Adsorção em Coluna de Enchimento - paginas.fe.up.pt · 2 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de...

of 20 /20
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Adsorção em Coluna de Enchimento Adsorção de CO 2 em Carvão Ativado Projeto FEUP 2014/2015 MIEA: Coordenador Geral: João Bastos Coordenador do Curso: Fernando Pereira Supervisor: José Miguel Loureiro Monitor: Bárbara Pereira MIEA102_Grupo 1: Daniela Castro ([email protected]) Margarida Vaz ([email protected]) Miguel Matos ([email protected]) Miguel Vale ([email protected]) Tiago Lopes ([email protected]) Wilson Fernandes ([email protected])

Embed Size (px)

Transcript of Adsorção em Coluna de Enchimento - paginas.fe.up.pt · 2 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Adsoro em Coluna de Enchimento

Adsoro de CO2 em Carvo Ativado

Projeto FEUP 2014/2015 MIEA:

Coordenador Geral: Joo Bastos

Coordenador do Curso: Fernando Pereira

Supervisor: Jos Miguel Loureiro

Monitor: Brbara Pereira

MIEA102_Grupo 1:

Daniela Castro ([email protected])

Margarida Vaz ([email protected])

Miguel Matos ([email protected])

Miguel Vale ([email protected])

Tiago Lopes ([email protected])

Wilson Fernandes ([email protected])

2 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Resumo

O nosso trabalho baseia-se na adsoro em coluna de enchimento. De modo

a realizar este processo, foi escolhido como adsorvente o carvo ativado.

O trabalho foi realizado em laboratrio, onde se obteve, atravs da

experincia de adsoro, as curvas de rutura e de temperatura na coluna de enchimento,

representadas em programa de computador, para as etapas de adsoro e dessoro.

Durante a experincia, a percentagem de CO2 variou ao longo das etapas

(adsoro e dessoro). Esta aumentou ao longo da fase de adsoro at estabilizar

final da adsoro e, posteriormente, houve um decrscimo de CO2, momento em que

se deu a fase de dessoro, finalizando quando a percentagem deste ficou nula,

terminando assim a experincia. Durante todo o processo a temperatura dos termopares

presentes na coluna variou de forma independente em cada um.

Palavras - Chave: adsoro; dessoro; CO2; carvo ativado; coluna de enchimento.

3 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

ndice

Resumo ............................................................................................................................. 2

ndice ................................................................................................................................ 3

Lista de Figuras ................................................................................................................ 4

Abreviaturas e Smbolos ................................................................................................... 5

Introduo ......................................................................................................................... 6

Tipos de Adsoro ............................................................................................................ 8

Carvo Ativado ................................................................................................................. 9

Principais Utilizaes ............................................................................................ 9

Experincia ..................................................................................................................... 10

1. Material ............................................................................................................ 10

2. Procedimento Utilizado ................................................................................... 11

3. Resultados Obtidos .......................................................................................... 12

Concluso ....................................................................................................................... 14

Referncias Bibliogrficas .............................................................................................. 15

Anexos ............................................................................................................................ 16

Anexo I: Instalao experimental e modo de operao ....................................... 17

Anexo II: Indicaes especiais de operao e segurana ..................................... 19

4 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Lista de Figuras

Figura1 Material utilizado experimentalmente para a realizao da adsoro....10

Figura2 Grfico indicador da percentagem de CO2 em funo do tempo...12

Figura3 Grfico ilustrador da variao da temperatura dos 7 termopares em funo do

tempo ..12

Figura4 Grfico mostrador da percentagem de CO2 em funo do tempo no fenmeno

de dessoro.12

Figura5 Grfico ilustrador da variao da temperatura em funo do tempo no

fenmeno de dessoro12

Figura6 Esquema representativo da atividade experimental.......16

5 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Abreviaturas e Smbolos

CO2 dixido de carbono

He - hlio

C - carbono

6 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Introduo

No mbito de unidade curricular Projeto FEUP do 1 ano do Mestrado

Integrado em Engenharia do Ambiente da Faculdade de Engenharia da Universidade do

Porto, foi realizado o presente relatrio cujo tema Adsoro em Coluna de

Enchimento.

A adsoro um fenmeno de superfcie decorrente da aderncia de

molculas de um componente de uma fase fluida sobre a superfcie de um slido

adsorvente. O processo tem origem nas foras atrativas entre as molculas e a superfcie

do slido adsorvente, tratando-se de um fenmeno espontneo. Existem dois tipos de

adsoro: a fsica e a qumica, no entanto apenas iremos aprofundar sobre a adsoro

fsica. Este tipo de adsoro um fenmeno superficial, no qual um fluido

reversivelmente retido na superfcie de um slido por foras dispersivas de van der

Waals (este processo usual na separao ou purificao de gases). O processo de

adsoro visa a reteno de gases nefastos para o ambiente, nomeadamente o CO2. Com

a captura deste numa corrente gasosa e o seu sequestro num meio slido, o adsorvente,

possvel originar um efluente limpo que poder ser libertado sem trazer consequncias

para a sade ambiental, facto que comprova a utilidade e eficincia deste processo.

O adsorvente um slido cujas propriedades permitem aumentar a concentrao

do(s) soluto(s) sobre a sua superfcie. Este tem de ter uma rea especfica elevada, facto

que possvel pela sua estrutura porosa. Quando em contacto com a fase lquida ou

gasosa, estabelecido um equilbrio entre esta e a fase slida.

O carvo ativado ser o adsorvente utilizado, devido sua microporosidade e

fcil obteno1. Uma das caractersticas mais importantes de um adsorvente a

quantidade de substncia que pode ser acumulada ou retirada da sua superfcie

(LETTERMAN, 1999.; OSCIK e COOPER 1982). Ao longo da experincia ser

possvel observar a capacidade de adsoro de CO2 que o carvo ativado apresenta.

No processo de adsoro em leito fixo, uma corrente lquida ou gasosa

continuamente alimentada a uma coluna que contm o adsorvente slido (carvo

ativado). Os solutos presentes na corrente sero retidos pelo adsorvente at ao seu limite

de saturao, obtendo-se um efluente purificado. De forma a que o processo seja

efetuado considera-se uma coluna de volume V, comprimento L, seco reta S e

7 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

contendo um enchimento de porosidade X. Esta atravessada inicialmente por um gs

puro no retido pelo adsorvente (gs de arrasto) com caudal Q, de modo a retirar

possveis impurezas presentes na coluna. entrada da coluna ser introduzido um

soluto A, cuja concentrao passar instantaneamente de zero a C(A). Supondo que o

degrau de concentrao introduzido entrada se desloca ao longo da coluna sem

distoro, este designado de frente estacionria. O tempo em que essa frente sai na

outra extremidade da coluna o tempo estequiomtrico. A velocidade do avano da

frente inferior velocidade do gs de arrasto, sendo a diferena entre as duas tanto

maior quanto maior for a capacidade de adsoro do soluto pelo adsorvente.

Em geral, o tempo ao qual a concentrao atinge 5% do valor mximo

designado tempo de ruptura, tbp (breakthrough point). Ao fim deste tempo a coluna

deve ser regenerada, uma vez que a corrente gasosa comea a sair contaminada. (DEQ

FEUP, 2008)

1 Em princpio, qualquer material com alto teor em carbono pode ser transformado em carvo ativado (carves

minerais, turfas, madeiras, resduos de petrleo). Atualmente so utilizados caroos e cascas de azeitona, cereja,

damasco, pssego, azeitonas e ossos de animais. Cerca de 1/3 da produo mundial de carbono activado de origem

vegetal. (CLAUDINO, 2003).

8 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Tipos de Adsoro

A adsoro um processo espontneo que, pode ser dividido em dois tipos:

adsoro qumica e adsoro fsica.

Na adsoro qumica (tambm denominada de quimissoro) ocorre uma

reao qumica entre o adsorvente e o adsorvido resultante de foras eletrostticas e de

quebras e/ou formaes de ligaes covalentes que, por sua vez, promovem a

transferncia de eletres entre estas duas substncias. Esta bastante utilizada na

separao de misturas. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton

S. 2001)

Por outro lado, a adsoro fsica (ou fisissoro), utilizada geralmente

em mscaras de proteco e na purificao e descolorao de lquidos. Neste tipo de

adsoro, a substncia adsorvida transferida de uma superfcie fluida para uma

superfcie slida. Este tipo de adsoro caracterizado pelo desenvolvimento de foras

atrativas entre as molculas e a superfcie adsorvente, sendo estas foras denominadas

de foras de van der Waals. Ao contrrio da adsoro qumica, neste tipo de adsoro a

superfcie do adsorvente no modificada.

Comparando estes dois tipos de adsoro pode-se concluir que, na adsoro

qumica h maior produo de energia sob a forma de calor do que na adsoro fsica.

9 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Carvo Ativado

A ativao do carvo um processo que o torna num bom adsorvente pois, a

sua superfcie sofre alteraes que o tornam mais poroso e, como tal, a sua rea de

adsoro aumenta. Antes de este ser ativado sofre carbonizao que consiste, na

remoo dos componentes volteis do carvo, provocando um grande aumento da

quantidade de carbono. Segundo Oliveira, Marcelo H. A. (2004), o que torna uma

substncia num bom adsorvente : uma elevada capacidade e percentagem de

adsoro/dessoro; um grande nmero de microporos (aumenta a rea de adsoro);

uma alta capacidade calorifica; uma elevada capacidade hidrofbica e o baixo custo. O

carvo ativado rene as condies necessrias para ser considerado um bom adsorvente,

dai ser muito utilizado neste processo.

Principais utilizaes

Para alm da sua utilidade no processo de adsoro, este carvo tambm

desempenha um papel importante no ramo industrial, quer no controlo da poluio, quer

na purificao de produtos naturais ou sintticos. O carvo ativado pode, tambm, ser

utilizado na purificao de gases e na recuperao de solventes, na separao dos

compostos de misturas gasosas ou em stock de gs natural.

Ficam aqui alguns dos campos de utilizao do carvo ativado: alimentar

(purificao de leos, clarificao de glicose, acar e gelatinas), farmacutico

(fabricao de medicamentos, como antibiticos e anestsicos), qumico (purificao de

cidos, lcoois e glicerinas), tratamento de ar (adsoro de gases contaminantes),

tratamento de gua (purificao da mesma para uso potvel ou industrial).

10 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Experincia

(ver anexos)

1. Material

Forno:

1.1. Vlvulas direcionais;

1.2. Vlvulas de globo de He e CO2;

Colunas de enchimento;

Termopares;

Medidor de caudal de hlio e medidor de caudal de dixido de carbono;

Computador (mostrador de diferenas de temperatura tanto analiticamente como

graficamente e de caudais e concentraes dos diferentes compostos);

Analisador da concentrao de CO2.

Figura 1 Material utilizado experimentalmente para a

realizao da adsoro

11 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

2. Procedimento utilizado

1. Verificar se a estufa onde se encontra a coluna est temperatura que se

pretende (35C), caso contrrio, alterar o valor estabelecido no controlador de

temperatura. Se necessrio, aguardar at o perfil de temperaturas na coluna ser

suficientemente uniforme (horizontal) pois, de outra forma ser difcil comparar

os resultados da evoluo da temperatura para os vrios termopares. Esta

precauo aplica-se tambm quando se efetua uma experincia de dessoro.

2. Verificar se as duas vlvulas direcionais esto na posio calibrao e as

vlvulas de globo nas linhas de He e CO2 esto fechadas.

3. Abrir as linhas de He e CO2 nos redutores, regulando a presso para 3 bar

(presso relativa).

4. Abrir a vlvula de globo correspondente ao He e regular o caudal com a vlvula

de agulha, de forma a obter o valor pretendido.

5. Rodar as vlvulas direcionais para a posio operao, verificando

previamente que no alimenta CO2 coluna. As duas vlvulas direcionais

devem ser acionadas simultaneamente, de forma a nunca fechar completamente

a sada de gs do sistema.

6. Se o analisador indicar a sada de algum CO2 da coluna, aguardar at todo o CO2

ser removido.

7. Rodar novamente as vlvulas direcionais para a posio calibrao e abrir a

vlvula de globo correspondente ao CO2. Regular o caudal com a vlvula de

agulha, de forma a obter o valor pretendido.

8. Anotar a composio indicada pelo analisador e verificar se corresponde ao

valor pretendido.

9. Rodar as vlvulas direcionais para a posio operao. Este instante assinala o

incio da etapa de adsoro. Deve ser ativado simultaneamente a gravao de

dados em ficheiro no programa de monitorizao da instalao. Verificar

durante toda a execuo experimental se os caudais de He e CO2 permanecem

constantes.

10. Tomar nota da presso na coluna no decorrer da experincia (o valor obtido no

manmetro corresponde a uma presso relativa).

12 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800

Pe

rce

nta

gem

de

CO

2

Tempo (s)

Adsoro CO2

36

37

38

39

40

41

42

0 200 400 600 800

Term

op

are

s (o

C)

Tempo (s)

Temperatura dos Termopares na Adsoro

T2

T3

T4

T5

T6

T7

0

1

2

3

4

5

0 200 400 600 800 1000

Pe

rce

nta

gem

de

CO

2

Tempo (s)

Dessoro de CO2

32

33

34

35

36

37

38

0 200 400 600 800 1000

Term

op

are

s (o

C)

Tempo (s)

Temperatura dos Termopares na Dessoro

T2

T3

T4

T5

T6

T7

11. Aps a sada da curva de rutura, uma vez estabilizada a composio sada da

coluna, iniciar a regenerao da mesma, fechando o caudal de CO2 na vlvula de

globo correspondente. Anotar o tempo a que tal ocorre no programa de

monitorizao da instalao (inicio da etapa de dessoro).

12. Aguardar at o analisador indicar uma composio nula de CO2 sada da

coluna (final da etapa de dessoro).

3. Resultados Obtidos

Figura 2 Grfico mostrador da percentagem de

CO2 em funo do tempo

Figura 3 Grfico ilustrador da variao da

temperatura dos 7 termopares em funo do tempo

Figura 4 Grfico mostrador da percentagem de

CO2 em funo do tempo no fenmeno de

dessoro

Figura 5 Grfico ilustrador da variao da

temperatura em funo do tempo no fenmeno de

dessoro

13 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

A partir desta experincia podemos verificar que durante a etapa de

adsoro h um aumento da percentagem de CO2 na coluna de enchimento, pois este

absorvido pelo carvo ativo existente nesta coluna. Desta forma, medida que o CO2 se

vai acumulando na coluna observa-se o aumento gradual e individual da temperatura

nos 7 termopares, provando-se assim que, durante esta fase, ocorre uma reao

exotrmica. Quando a coluna de enchimento se encontra saturada deste gs, a

temperatura nos termopares tende a diminuir (carvo ativado deixa de absorver CO2),

porque deixa de haver reao entre os dois elementos.

Por outro lado, durante a etapa de dessoro ocorre a libertao de CO2 da

coluna, havendo ento, uma diminuio da percentagem do mesmo. Consequentemente,

ocorre uma diminuio da temperatura dos termopares at ao momento em que todo o

CO2 libertado.

Em concluso, ao compararmos estas duas reaes, podemos verificar que a

primeira liberta energia (sob a forma de calor), enquanto que a segunda absorve energia

(sob a forma de calor). Por este motivo, na primeira etapa esperado que a temperatura

diminua, medida que o CO2 libertado da coluna de enchimento, enquanto na

segunda etapa natural que, enquanto o CO2 estiver a ser absorvido, ocorra um aumento

da temperatura.

14 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Concluso

A concentrao do CO2 aumenta durante o processo de adsoro, e quando

se fecha o caudal do CO2 (incio da dessoro) a concentrao do CO2 diminui at

chegar a perto de 0% (fim da experiencia). Alm disso, com a realizao do trabalho

laboratorial, percebemos que a adsoro um processo exotrmico, porque durante esta

fase a temperatura dos sete termopares aumenta devido libertao de energia. Por

outro lado, a dessoro um processo endotrmico, pois medida que o CO2 libertado

a temperatura dos termopares diminui, o que significa que houve uma absoro de

energia. Como facilmente percetvel nos grficos, existe um momento na adsoro em

que a temperatura diminui ligeiramente, quando o carvo fica saturado, em que, como

deixa de ser capturado CO2, a reao deixa de libertar energia e o sistema tende para um

equilbrio. Na fase final da dessoro, quando a concentrao de CO2 est perto de zero,

a temperatura aumenta ligeiramente de modo a que o sistema encontre um equilbrio

trmico.

Poderemos assim dizer que a adsoro um processo muito til pois pode

ser usado para diminuir a poluio gerada pelas indstrias atravs, por exemplo, do

carvo ativado, que como vimos, adsorve o CO2.

15 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Referncias Bibliogrficas

4. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton S. 2001.

Principais Mtodos De Caracterizao Da Porosidade De Resinas Base De

Divinilbenzeno. Quim. Nova 24 (6): 808-818. Acedido a 17 de Outubro de

2014. http://www.scielo.br/pdf/qn/v24n6/6791.pdf)

5. (Oliveira, Marcelo H. A. 2004. Cintica E Equilbrio De Adsoro Para

Armazenamento De Gs Natural Em Carvo Ativado. Dissertao de Mestrado,

Universidade Federal De Pernambuco)

6. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site:

http:/www.lenntech.com/library/adsorption/adsorption.htm

7. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site: http://sigarra.up.pt/ant/feup/projectos

geral.mostra projecto?p id=960

8. Acedido a 27 de Setembro de 2014; Site:

https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/.../262745.pdf;

9. Acedido a 27 de Setembro de 2014: Site: www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-

Environ/Adsorb/adsorb.htm;

10. Acedido a 22 de Outubro de 2014; Site:

http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?id=254.

http://sigarra.up.pt/ant/feup/projectos%20geral.mostrahttp://sigarra.up.pt/ant/feup/projectos%20geral.mostrahttps://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/.../262745.pdfhttp://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Adsorb/adsorb.htmhttp://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/Adsorb/adsorb.htm

16 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

ANEXOS

17 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Anexo I - Instalao experimental e modo de operao

18 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Instalao experimental e modo de operao

Na figura 6 apresentado o esquema da instalao experimental. Nela

visvel a coluna de adsoro e os termopares. Podemos ainda ver em baixo, direita, o

sensor de concentrao do dixido de carbono e em cima o manmetro de presso e os

medidores de caudal mssico. Os termopares esto colocados em posies equidistantes

ao longo da coluna, a qual se encontra dentro de uma estufa.

O gs de arrasto utilizado o hlio. As vlvulas direccionais permitem fazer

uma pr-verificao da composio da mistura He/CO2 no analisador de CO2, sem ter

que a fazer passar pela coluna. Para tal basta redirecionar a alimentao diretamente

para o detetor, curto-circuitando a coluna. Aps esta pr-verificao, a mistura

direcionada para a coluna, dando incio experincia de adsoro propriamente dita. Os

caudais dos dois gases so regulados por vlvulas de agulha. Vlvulas de globo

permitem interromper completamente o caudal de cada gs.

Figura 6 Esquema representativo da atividade experimental

19 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Anexo II - Indicaes especiais de operao e segurana

20 Projeto FEUP: Adsoro em Coluna de Enchimento

Indicaes especiais de operao e segurana

No final da sesso experimental colocar as duas vlvulas direcionais na posio

de curto-circuito coluna, de forma a evitar a contaminao do adsorvente com

ar exterior. No esquecer ainda de fechar a alimentao de He e CO2 nos

manorredutores da rede de gases.

Devero ser tomados cuidados especiais na manipulao dos manorredutores das

linhas de gs. Na abertura dum manorredutor deve-se comear sempre por

verificar se a vlvula secundria est fechada. Depois abre-se a vlvula principal

e verifica-se a presso. De seguida e cuidadosamente, abre-se a vlvula

secundria at presso desejada. Para fechar o manorredutor deve-se comear

por fechar a vlvula secundria e s depois a principal.

Tomar em ateno o facto de que os medidores de caudal indicam um caudal

volmico em condies PTN (presso e temperatura normais: 0 C e 1 atm),

sendo necessrio, para efeitos de clculos, a sua converso para as condies

reais de operao.