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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.
