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Type: TESE
Title: Estrategias numericas para solução de modelos de não-equilibrio para absorção gasosa com reações quimicas complexas (regime estacionario e dinamico)
Author: Carvalho, Frede de Oliveira
Advisor: Pereira, João Alexandre Ferreira da Rocha, 1945-
Abstract: Resumo: A absorção com reações químicas é muito comum em processos de separação industriais. Os tradicionais modelos de estágios de equilíbrio têm sido o principal caminho para o projeto e a simulação, no regime estacionário e não-estacionário, dos equipamentos para o contato gás-líquido. Os modelos de não-equilíbrio apresentam uma descrição mais realística do processo de interação gás-líquido. Nestes modelos de não-equilíbrio, a obtenção das taxas de transferência de massa com reação química entre as fases gás e líquido são muito importantes. No presente trabalho são desenvolvidas e investigadas estratégias numéricas aplicadas a modelos de não-equilíbrio da absorção acompanhada por reações químicas complexas numa coluna de pratos, em ambos regimes, estacionário e não-estacionário. Para isto, considera-se uma coluna de pratos de dimensões industriais na absorção do dióxido de carbono por uma solução de Monoetanolamina (MEA) e Dietanolamina (DEA) (reações paralelas competitivas) . O modelo de não-equilíbrio desenvolvido (modelo de duas fases) é formado pelas equações referentes a fases gás, fase líquido e a modelos ou teorias para descrição da transferência de massa com reação entre as fases. O cálculo dos fluxos de transferência de massa entre as fases em cada estágio da coluna requer a complexa solução de um sistema de equações diferenciais acopladas ordinárias (e muitas vezes parciais), referentes a considerar-se o fenômeno de transferência representado respectivamente, pela teoria de duas resistências (considerando o regime estacionário) ou o modelo do filme-penetração (regime não-estacionário). Na estratégia numérica desenvolvida para o modelo baseado na teoria de duas resistências, utilizou-se a colocação ortogonal spline com um único ponto spline , e um único ponto no segundo elemento. Esta metodologia é também utilizada na solução das equações diferenciais parciais não-lineares acopladas, originadas do modelo em regime não-estacionário (modelo do filme-penetração). Esta última estratégia envolve a conversão das equações diferenciais parciais (EDP's) em equações diferenciais ordinárias EDO' s (Métodos das Linhas com a colocação ortogonal spline) e utiliza a subrotina DASSL (petzold,1989) para a solução do sistema de equações algébricas diferenciais (EAD's) formado. Na estratégia numérica desenvolvida para simulação no regime estacionário, do equipamento de contato gás-líquido (coluna completa), a teoria de duas resistências (fluxos mássicos entre as fases) foi considerada. Nesta estratégia os fluxos de massa entre as fases e as fases gás e líquido são tratadas separadamente (modelo de duas fases). As equações correspondentes a teoria de duas resistências foram resolvidas utilizando a colocação ortogonal "spline" com o método de Newton-Raphson para solução do sistema algébrico não-linear gerado. Os balanços de massa das fases gás e líquido foram resolvidos utilizando respectivamente o método de Runge-Kutta e a solução de equações algébricas derivadas da estequiométria das reações para a fase líquida. Para superar a demanda computacional exigida na solução dos modelos de nãoequilíbrio, foi introduzida e investigada uma metodologia que envolve o desenvolvimento de uma Rede Neural para obter os fluxos mássicos entre as duas fases em cada estágio. A Rede Neural (treinada com dados simulados de fluxos mássicos entre as fases gás e líquido) foi acoplada ao sistema de equações para a fase gás e líquido (modelo de duas fases), resultando este conjunto de equações em um modelo denominado de neural-híbrido. O sistema de equações algébricos diferenciais (EAD's) originados com esta estratégia numérica, para o modelo completo da coluna no regime dinâmico, foi resolvido com a utilização da subrotina LSODAR . Os resultados obtidos indicaram que, no futuro, as estratégias desenvolvidas poderão ser utilizadas na otimização e controle de processos de absorção gás-líquido com reações químicas

Abstract: Gas absorption with chemical reactions is a very common industrial separation processo Until now the traditional equilibrium stage model have been the main tools to the design and unsteady state simulations of the gas-liquid contact equipment. The nonequilibrium model based on mass transfers' fundamentais presents a more realistic description of the gas-liquid interaction processo In the Non-equilibrium model, is very important the description of mass transfers of gas-liquid interface in both, unsteady and steady state. The present work shows numerical strategies to solve a non-equilibrium model of absorption accompanied by complex chemical reaction on plate columns in both, unsteady and steady state. The absorption of carbon dioxide in aqueous solution of MEA and DEA (parallel chemical reactions) in an industrial plate column was considered. The Non-equilibrium model (two phasis model) is formed of models or theory for interfacial fluxes description and bulk phasis equations at each stage (gas and liquid). The mass transfer rate between the two phases in each stage of the column requires the complex solution of a system of simultaneous coupled ordinary (and perhaps partial) differential equations. In the numerical strategy for solving the two-resistance theory (twofilm model), The solution of the set of equations was obtained using a computational scheme though orthogonal collocation on finite elements (spline collocation) with one point spline and with one point in the second element. Also this methodology is applied to the solution of nonlinear-coupled partial differential equations considering unsteady state mo deI ( film-penetration model ) for mass-transfer at interface. The last application involves the conversion ofthe PDEs to ODEs (method oflines) and the use ofthe DASSL solver (Petzold, 1989) for the nonlinear differential and algebraic equation (DAE) system. In the numerical strategy for solving the steady state simulations of this gas-liquid contact equipment ( complete column), the two-resistance theory was considered. In this numerical algorithms the film and the bulk phase's equations are treated separately. The equations for the two-resistance theory was solved using spline orthogonal collocation type of discretization schemes with Newton-Raphson method for solving the nonlinear algebraic system created. The bulk phase's balances were solved using the fourth-order Runge-Kutta method for gas phase and algebraic equation system from mass balance for liquid phase. The aim of this work is to present an altemative way to overcome the computational demand and slowness to solve the non-equilibrium models for both the unsteady and steady state. The methodology involves the development of the neural networks to obtain the mass flux between the two phases in each stage. The neural networks coupled to the equation system for each bulk phase in each stage result in a hybrid-neural model. The differential and algebraic equation (DAE) systems also created with these numerical strategies for the complete columns model was also solved with LSOLDAR The last numerical strategies explain and investigated in this work proved to be useful, requires little computational demand with results agreement with the literature data. This strategy is more efficient than others when considering the computational time. The numerical strategies explain and investigated in this work proved that is not impossible use the non-equilibrium model in study of Gas absorption with chemical reactions. This fact could be a good reason for future use of those strategies in optimization and control of absorption process
Subject: Modelos matemáticos
Absorção
Redes neurais (Computação)
Separação (Tecnologia)
Cálculos numéricos - Programas de computador
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2000
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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