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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Adsorção em Coluna de Enchimento
Adsorção de CO2 em Carvão Ativado
Projeto FEUP 2014/2015 – MIEA:
Coordenador Geral: João Bastos
Coordenador do Curso: Fernando Pereira
Supervisor: José Miguel Loureiro
Monitor: Bárbara Pereira
MIEA102_Grupo 1:
Daniela Castro ([email protected] )
Margarida Vaz ([email protected] )
Miguel Matos ([email protected] )
Miguel Vale ([email protected] )
Tiago Lopes ([email protected] )
Wilson Fernandes ([email protected] )
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2 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Resumo
O nosso trabalho baseia-se na adsorção em coluna de enchimento. De modo
a realizar este processo, foi escolhido como adsorvente o carvão ativado.
O trabalho foi realizado em laboratório, onde se obteve, através da
experiência de adsorção, as curvas de rutura e de temperatura na coluna de enchimento,
representadas em programa de computador, para as etapas de adsorção e dessorção.
Durante a experiência, a percentagem de CO2 variou ao longo das etapas
(adsorção e dessorção). Esta aumentou ao longo da fase de adsorção até estabilizar –
final da adsorção – e, posteriormente, houve um decréscimo de CO2, momento em que
se deu a fase de dessorção, finalizando quando a percentagem deste ficou nula,
terminando assim a experiência. Durante todo o processo a temperatura dos termopares
presentes na coluna variou de forma independente em cada um.
Palavras - Chave: adsorção; dessorção; CO2; carvão ativado; coluna de enchimento.
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3 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Índice
Resumo ............................................................................................................................. 2
Índice ................................................................................................................................ 3
Lista de Figuras ................................................................................................................ 4
Abreviaturas e Símbolos ................................................................................................... 5
Introdução ......................................................................................................................... 6
Tipos de Adsorção ............................................................................................................ 8
Carvão Ativado ................................................................................................................. 9
Principais Utilizações ............................................................................................ 9
Experiência ..................................................................................................................... 10
1. Material ............................................................................................................ 10
2. Procedimento Utilizado ................................................................................... 11
3. Resultados Obtidos .......................................................................................... 12
Conclusão ....................................................................................................................... 14
Referências Bibliográficas .............................................................................................. 15
Anexos ............................................................................................................................ 16
Anexo I: Instalação experimental e modo de operação ....................................... 17
Anexo II: Indicações especiais de operação e segurança ..................................... 19
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4 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Lista de Figuras
Figura1 – Material utilizado experimentalmente para a realização da adsorção.…...…10
Figura2 – Gráfico indicador da percentagem de CO2 em função do tempo..……….…12
Figura3 – Gráfico ilustrador da variação da temperatura dos 7 termopares em função do
tempo …………………………………………………………………………………..12
Figura4 – Gráfico mostrador da percentagem de CO2 em função do tempo no fenómeno
de dessorção………………………………………………………………………….…12
Figura5 – Gráfico ilustrador da variação da temperatura em função do tempo no
fenómeno de dessorção…………………………………………………………………12
Figura6 – Esquema representativo da atividade experimental..…………………….....16
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5 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Abreviaturas e Símbolos
CO2 – dióxido de carbono
He - hélio
C - carbono
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6 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Introdução
No âmbito de unidade curricular “Projeto FEUP” do 1º ano do Mestrado
Integrado em Engenharia do Ambiente da Faculdade de Engenharia da Universidade do
Porto, foi realizado o presente relatório cujo tema é “Adsorção em Coluna de
Enchimento”.
A adsorção é um fenómeno de superfície decorrente da aderência de
moléculas de um componente de uma fase fluida sobre a superfície de um sólido
adsorvente. O processo tem origem nas forças atrativas entre as moléculas e a superfície
do sólido adsorvente, tratando-se de um fenómeno espontâneo. Existem dois tipos de
adsorção: a física e a química, no entanto apenas iremos aprofundar sobre a adsorção
física. Este tipo de adsorção é um fenómeno superficial, no qual um fluido é
reversivelmente retido na superfície de um sólido por forças dispersivas de van der
Waals (este processo é usual na separação ou purificação de gases). O processo de
adsorção visa a retenção de gases nefastos para o ambiente, nomeadamente o CO2. Com
a captura deste numa corrente gasosa e o seu sequestro num meio sólido, o adsorvente, é
possível originar um efluente limpo que poderá ser libertado sem trazer consequências
para a saúde ambiental, facto que comprova a utilidade e eficiência deste processo.
O adsorvente é um sólido cujas propriedades permitem aumentar a concentração
do(s) soluto(s) sobre a sua superfície. Este tem de ter uma área específica elevada, facto
que é possível pela sua estrutura porosa. Quando em contacto com a fase líquida ou
gasosa, é estabelecido um equilíbrio entre esta e a fase sólida.
O carvão ativado será o adsorvente utilizado, devido à sua microporosidade e
fácil obtenção1. “Uma das características mais importantes de um adsorvente é a
quantidade de substância que pode ser acumulada ou retirada da sua superfície”
(LETTERMAN, 1999.; OSCIK e COOPER 1982). Ao longo da experiência será
possível observar a capacidade de adsorção de CO2 que o carvão ativado apresenta.
No processo de adsorção em leito fixo, uma corrente líquida ou gasosa é
continuamente alimentada a uma coluna que contém o adsorvente sólido (carvão
ativado). Os solutos presentes na corrente serão retidos pelo adsorvente até ao seu limite
de saturação, obtendo-se um efluente purificado. De forma a que o processo seja
efetuado considera-se uma coluna de volume V, comprimento L, secção reta S e
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7 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
contendo um enchimento de porosidade X. Esta é atravessada inicialmente por um gás
puro não retido pelo adsorvente (gás de arrasto) com caudal Q, de modo a retirar
possíveis impurezas presentes na coluna. À entrada da coluna será introduzido um
soluto A, cuja concentração passará instantaneamente de zero a C(A). Supondo que o
degrau de concentração introduzido à entrada se desloca ao longo da coluna sem
distorção, este é designado de frente estacionária. O tempo em que essa frente sai na
outra extremidade da coluna é o tempo estequiométrico. “A velocidade do avanço da
frente é inferior à velocidade do gás de arrasto, sendo a diferença entre as duas tanto
maior quanto maior for a capacidade de adsorção do soluto pelo adsorvente.
Em geral, o tempo ao qual a concentração atinge 5% do valor máximo é
designado tempo de ruptura, tbp (breakthrough point). Ao fim deste tempo a coluna
deve ser regenerada, uma vez que a corrente gasosa começa a sair contaminada.” (DEQ
FEUP, 2008)
1 Em princípio, qualquer material com alto teor em carbono pode ser transformado em carvão ativado (carvões
minerais, turfas, madeiras, resíduos de petróleo). Atualmente são utilizados caroços e cascas de azeitona, cereja,
damasco, pêssego, azeitonas e ossos de animais. “Cerca de 1/3 da produção mundial de carbono activado é de origem
vegetal.” (CLAUDINO, 2003).
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8 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Tipos de Adsorção
A adsorção é um processo espontâneo que, pode ser dividido em dois tipos:
adsorção química e adsorção física.
Na adsorção química (também denominada de quimissorção) ocorre uma
reação química entre o adsorvente e o adsorvido resultante de forças eletrostáticas e de
quebras e/ou formações de ligações covalentes que, por sua vez, promovem a
transferência de eletrões entre estas duas substâncias. Esta é bastante utilizada na
separação de misturas. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton
S. 2001)
Por outro lado, a adsorção física (ou fisissorção), é utilizada geralmente
em máscaras de protecção e na purificação e descoloração de líquidos. Neste tipo de
adsorção, a substância adsorvida é transferida de uma superfície fluida para uma
superfície sólida. Este tipo de adsorção é caracterizado pelo desenvolvimento de forças
atrativas entre as moléculas e a superfície adsorvente, sendo estas forças denominadas
de forças de van der Waals. Ao contrário da adsorção química, neste tipo de adsorção a
superfície do adsorvente não é modificada.
Comparando estes dois tipos de adsorção pode-se concluir que, na adsorção
química há maior produção de energia sob a forma de calor do que na adsorção física.
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9 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Carvão Ativado
A ativação do carvão é um processo que o torna num bom adsorvente pois, a
sua superfície sofre alterações que o tornam mais poroso e, como tal, a sua área de
adsorção aumenta. Antes de este ser ativado sofre carbonização que consiste, na
remoção dos componentes voláteis do carvão, provocando um grande aumento da
quantidade de carbono. Segundo Oliveira, Marcelo H. A. (2004), o que torna uma
substância num bom adsorvente é: uma elevada capacidade e percentagem de
adsorção/dessorção; um grande número de microporos (aumenta a área de adsorção);
uma alta capacidade calorifica; uma elevada capacidade hidrofóbica e o baixo custo. O
carvão ativado reúne as condições necessárias para ser considerado um bom adsorvente,
dai ser muito utilizado neste processo.
Principais utilizações
Para além da sua utilidade no processo de adsorção, este carvão também
desempenha um papel importante no ramo industrial, quer no controlo da poluição, quer
na purificação de produtos naturais ou sintéticos. O carvão ativado pode, também, ser
utilizado na “purificação de gases e na recuperação de solventes”, na separação dos
compostos de misturas gasosas ou em stock de gás natural.
Ficam aqui alguns dos campos de utilização do carvão ativado: alimentar
(purificação de óleos, clarificação de glicose, açúcar e gelatinas), farmacêutico
(fabricação de medicamentos, como antibióticos e anestésicos), químico (purificação de
ácidos, álcoois e glicerinas), tratamento de ar (adsorção de gases contaminantes),
tratamento de água (purificação da mesma para uso potável ou industrial).
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10 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Experiência
(ver anexos)
1. Material
① Forno:
1.1. Válvulas direcionais;
1.2. Válvulas de globo de He e CO2;
②Colunas de enchimento;
③ Termopares;
④ Medidor de caudal de hélio e medidor de caudal de dióxido de carbono;
⑤ Computador (mostrador de diferenças de temperatura tanto analiticamente como
graficamente e de caudais e concentrações dos diferentes compostos);
⑥ Analisador da concentração de CO2.
Figura 1 – Material utilizado experimentalmente para a
realização da adsorção
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11 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
2. Procedimento utilizado
1. Verificar se a estufa onde se encontra a coluna está à temperatura que se
pretende (35ºC), caso contrário, alterar o valor estabelecido no controlador de
temperatura. Se necessário, aguardar até o perfil de temperaturas na coluna ser
suficientemente uniforme (horizontal) pois, de outra forma será difícil comparar
os resultados da evolução da temperatura para os vários termopares. Esta
precaução aplica-se também quando se efetua uma experiência de dessorção.
2. Verificar se as duas válvulas direcionais estão na posição “calibração” e as
válvulas de globo nas linhas de He e CO2 estão fechadas.
3. Abrir as linhas de He e CO2 nos redutores, regulando a pressão para 3 bar
(pressão relativa).
4. Abrir a válvula de globo correspondente ao He e regular o caudal com a válvula
de agulha, de forma a obter o valor pretendido.
5. Rodar as válvulas direcionais para a posição “operação”, verificando
previamente que não alimenta CO2 à coluna. As duas válvulas direcionais
devem ser acionadas simultaneamente, de forma a nunca fechar completamente
a saída de gás do sistema.
6. Se o analisador indicar a saída de algum CO2 da coluna, aguardar até todo o CO2
ser removido.
7. Rodar novamente as válvulas direcionais para a posição “calibração” e abrir a
válvula de globo correspondente ao CO2. Regular o caudal com a válvula de
agulha, de forma a obter o valor pretendido.
8. Anotar a composição indicada pelo analisador e verificar se corresponde ao
valor pretendido.
9. Rodar as válvulas direcionais para a posição “operação”. Este instante assinala o
início da etapa de adsorção. Deve ser ativado simultaneamente a gravação de
dados em ficheiro no programa de monitorização da instalação. Verificar
durante toda a execução experimental se os caudais de He e CO2 permanecem
constantes.
10. Tomar nota da pressão na coluna no decorrer da experiência (o valor obtido no
manómetro corresponde a uma pressão relativa).
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12 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
0
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2
3
4
5
0 200 400 600 800
Pe
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nta
gem
de
CO
2
Tempo (s)
Adsorção CO2
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0 200 400 600 800
Term
op
are
s (o
C)
Tempo (s)
Temperatura dos Termopares na Adsorção
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3
4
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0 200 400 600 800 1000
Pe
rce
nta
gem
de
CO
2
Tempo (s)
Dessorção de CO2
32
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35
36
37
38
0 200 400 600 800 1000
Term
op
are
s (o
C)
Tempo (s)
Temperatura dos Termopares na Dessorção
T2
T3
T4
T5
T6
T7
11. Após a saída da curva de rutura, uma vez estabilizada a composição à saída da
coluna, iniciar a regeneração da mesma, fechando o caudal de CO2 na válvula de
globo correspondente. Anotar o tempo a que tal ocorre no programa de
monitorização da instalação (inicio da etapa de dessorção).
12. Aguardar até o analisador indicar uma composição nula de CO2 à saída da
coluna (final da etapa de dessorção).
3. Resultados Obtidos
Figura 2 – Gráfico mostrador da percentagem de
CO2 em função do tempo
Figura 3 – Gráfico ilustrador da variação da
temperatura dos 7 termopares em função do tempo
Figura 4 – Gráfico mostrador da percentagem de
CO2 em função do tempo no fenómeno de
dessorção
Figura 5 – Gráfico ilustrador da variação da
temperatura em função do tempo no fenómeno de
dessorção
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13 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
A partir desta experiência podemos verificar que durante a etapa de
adsorção há um aumento da percentagem de CO2 na coluna de enchimento, pois este é
absorvido pelo carvão ativo existente nesta coluna. Desta forma, à medida que o CO2 se
vai acumulando na coluna observa-se o aumento gradual e individual da temperatura
nos 7 termopares, provando-se assim que, durante esta fase, ocorre uma reação
exotérmica. Quando a coluna de enchimento se encontra saturada deste gás, a
temperatura nos termopares tende a diminuir (carvão ativado deixa de absorver CO2),
porque deixa de haver reação entre os dois elementos.
Por outro lado, durante a etapa de dessorção ocorre a libertação de CO2 da
coluna, havendo então, uma diminuição da percentagem do mesmo. Consequentemente,
ocorre uma diminuição da temperatura dos termopares até ao momento em que todo o
CO2 é libertado.
Em conclusão, ao compararmos estas duas reações, podemos verificar que a
primeira liberta energia (sob a forma de calor), enquanto que a segunda absorve energia
(sob a forma de calor). Por este motivo, na primeira etapa é esperado que a temperatura
diminua, à medida que o CO2 é libertado da coluna de enchimento, enquanto na
segunda etapa é natural que, enquanto o CO2 estiver a ser absorvido, ocorra um aumento
da temperatura.
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14 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Conclusão
A concentração do CO2 aumenta durante o processo de adsorção, e quando
se fecha o caudal do CO2 (início da dessorção) a concentração do CO2 diminui até
chegar a perto de 0% (fim da experiencia). Além disso, com a realização do trabalho
laboratorial, percebemos que a adsorção é um processo exotérmico, porque durante esta
fase a temperatura dos sete termopares aumenta devido à libertação de energia. Por
outro lado, a dessorção é um processo endotérmico, pois à medida que o CO2 é libertado
a temperatura dos termopares diminui, o que significa que houve uma absorção de
energia. Como é facilmente percetível nos gráficos, existe um momento na adsorção em
que a temperatura diminui ligeiramente, quando o carvão fica saturado, em que, como
deixa de ser capturado CO2, a reação deixa de libertar energia e o sistema tende para um
equilíbrio. Na fase final da dessorção, quando a concentração de CO2 está perto de zero,
a temperatura aumenta ligeiramente de modo a que o sistema encontre um equilíbrio
térmico.
Poderemos assim dizer que a adsorção é um processo muito útil pois pode
ser usado para diminuir a poluição gerada pelas indústrias através, por exemplo, do
carvão ativado, que como vimos, adsorve o CO2.
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15 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Referências Bibliográficas
4. (Teixeira, Viviane G., Coutinho, Fernanda M. B., Gomes, Ailton S. 2001.
“Principais Métodos De Caracterização Da Porosidade De Resinas À Base De
Divinilbenzeno.” Quim. Nova 24 (6): 808-818. Acedido a 17 de Outubro de
2014. http://www.scielo.br/pdf/qn/v24n6/6791.pdf)
5. (Oliveira, Marcelo H. A. 2004. “Cinética E Equilíbrio De Adsorção Para
Armazenamento De Gás Natural Em Carvão Ativado”. Dissertação de Mestrado,
Universidade Federal De Pernambuco)
6. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site:
http:/www.lenntech.com/library/adsorption/adsorption.htm
7. Acedido a 24 de Setembro de 2014; Site: http://sigarra.up.pt/ant/feup/projectos
geral.mostra projecto?p id=960
8. Acedido a 27 de Setembro de 2014; Site:
https://repositorio.ufsc.br/bitstream/handle/123456789/.../262745.pdf;
9. Acedido a 27 de Setembro de 2014: Site: www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-
Environ/Adsorb/adsorb.htm;
10. Acedido a 22 de Outubro de 2014; Site:
http://www.meiofiltrante.com.br/materias.asp?id=254.
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16 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
ANEXOS
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17 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Anexo I - Instalação experimental e modo de operação
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18 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Instalação experimental e modo de operação
Na figura 6 é apresentado o esquema da instalação experimental. Nela é
visível a coluna de adsorção e os termopares. Podemos ainda ver em baixo, à direita, o
sensor de concentração do dióxido de carbono e em cima o manómetro de pressão e os
medidores de caudal mássico. Os termopares estão colocados em posições equidistantes
ao longo da coluna, a qual se encontra dentro de uma estufa.
O gás de arrasto utilizado é o hélio. As válvulas direccionais permitem fazer
uma pré-verificação da composição da mistura He/CO2 no analisador de CO2, sem ter
que a fazer passar pela coluna. Para tal basta redirecionar a alimentação diretamente
para o detetor, curto-circuitando a coluna. Após esta pré-verificação, a mistura é
direcionada para a coluna, dando início à experiência de adsorção propriamente dita. Os
caudais dos dois gases são regulados por válvulas de agulha. Válvulas de globo
permitem interromper completamente o caudal de cada gás.
Figura 6 – Esquema representativo da atividade experimental
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19 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Anexo II - Indicações especiais de operação e segurança
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20 Projeto FEUP: Adsorção em Coluna de Enchimento
Indicações especiais de operação e segurança
No final da sessão experimental colocar as duas válvulas direcionais na posição
de curto-circuito à coluna, de forma a evitar a contaminação do adsorvente com
ar exterior. Não esquecer ainda de fechar a alimentação de He e CO2 nos
manorredutores da rede de gases.
Deverão ser tomados cuidados especiais na manipulação dos manorredutores das
linhas de gás. Na abertura dum manorredutor deve-se começar sempre por
verificar se a válvula secundária está fechada. Depois abre-se a válvula principal
e verifica-se a pressão. De seguida e cuidadosamente, abre-se a válvula
secundária até à pressão desejada. Para fechar o manorredutor deve-se começar
por fechar a válvula secundária e só depois a principal.
Tomar em atenção o facto de que os medidores de caudal indicam um caudal
volúmico em condições PTN (pressão e temperatura normais: 0 ºC e 1 atm),
sendo necessário, para efeitos de cálculos, a sua conversão para as condições
reais de operação.