Modelagem de equilíbrio de fases do metano em digestão anaeróbia

Abstract

Para compreender de forma detalhada o processo anaeróbio e inclusive controlá-lo melhor, a modelagem matemática é uma ferramenta essencial sugerindo modelos como o Anaerobic Digestion Model (ADM1). Em geral, este e outros modelos anaeróbios utilizam somente a Lei de Henry como Lei de equilíbrio, que permite avaliar a condição de saturação dos gases no sistema, mas postula algumas considerações simplificadoras acerca de aspectos como a idealidade da solução. Neste contexto, autores relatam supersaturação de CH4 em efluentes, com base no grau de saturação obtido pela Lei de Henry. A presente pesquisa objetivou verificar a validade desta Lei na predição da produção de gases e na condição de equilíbrio do sistema, possibilitando também avaliar se por um método que considera as não idealidades da solução, a estimativa de distribuição de fases do CH4 varia, corroborando com os relatos de supersaturação deste gás. Para isto, foi realizada uma integração numérica das Equações Diferenciais Ordinárias que compõem o modelo ADM1, implementado em Matlab®, com o software termodinâmico Aspen Plus®. Foram realizadas cinco simulações no software termodinâmico, empregando o método Ideal e o método não ideal Elecntrl. Estas simulações foram realizadas alterando-se tanto o método quanto os componentes das entradas no simulador. Isto para verificar a influência destes critérios na predição final. Foi possível verificar pelos resultados que mesmo utilizando o método não ideal, não houve diferenças significativas na predição da produção de gases entre o ADM1 e o Aspen Plus independente dos componentes selecionados para a entrada da simulação, embora tenham havido pequenas diferenças na distribuição do CH4 dissolvido. Mas ainda assim, não foi possível detectar supersaturação do Metano em valores relatados previamente. Os resultados demonstram que as predições do ADM1 equivalem ao esperado pelo equilíbrio termodinâmico. Desta forma, foi possível verificar que a simplificação da condição de idealidade pela Lei de Henry apenas, é válida para este caso.

To understand anaerobic process in a meticulous form including better control it, mathematical modelling is an essencial tool by suggesting models as Anaerobic Digestion Model n.1 (ADM1). Generally, this and another anaerobic models use only Henry’s Law as equilibrium law, which allows to evaluate the saturation condition of gases in the system, but states some simplifying considerations about aspects such ideality of solution. In this context, authors report the supersaturation of CH4 in effluents, based on saturation degree obtained by Henry’s Law. The present research aimed to verify the validity of this law in predicting the gases production and on system equilibrium conditions, enabling also to evaluate if by choosing a method that consider non-idealities of solution, the phase distribution estimation of CH4 varies, confirming the reports of supersaturation. For this, it was realized a numeric integration of Differential Equations that set ADM1 model, implemented in Matlab®, with the thermodynamic software Aspen Plus. It was performed five simulations in the thermodynamic software, applying the method Ideal and non-ideal Elecntrl. Those simulations were done by changing the method and the components of the simulator inputs to verify the influence of these criterions in final prediction. It was possible to notice by results that even applying non-ideal method, that was not significative differences in the prediction of gases between ADM1 model and Aspen Plus, although there were small differences in dissolved CH4 distribution. Nevertheless, it was not possible to detect methane supersaturation. The results demonstrate that ADM1 predictions is equivalent to expected by thermodynamic equilibrium. This way, it was possible to verify that the simplification of the ideality condition by Henry’s Law, is valid for this case.