Modelagem do processo de remoção de mercúrio elementar de correntes gasosas utilizando

hidroxiapatitas modificadas com sulfeto de cobre como adsorventes

CARLA LUCIANE MANSKE CAMARGOPROFESSORES: ARGIMIRO RESENDE

SECCHI EVARISTO CHALBAUD BISCAIA

RIO DE JANEIRO, DEZEMBRO DE 2013

• Fixação comprovada em testes de lixiviação e estabilidade térmica (Salim

e Resende, 2011);

• Presença de S e estrutura da matriz sólida;

• Dificuldades relacionadas à remoção de Hg em baixas concentrações.

INTRODUÇÃO

Adsorventes regenerávei

s

Adsorventes com fixação

ADSORVENTE DESENVOLVIDO PELO GRIFIT: HAp-CuS

ADSORÇÃO

Grandes quantidades processadas Baixas concentrações

Presença de Hg: variabilidade espacial e temporal

Afeta estruturas e equipamentosExposição ocupacional

Gás natural

Poluente amplamente difundido no

meio ambiente

UNIDADE EXPERIMENTAL

EntradaSaídaREATO

R

Gás de arraste (N2)

Leito de Mercúrio (Hg0)

Adsorvente

ANALISADOR

Filtro

Dados Experimentai

s

T=cte

T=cte

SATURADOR

Lavador de gases

MODELAGEM-MESTRADO

Hg0

Hg0

Hg0

Hg0

Hg0

Hg0

Hg*

DIFUSÃO

REAÇÃO QUÍMICA

REATOR DE LEITO FIXO

HAp-CuS-Hg

ADSORÇÃO

q

rRp- Rp

qRp

q

C

RQRQm RQ

qk q q q

t

NOVA MODELAGEM

DIFUSÃO

REAÇÃO QUÍMICA

REATOR DE LEITO FIXO

ADSORÇÃO

Cp

Cp

S

q

C

C

2

2

1. p

L p S

R Rp

CC C Cv D Dp A

t Z Z R

22

1 .p p pp p p

C D CQR

t t R R R

1

pR A eq

p

QK S Cp K Q Q

t

R p p

SK E S C

t

(2)

BALANÇO MACROSCÓPICO

BALANÇO MICROSCÓPICO

NOVA MODELAGEM

0

,,0 L

f

Z

C t ZDC t C t

v Z

,

0Z L

C t Z

Z

(5)

max

1p

eqp

Q B CQ

B C

, , ,1p pC t Z Rp C t Z

CC (r=Rp)

CC (Z=0)

CI

(0, ) 0C Z

(0, , ) 0pC Z r

(0, , ) 0q Z r

max(0, , )S Z r S

CC (Z=L)

ADIMENSIONAMENTO

2

2

1

16 p

R

x

yy y yk

z Pe z x

2

26 4p p p

R R

y y yqk k x

x x

p A eq

qSR y k q q

RR R p

SE S y

max

1p

eqp

q b yq

b y

0

,1,0f

z

y zy y

Pe z

1

,0

z

y z

z

, ,1 ,py z y z

CI

(0, ) 0C Z

(0, , ) 0pC Z r

(0, , ) 0q Z r

max(0, , )S Z r S

CC

COLOCAÇÃO ORTOGONAL- Técnica de Resíduos Ponderados

- Aproximação da variável dependente por um

polinômio

- Resíduo é nulo nos pontos de colocação

- Grandes mudanças na inclinação: Aproximação é

oscilatória

SOLUÇÃO NUMÉRICA

0 500 1000 1500 2000 25000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t(h)

C/C

oDADOS EXPERIMENTAIS:Dinâmica na saída do leito

‘ SOLUÇÃO NUMÉRICA

BALANÇO MACROSCÓPICO

BALANÇO MICROSCÓPICO

COLOCAÇÃO ORTOGONAL EM ELEMENTOS FINITOS

COLOCAÇÃO ORTOGONAL CLÁSSICA

i=1 i=2 i=ne... ... ...

ξ(2)=+1ξ(2)=0

np nr

Pontos de colocação: Raízes do polinômio de Jacobi +

ambas as extremidades

Pontos de colocação: Raízes do polinômio de Jacobi + extremidade

superior

Equações de continuidade nas interfaces

Plugin OCFEM: Método de Colocação ortogonal

DAESolver: “dasslc” - Integração do sistema de

equações algébrico-diferencial não-linear

NLASolver : “complex” – Otimização (Método

dos poliedros flexíveis)

IMPLEMENTAÇÃO EM EMSO

VARIÁVEISyypq

SR

PARÂMETROSη

ERb

qmax

PARÂMETROS

ESTIMADOSPeKRKA

Pe = 1.76509;KR=0.4951; eta = 2.67e-7; KA=2.24003; ER=7.68e-7; b = 4.67;qmax=4.33e6;

CONCENTRAÇÃO NO FLUIDO

0 500 1000 1500 2000 2500-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t(h)

y

z

AJUSTE AOS DADOS EXPERIMENTAIS

0 500 1000 1500 2000 25000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t(h)

ysaí

da

DINÂMICA AO LONGO DO LEITO

INFLUÊNCIA DA REAÇÃO QUÍMICA

KR

INFLUÊNCIA DA DISPERSÃO AXIAL

Pe

INFLUÊNCIA DA ADSORÇÃO

Perfil axial de y

0 500 1000 1500 2000 2500

0

0.5

1-0.5

0

0.5

1

tz

y

PERFIL DE y NA DIREÇÃO AXIAL

0500

10001500

20002500

0

0.2

0.4

0.6

0.8-2

0

2

4

6

8

10

x 10-12

tz

yp

x=1

0 500 1000 1500 2000 2500

0

0.5

1-5

0

5

10

15

20

x 10-14

tz

yp

x=0,9

0500

10001500

20002500

00.2

0.40.6

0.8-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tz

yp

x=0,16

PERFIL DE yp NA DIREÇÃO AXIAL

0500

10001500

20002500

0

0.2

0.4

0.6

0.8-5

0

5

10

15

x 10-5

t

Perfil axial de q para r=3

r

q

0500

10001500

20002500

0

0.2

0.4

0.6

0.8-5

0

5

10

15

x 10-5

t

Perfil axial de q para r=1

r

q

x=0,16

x=0,9

PERFIL DE q NA DIREÇÃO AXIAL

Z

Z

Perfil axial de SR

0500

10001500

20002500

0

0.2

0.4

0.6

0.80

0.5

1

1.5

2

SR

Perfil axial de SR para r=3

tr

0500

10001500

20002500

0

0.2

0.4

0.6

0.80

0.5

1

1.5

2

SR

Perfil axial de SR para r=1

tr

x=0,16

x=0,9

PERFIL DE SR NA DIREÇÃO AXIAL

Z

Z

Perfil de yp na partícula

0500

10001500

20002500

0

0.5

1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t

Perfil de yp na partícula na entrada do leito

r

yp

0500

10001500

20002500

0

0.5

1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t

Perfil de yp na partícula no final do leito

r

yp

PERFIL DE yp NA PARTÍCULA

Próximo à entrada do leito

Próximo à saída do leito

x

x

Perfil de q na partícula

0500

10001500

20002500

0

0.5

1-5

0

5

10

15

x 10-5

t

Perfil de q na partícula na entrada do leito

r

q

0

1000

2000

3000

00.20.40.60.81

-5

0

5

10

x 10-5

rt

q

Próximo à entrada do leito

Próximo à saída do leito

PERFIL DE q NA PARTÍCULA

xx

x

Perfil de SR na partícula

0500

10001500

20002500

0

0.5

10

0.5

1

1.5

2

SR

Perfil de SR na partícula na entrada do leito

tr

0500

10001500

20002500

0

0.5

10

0.5

1

1.5

2

SR

Perfil de SR na partícula no final do leito

tr

Próximo à entrada do leito

Próximo à saída do leito

PERFIL DE SR NA PARTÍCULA

x

x

0 500 1000 1500 2000 2500-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

t(h)

ysaí

da

Dados Experimentais

ne=4

ne=8

Número de Elementos

ne=4 t=0,208s

ne=8t=0,351

Número de Pontos de Colocação nos Elementos

0 500 1000 1500 2000 2500-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

t(h)

ysaí

da

Dados Experimentais

np=5

np=6

np=3+2 t=0,208s

np=4+2t=0,236

Número de Pontos de Colocação na Partícula

0

500

1000

1500

2000

2500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

tr

yp

01000

20003000

0

0.5

1-2

0

2

4

x 10-4

tr

q

01000

20003000

0

0.5

10

0.5

1

1.5

2S

R

tr

nr=3+1 t=0,208s

nr=4+1t=0,222

x

x

x

01000

20003000

0

0.5

10

0.5

1

1.5

2

SR

Perfil de SR na partícula na entrada do leito

tr

Influência da relação Dp/Rp

0500

10001500

20002500

0

0.5

1-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

t

Perfil de q na partícula na entrada do leito

r

q

0500

10001500

20002500

0

0.5

1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t

Perfil de yp na partícula na entrada do leito

r

yp

Aumento de 104 vezes

x

x

x

x

Um maior entendimento do modelo é necessário!!!

Desafios

0 500 1000 1500 2000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Calculado Experimental

CCo

t (horas)

0 500 1000 1500 2000 25000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t(h)

ysaí

da

MODELO ATUAL MODELO ANTERIOR