Universidade do Vale do Itajaí Escola do Mar, Ciência e Tecnologia Curso de Engenharia Química GUSTAVO SOMAVILA BELLINAZO JULIA LOPES LEDRA PRISCILA LUANA BERTOLDO SERPA Relatório de Análise e Simulação de Processos ANÁLISE DA COMPETIÇÃO ENTRE COMPOSTOS BTX MULTICOMPONENTES PARA O SÍTIO ATIVO DE ADSORÇÃO EM UMA COLUNA DE LEITO FIXO ITAJAÍ, JULHO DE 2019 GUSTAVO SOMAVILA BELLINAZO JULIA LOPES LEDRA PRISCILA LUANA BERTOLDO SERPA Relatório de Análise e Simulação de Processos ANÁLISE DA COMPETIÇÃO ENTRE COMPOSTOS BTX MULTICOMPONENTES PARA O SÍTIO ATIVO DE ADSORÇÃO EM UMA COLUNA DE LEITO FIXO Relatório apresentado com requisito parcial para a obtenção da nota da M3 da disciplina de Análise e Simulação de Processos do curso de Engenharia Química, da escola do mar, ciência e tecnologia Professor: Marcel Rossetti da Silva ITAJAÍ, JULHO DE 2019 RESUMO Neste trabalho foi realizado a modelagem da adsorção em leito fixo e a implementação da simulação numérica no programa Matlab®. Os parâmetros cinéticos foram obtidos de um artigo, do qual se tratava da adsorção de compostos orgânicos (benzeno, tolueno e xileno - BTX) em uma coluna de leito fixo, com o carvão ativado, obtido da casca de coco, como adsorvente. As isotermas de Langmuir e Freundlich foram utilizadas para conhecer o comportamento do equilíbrio termodinâmico, sendo que apresentou os melhores resultados foi o de isoterma de... A implementação dos modelos matemáticos no programa Matlab® foi essencial devido a sua facilidade de manipulação de dados, podendo verificar qual seria o comportamento mudando um determinado parâmetro. ... Comment by felipe siotti: Colocar qual foi a melhor isoterma Comment by felipe siotti: Descrever os resultados obtidos no Matlab Palavras-chave: Adsorção; Leito fixo; Simulação numérica; Matlab®; BTX; Carvão ativado; Isoterma de Langmuir; Isoterma de Freundlich SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 5 2. OBJETIVOS 5 2.1 Objetivos específicos 5 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5 3.1 Compostos BTX 5 3.2 Princípios de adsorção 6 3.3 Adsorção em coluna de leito fixo 6 3.4 Modelos de isoterma de adsorção 6 3.5 Método de diferenças finitas 6 4. MODELAGEM DO ARTIGO 6 4.1 Procedimento do artigo 7 4.1.1 Isoterma de adsorção 7 4.1.2 Cinética de adsorção em Coluna de Leito fixo 7 4.2 Discretização e modelamento 7 4.2.1 Modelagem para o leito fixo 7 4.2.2 Condições de contorno 7 4.3 Hipóteses e parâmetros 7 4.4 Script Matlab® 7 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 7 5.1 Resultado do artigo 8 5.2 Modelamento matemático 8 6. CONCLUSÃO 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 8 ANEXO A – Script Matlab 8 INTRODUÇÃO Muitos compostos orgânicos são liberados no meio ambiente contaminando o ecossistema. Dentre eles destacam-se os hidrocarbonetos: benzeno, tolueno e xileno (BTX), que são oriundos de vazamentos em tanques de estocagem[1]. Esses compostos são considerados perigosos por serem depressores do sistema nervoso central. E por serem compostos solúveis em água, em casos de um vazamento, acarretará na contaminação de lençóis freáticos[2]. A descontaminação de rios, lagos e oceanos, ocasionados pelo derramamento de compostos orgânicos, dar-se-á através de barreiras de contenção, sorventes, dispersantes, absorvente e floculantes, levando-se em conta o ecossistema impactado e exposto[3]. A adsorção por fibras naturais (casca de arroz, de coco, de nozes) foram as primeiras a serem utilizadas para descontaminação de hidrocarbonetos por possuírem um alto teor de carbono que podem ser ativados. A casca de coco é um excelente adsorvente devido à presença de grupos funcionais básicos que elevam a afinidade com íons metálicos[4]. Este trabalho teve como objetivo modelar a adsorção de benzeno, tolueno e xileno, por meio do método de diferenças finitas. As isotermas de Langmuir e Freundlich também foram objetivos de estudos, assim como a implementação das modelagens no programa Matlab®. O estudo abrangeu a modelagem em um leito fixo contendo carvão ativado termicamente, obtido a partir da casca de coco, como adsorvente. Comment by felipe siotti: Foi utilizado essas? OBJETIVOS Modelar a adsorção de benzeno, tolueno e xileno a partir do carvão ativado em coluna de leito fixo. Objetivos específicos Aplicar o método de diferenças finitas para as equações do artigo; Aplicar a equação de Langmuir Aplicar a equação de Freundlich; Apontar as hipóteses pertinentes a discretização; Implementar o modelamento matemático utilizando o programa Matlab®; Comparar os resultados do artigo com os obtidos no Matlab®. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo é apontado o levantamento bibliográfico dos trabalhos da literatura tratando dos compostos BTX e dos princípios de adsorção. Assim como a adsorção em coluna de leito fixo e sua modelagem matemática. Compostos BTX A análise de hidrocarbonetos é fundamentada pela toxicidade dos compostos orgânicos benzeno, tolueno e xileno (Quadro 2.1). Quadro 2.1 – Propriedades físico-químicas dos compostos BTX Composto N° carbono Massa molar (g/mol) Ponto de ebulição (°C) Solubilidade em água (mg/L) Pressão de vapor (atm) Massa específica (g/cm³) Benzeno 6 78,11 80,10 1780 0,0930 0,874 Tolueno 7 92,10 110,80 515 0,0290 0,880 o-Xileno 8 106,17 144,40 175 0,0008 0,870 Fonte: Adaptado de Merck Index (1989)[5]. Esses hidrocarbonetos são de alto risco ao meio ambiente e ao ser humano pertinente às suas propriedades neurotóxicas, carcinogênicas e teratogênicas, sendo catalogados como poluentes de prioridade química por serem tóxicos[6]. Princípios de adsorção Para tratamento de água, a adsorção, é o processo mais eficiente. O processo se dá pela transferência de massa, a qual certos sólidos se concentram na superfície de determinados compostos existentes nos fluidos, separando-os dos componentes. Quanto maior for a superfície externa maior será a adsorção, por isso, usam-se adsorventes sólidos com partículas porosas e elevada área superficial[7]. A iteração entre o adsorvato (BTX) e o adsorvente (carvão ativado) é em relação à polaridade da superfície do sólido e da adsortividade. Adsorção em coluna de leito fixo O desempenho da coluna de leito fixo dar-se-á pela análise das curvas de concentração por tempo - quando alcançará o ponto de saturação. Essa curva é obtida através da taxa de transferência de massa, onde o adsorvato passa pela coluna empacotada com adsorvente, monitorando a concentração de saída[8]. Modelos de isoterma de adsorção As diversas formas de isotermas demostram sobre o processo de adsorção. Dentre as mais utilizadas, encontram-se as de Langmuir e de Freundlich, que por possuírem apenas dois parâmetros se tornam de maior facilidade. Isoterma de Langmuir A isoterma de Langmuir é uma das equações mais utilizadas para estudo da adsorção. E ela aponta as seguintes suposições: Existe um número definido de sítios; Os sítios têm energia equivalente e as moléculas adsorvidas não interagem umas com as outras; A adsorção ocorre em uma monocamada; Cada sítio pode comportar apenas uma molécula adsorvida. A isoterma de Langmuir está representada na equação 1[9]: (Eq. 1) Em que: q: quantidade do soluto adsorvido por grama de adsorvente no equilíbrio (mg/g); qmax: capacidade máxima de adsorção (mg/g); KL: constante de interação adsorvato/adsorvente (L/mg); Ce: concentração do adsorvato no equilíbrio (mg/L). O sistema atinge o equilíbrio quando a solução entra em contato com o adsorvente, esse momento é a igualdade da velocidade em que as moléculas ou íons são adsorvidos na superfície do adsorvente. Levando a que a velocidade de adsorção é proporcional à concentração do adsorvato no líquido[10]. Isoterma de Freundlich A isoterma de Freundlich relaciona a quantidade de material adsorvido e a concentração