https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43017| Tipo: | Dissertação |
| Título: | Gravimetric analysis for the determination of equilibrium adsorption isotherm data and model fitting applied to CO2 capture from the pre-salt natural gas |
| Autor(es): | Santos, Ana Luisa Nogueira dos |
| Primeiro Orientador: | Melo, Silvio Alexandre Beisl Vieira de |
| metadata.dc.contributor.advisor-co1: | Bastos, Ladislane dos Santos |
| metadata.dc.contributor.referee1: | Melo, Silvio Alexandre Beisl Vieira de |
| metadata.dc.contributor.referee2: | Kalid, Ricardo de Araújo |
| metadata.dc.contributor.referee3: | Bastos Neto, Moisés |
| Resumo: | As tecnologias de separação de CO₂ têm uma aplicação importante no processamento das correntes de gás associado do pré-sal, constituídas principalmente de metano e dióxido de carbono, para a monetização de gás natural. A legislação brasileira exige uma concentração de CO₂ na corrente de gás natural inferior a n = 3% mol para a comercialização. Uma alternativa ainda pouco explorada para captura de CO₂ offshore é a adsorção, cujo desafio principal é o desenvolvimento de novos adsorventes de base sustentável, com elevada eficiência em termos de capacidade de processamento e seletividade, além de viabilidade econômica. Nesse cenário, este estudo avaliou comparativamente três adsorventes através de experimentos realizado num analisador gravimétrico acoplado a uma balança de suspensão magnética na escala de bancada para a coleta de dados inéditos de isotermas de equilíbrio de adsorção, as quais foram utilizadas para a estimativa de parâmetros de modelos clássicos de isotermas. As corridas experimentais foram conduzidas a temperatura T de 293, 328 e 363 K, na faixa de pressão p de 0 a 4.7 MPa, para CO₂, CH₄ e sua mistura binária equimolar. Os materiais utilizados como adsorventes foram: carvão ativado preparado a partir de semente de cajá amarelo, zeólita Y (conhecida como bom adsorvente de CO₂), e um material híbrido. Os modelos de isoterma de Langmuir, Freundlich, Sips e O'Brien Myers foram ajustados aos dados da isoterma de adsorção de CO₂ a T = 293 K. Em seguida, investigou-se a influência da temperatura e do adsorbato no carvão ativado tanto para a adsorção de CO₂ puro quanto de CH₄ puro a T de 293, 328 e 363 K, usando-se o modelo de Langmuir dependente da temperatura. Os dados experimentais das isotermas da mistura binária equimolar de CO₂/CH₄ foram medidos para o carvão ativado nessas três temperaturas e os modelos IAST e RAST foram ajustados para cada isoterma. Para avaliar a capacidade preditiva desses modelos, foram utilizados os dados experimentais medidos para CO₂ puro e CH₄ puro. A zeólita Y teve maior afinidade com o CO₂, ou seja, a maior capacidade adsortiva a baixa pressão (4.58 mmol g-1 a 0.143 MPa), enquanto o carvão ativado teve a maior capacidade adsortiva para toda a faixa de pressão (7.03 mmol g-1 a 4.693 MPa). O material híbrido teve um desempenho combinado desses dois comportamentos. A adsorção foi mais favorável na menor temperatura. Os modelos de Sips e O'Brien Myers, que descrevem bem sistemas de adsorção heterogêneos, apresentaram os melhores resultados tanto para os componentes puros como para a mistura binária. Os melhores modelos ajustados foram utilizados para determinação da seletividade, que foi maior para o CO₂ do que para o CH₄ na adsorção da mistura gasosa em carvão ativado para todas as três temperaturas. Além de dados experimentais inéditos, os resultados aprimoraram a compreensão do processo de adsorção, comparando o desempenho de três materiais para captura de CO₂. Com o carvão ativado obtido de fontes renováveis, um novo adsorvente foi validado para a adsorção de CO₂, CH₄ e sua mistura gasosa equimolar, em três temperaturas, que auxiliam na compreensão da separação de CO₂ do CH₄ nos cenários do gás associado do pré-sal. Além disso, os modelos de isotermas de equilíbrio de adsorção ajustados servem de base para trabalhos futuros de simulação de processos cíclicos de adsorção. |
| Abstract: | CO₂ separation technologies have an important application in the processing of pre-salt associated gas streams, consisting mainly of methane and carbon dioxide, for natural gas monetization. The Brazilian legislation requires the CO₂ concentration in the natural gas stream to be lower than n = 3% mol for commercialization. An alternative, still little explored for offshore CO₂ capture, is adsorption, whose main challenge is the development of new sustainable-based adsorbents, with high processing capacity and selectivity efficiency, besides economic viability. In this scenario, the present study comparatively evaluated three adsorbents through tests in a gravimetric analyzer coupled to a magnetic suspension balance, on a bench scale, generating unprecedented experimental data for the construction of adsorption equilibrium isotherms, which were used to estimate parameters of classical models. The experimental runs were conducted at temperature T of 293, 328 and 363 K, in a pressure range from p of 0 to 4.7 MPa for CO₂, CH₄, and their binary equimolar mixture. The materials used as adsorbents were: activated carbon prepared from yellow mobim seed, zeolite Y (known as a good CO₂ adsorbent), and a hybrid material of activated carbon and zeolite with a mass ratio of 50/50. The Langmuir, Freundlich, Sips and O'Brien Myers models were initially fitted to the CO₂ adsorption isotherm data at T = 293 K. Then, the influence of temperature and adsorbate on the activated carbon was investigated for the adsorption of pure CO₂ and pure CH₄ at T of 293, 328 and 363 K, using the temperature-dependent Langmuir model. The experimental data of the isotherms of the equimolar binary mixture of CO₂/CH₄ were measured for the activated carbon at these three temperatures, and the IAST and RAST models were fitted to each isotherm. Experimental data measured for pure CO₂ and pure CH₄ were used to evaluate the predictive capacity of these models. The zeolite had a larger CO₂ affinity, i.e., higher adsorption capacity at low pressure (4.58 mmol g-1 at 0.143 MPa). In contrast, the activated carbon had a higher adsorptive capacity for the pressure range (7.03 mmol g-1 at 4.693 MPa). The hybrid material had a combined performance of these two behaviors. Adsorption was more favorable at lower temperatures. The Sips and O'Brien Myers models obtained the best results for the pure components and the binary mixture. The best-fitted models were then used to determine selectivity, revealing that CO₂ exhibits higher selectivity than CH₄ for mixture adsorption on activated carbon at all three temperatures. Along with novel experimental data, the results improved the understanding of the adsorption process by distinguishing the performance of three different materials for CO₂ capture. For activated carbon, a new adsorbent from renewable sources was validated for CO₂, CH₄, and their binary equimolar mixture at three temperatures, contributing to a better understanding of CO₂ separation from CH₄ in pre-salt scenarios. Still, fitted models for adsorption equilibrium isotherms serve as a basis for future studies on cyclic adsorption process simulations. |
| Palavras-chave: | Adsorção Gás natural CO₂ Analisador gravimétrico Isotermas |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS Engenharias III |
| Idioma: | eng |
| País: | Brasil |
| Editora / Evento / Instituição: | Universidade Federal da Bahia |
| Sigla da Instituição: | UFBA |
| metadata.dc.publisher.department: | Escola Politécnica |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial (PEI) |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ |
| URI: | https://repositorio.ufba.br/handle/ri/43017 |
| Data do documento: | 21-Jul-2025 |
| Aparece nas coleções: | Dissertação (PEI) |
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| Ana Luisa Nogueira dos Santos - Dissertação.pdf | Dissertação | 8,55 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons