Orientador: Reginaldo Guirardello

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: No presente trabalho, foram desenvolvidos dois modelos matemáticos para descrever um processo de adsorção em leito fixo que permita variações no diâmetro da partícula ao longo do leito: um modelo matemático considera a variação do coeficiente de dispersão axial ao longo do leito durante o...

Resumo: No presente trabalho, foram desenvolvidos dois modelos matemáticos para descrever um processo de adsorção em leito fixo que permita variações no diâmetro da partícula ao longo do leito: um modelo matemático considera a variação do coeficiente de dispersão axial ao longo do leito durante o desenvolvimento do balanço de massa para o cálculo da concentração do soluto na fase móvel e outro não. Os modelos matemáticos propostos consideram que o leito é formado por pequenas partículas esféricas, que a solução de alimentação é diluída (aplicável a lei de Henry) e que a resistência externa à transferência de massa é desprezível quando comparada à resistência dentro da partícula. O balanço de massa para a concentração do soluto nas esferas é resolvido de forma analítica e o balanço de massa para a concentração do soluto na fase móvel, para ambos os modelos propostos, é resolvido numericamente, por diferentes métodos, com a posterior adoção do algoritmo de Thomas para a solução do sistema de equações formado. A união das duas soluções é feita utilizando-se o teorema de Duhamel. Os modelos matemáticos propostos reproduziram fielmente os resultados obtidos pelo modelo descrito anteriormente por Cremasco; Guirardello e Linda Wang (2003), o qual já havia sido validado experimentalmente por seus autores. Ao serem comparados com um trabalho experimental da literatura, os modelos matemáticos propostos apresentaram um bom ajuste aos dados experimentais, sendo necessárias poucas adequações e, portanto, eficazes na predição do comportamento de um sistema real. Os estudos realizados adotando-se um perfil de diâmetros de partículas variável ao longo do leito mostraram que quanto maior é a fração do leito utilizando-se maiores diâmetros de partículas, mais próximo da idealidade é o perfil da curva de ruptura, porém o tempo de ruptura é menor. Em todos os estudos realizados, os resultados obtidos entre os perfis de diâmetros de partículas crescente e decrescente ao longo do leito, foram muito próximos. Porém, variando-se o diâmetro de partícula de referência em até 20 % para mais e para menos, o perfil crescente apresentou menor ZTM e menor tempo de ruptura que o perfil decrescente. Quando se utiliza um diâmetro de partícula extremamente baixo, equivalente a 5 % do diâmetro de partícula de referência, esse resultado é oposto: o perfil crescente apresenta maior ZTM e maior tempo de ruptura que o perfil decrescente, ou seja, a melhor configuração para o perfil de diâmetro de partículas, crescente ou decrescente, depende do tamanho adotado para as partículas. Nos estudos realizados com perfil de diâmetro de partículas, os dois modelos propostos apresentaram resultados similares adotando-se diâmetros de partícula entre 513 µm e 1197 µm. Porém ao utilizar um diâmetro de partícula extremamente pequeno (42,75 µm), o modelo adimensional proposto que considera o coeficiente de dispersão axial constante ao longo do leito, não apresentou resultados satisfatórios, resultando em um erro máximo no tempo de ruptura de 11,864 % em relação ao modelo adimensional proposto que permite a variação do coeficiente de dispersão axial ao longo do leito

Abstract: In the present work two mathematical modeling were developed to describe an adsorption process with fixed bed, which allows diameter variation of the particles throughout the bed: one of these mathematical models considers the variation of the axial dispersion coefficient along the bed...

Abstract: In the present work two mathematical modeling were developed to describe an adsorption process with fixed bed, which allows diameter variation of the particles throughout the bed: one of these mathematical models considers the variation of the axial dispersion coefficient along the bed during the mass balance equation for the calculation of the solute concentration in the mobile phase. The other mathematical model does not consider this variation. Both mathematical models assumes that the bed is formed by small spherical particles, that the feed solution is diluted (Henry¿s law is valid) and that the external resistance to mass transfer is negligible when compared to the resistance within the particle. The mass balance for solute concentration in the spheres is analytically solved and the mass balance for solute concentration in the mobile phase, for both models proposed, is numerically solved by different methods, with subsequent adoption of the Thomas algorithm to solve the system of equations formed. The two solutions are joined together with Duhamel¿s theorem. The proposed mathematical models accurately reproduced the results obtained by the model previously described by Cremasco; Guirardello and Linda Wang (2003), which had already been experimentally validated by their authors. When compared with an experimental work of the literature, the proposed mathematical models presented a good fit to the experimental data, being necessary little adaptations and, therefore, effective in the prediction of the behavior of a real system. Studies adopting a variable profile of particle diameter along the bed showed that the larger the fraction of the bed using larger particle diameters, the closer to ideality is the profile of the breakthrough curve, although the breakpoint time is shorter. In all studies in this essay, the results between descending and ascending profiles along the bed were really close. Although, with a variation of the reference particle diameter up to 20 %, either more or less, the ascending profile shows smaller ZTM and shorter breakpoint time than the descending profile. When using an extremely low particle diameter, equivalent to 5 % of the reference particle diameter, this result is the opposite: the ascending profile has a higher ZTM and longer breakpoint time than the descending profile, i.e., the best setting for the particle diameters, ascending or descending, depends on the particle size adopted. In the studies with particle diameter profile, the two proposed models presented similar results adopting particle diameters between 513 µm and 1197 µm. However, using an extremely small particle diameter (42.75 µm), the proposed dimensionless model that considers the constant axial dispersion coefficient along the bed did not produce satisfactory results, resulting in a maximum breakpoint time error of 11.864 % in relation to the proposed dimensionless model that allows the variation of the axial dispersion coefficient along the bed

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