Modelagem matemática, simulação computacional e otimização numérica para adsorção de CO2 sob Carvão Ativado (CA) em um adsorvedor de leito fixo em escala laboratorial

Resumo

O aquecimento global é amplamente atribuído a um aumento no nível atmosférico de gases do efeito estufa, sendo o dióxido de carbono (CO2), proveniente da queima de combustíveis fósseis, o gás mais importante do efeito estufa e com maior impacto ambiental (Shafeeyan et al., 2020). De acordo com o estudo realizado por Qasem e Ben-Mansour (2018), a Captura e Armazenamento de Carbono (CAC) de emissões de fontes pontuais se tornou reconhecida como uma forma potencial de estabilizar o CO2 na atmosfera enquanto os combustíveis fósseis ainda são utilizados em grande escala como fonte de energia. O processo de captura do CO2 pós-combustão consiste na remoção seletiva do CO2 e é a tecnologia mais madura, pois representa uma solução de curto prazo para usinas estacionárias movidas a combustível fóssil. Dentre os métodos de captura de CO2 pós-combustão, a adsorção é considerada a técnica de separação de CO2 mais eficaz devido ao baixo requisito de energia, fácil regeneração do material adsorvente e alta pureza do produto. Os adsorventes sólidos apresentam considerável vantagem no processo de adsorção, em especial os materiais carbonáceos, que possuem alta área superficial, corroborando com a pesquisa de Ammendola et al. (2020). O carvão ativado à base de CaO foi então escolhido como adsorvente, já que possui bom custo-benefício, hidro-estabilidade e menores requisitos de energia para regeneração em comparação com as zeólitas, segundo o trabalho de Shen et al. (2010). Modelos matemáticos de coluna de leito fixo são necessários para prever o desempenho da separação adsortiva de CO2, otimizar o projeto e as condições operacionais. Sendo assim, o presente projeto teve como objetivo avaliar o desempenho do Reator de Leito Fixo (RLF) para analisar a capacidade de adsorção de CO2 usando adsorvente à base de CaO. Neste contexto, um modelo cinético de pseudo-primeira ordem foi escolhido para descrever os processos de adsorção juntamente com uma isotérmica de equilíbrio de adsorção (modelo de Toth) para CO2 e N2. Um modelo matemático foi desenvolvido com base em equações de balanço de massa, considerando as condições de contorno apropriadas. Para isso, foi considerado um modelo de fluxo com dispersão axial de massa, e alta velocidade superficial do gás (NRe estimada na faixa de 18,7 a 46,4). As Equações Diferenciais Parciais (EDPs) do modelo foram resolvidas através da Técnica das Equações Integrais Acopladas (TEIA), que transforma as EDPs em Equações Diferenciais Ordinárias (EDOs). Com o auxílio do software de linguagem de programação MATLAB, essas EDOs foram então solucionadas através do método de Runge-Kutta de Quarta Ordem. Como resultado, tem sido possível obter os perfis de concentração do CO2 ao longo do tempo em diferentes posições axiais do reator de leito fixo. A partir destes perfis é possível obter um baixo gradiente de concentração próximo a entrada do reator mostrando o efeito de adsorção do CO2 sob as partículas sólida. Por outro lado, os perfis de concentração do CO2 na fase sólida também foram obtidos. Assim, foi comprovada a eficiência da simulação através de um reator de leito fixo para separação do CO2 através do processo de adsorção isotérmico.