Simulação de curvas de ruptura em leito fixo com dimensionamento de válvulas

Abstract

Este trabalho tem como objectivo o estudo do processo de adsorção em colunas de leito fixo. O equilíbrio do processo de adsorção é representado por uma isotérmica de Langmuir de sítio duplo (DSL), com parâmetros optimizados a partir de dados experimentais recolhidos na literatura. Implementou-se um simulador baseado no modelo descrito por Teague e Edgar (1999), para o cálculo da resposta dinâmica no processo de produção oxigénio por adsorção a partir do ar. O modelo foi programado em Matlab e resolvido numericamente utilizando o método das linhas (MOL), aplicando diferenças finitas na coordenada axial da coluna. No modelo são considerados os mecanismos de transferência de massa e energia característicos dos processos de separação por adsorção, para além de um balanço total de material que permite calcular a pressão na coluna, que de forma indirecta é regulada pela manipulação das válvulas de entrada e saída, coordenando as perdas de carga do sistema. O simulador resultante, identificado como SimColAd foi implementado em módulos bem diferenciados em termos de entrada de dados, parâmetros de integração e saída de resultados. Desenvolveu-se paralelamente, uma interface gráfica em Matlab, que permite o dimensionamento das válvulas do sistema com base em equações de projecto fornecida pelos fabricantes. Validou-se o funcionamento do modelo da coluna de adsorção em condições não isotérmicas por simulações baseadas em curvas de ruptura do artigo de Teague e Edgar (1999) de um sistema binário constituído por oxigénio e ar. Finalmente, testou-se o simulador na resposta a diferentes condições de temperatura, caudal molar de saída e à presença de inerte, que demonstraram que o modelo e simulador desenvolvidos permitem interpretar qualitativamente as curvas de ruptura consideradas.

ABSTRACT: This work has as an objective the study of fixed-bed adsorption columns. The adsorption equilibrium of the process is presented with a dual site Langmuir isotherm (DSL) fitted with parameters over experimental data collected from literature. The fixed column model is based on the work of Teague and Edgar (1999), for the dynamic output of a process aimed to the oxygen production from air. The model was implemented in Matlab and solved numerically using the method of lines (MOL), applying finite differences on the axial coordinate. This model considers energy and mass transfer mechanisms characteristic of separation process by adsorption, plus a global mass balance which allows us to compute the pressure in the column, indirectly regulated by in/out valves around the column, where the main pressure drops are concentrated. The developed simulator, called SimColAd was implemented in well differentiated modules in terms of input data, integration parameters and output result. It was developed a graphic user interface in Matlab, which allows the project of system valves based on rigorous equations given by valve manufactures. The simulator was tested in non-isothermal conditions based with experimental data form Teague and Edgar (1999) of oxygen production from air. Finally, the simulated curves upon several temperature feed conditions, exit molar flow and the insertion of inert showed that the model and simulator developed allow the qualitative interpretation of breakthrough curves evaluated.