation of the mixture formed by the major components of raw biogas (CH4/CO2) is of great interest because it promotes the upgrading of biogas to biomethane, which is a renewable fuel that can be fed into the natural gas grid and used as a substitute for fossil fuels. Biogas upgrading by pressure swing adsorption (PSA) is widely used. However, adsorbent materials can be costly when designing a PSA unit or inefficient in the presence of minority contaminants such as water vapor. The aim of this work was to study the separation of the mixture by the PSA process using coconut shell activated carbon (CACC), which is produced on a commercial scale and is low-cost. To this end, the adsorbent was first characterized, and it was shown by nitrogen and hydrogen physisorption that 94% of the pore volume is concentrated in the micropore region. Equilibrium parameters were estimated by applying the Langmuir and Langmuir Multisite models to the single-component equilibrium isotherms of CH4, CO2 and H2O at 298 and 323 K, which indicated affinities and adsorption capacities in the order H2O>CO2>CH4. Based on these parameters, binary and ternary equilibrium isotherms were simulated, and the selectivity and adsorption capacity of CACC were calculated in the presence and absence of humidity and then compared with those obtained for zeolite 13X, used as a reference material. The simulations using the IAST-Langmuir model showed good agreement with the experimental binary equilibrium data, and high equilibrium selectivity of CACC to CO2, which increased in the presence of moisture, indicating its viability for wet biogas enrichment. On the other hand, the simulations for zeolite 13X suggested that the material is not suitable in the presence of water vapor but shows greater selectivity than CACC for the CH4/CO2 system. Therefore, the integration of both materials can be useful for biogas enrichment. Diluted breakthrough curves were obtained (1 to 5 bar), with 5 vol% of the adsorbate of interest in balance with Helium gas. These curves were used to estimate the mass transfer kinetic parameters in the macro/mesopores and micropores, which did not vary with pressure within the range tested. Kinetic and equilibrium parameters were used to simulate the breakthrough curves for binary and ternary systems. The model was able to describe well the behavior and the breakthrough of both adsorbates in CH4/CO2 binary breakup curves obtained at pressures of 1 to 5 bar and a temperature of 298 K, from which it was evident that CACC has the potential to separate the CH4/CO2 mixture in a fixed-bed column (continuous flow). In the ternary mixture simulation (CH4/CO2/H2O), the presence of humidity caused a 10% reduction in CO2 adsorption capacity but did not prevent the mixture from being separated and the production of enriched methane. Simulations carried out for the PSA process showed that CACC can provide elevated levels of purity (≈ 92%) and recovery (≈ 89%) of methane in the dry condition, which decreased in the presence of humidity to 76 and 52%, respectively, under the simulated conditions. Finally, it was concluded that the CACC performed well in the presence of moisture and could therefore be applied in an integrated manner with another material that has greater selectivity in the dry condition, as a preliminary stage in biogas enrichment or in a hybrid bed (e.g., activated carbon and zeolite).
Keywords: Biogás
Biometano
Umidade
Adsorção cíclica
Modelagem matemática
Biogas
Biomethane
Moisture
Cyclic adsorption
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: STAUDT, Junior. Estudo da separação da mistura CH4/CO2 pelo processo de adsorção com modulação de pressão utilizando carvão ativado comercial de origem vegetal. 2023. 154 f. Tese (Doutorado 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/7574
Issue Date: 13-Dec-2023
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Química (TOL)

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