Avaliação de métodos de cálculo para o calor isostérico de adsorção aplicados em componentes do gás natural

Abstract

RESUMO: Atualmente, o gás natural desempenha papel fundamental no fornecimento energético no Brasil e no mundo. O gás natural bruto deve ser submetido a um tratamento extensivo para remover os contaminantes, destacando o processo de adsorção, devido as vantagens do seu desempenho, como, por exemplo, a alta eficiência, baixo impacto ambiental, possibilidade de regeneração do material adsorvente, baixo custo do processo quando comparado a outros processos como a absorção, dentre outros. Este processo de separação requer o conhecimento do equilíbrio de adsorção e do calor isostérico de adsorção, que é um parâmetro fundamental para medir a interação adsorvente/gás, presente no balanço energético, servindo como indicador para seleção de adsorventes. Muitas pesquisas têm sido realizadas com a finalidade de estimar e determinar o calor isostérico de adsorção. Portanto, o objetivo deste trabalho de tese foi obter experimentalmente dados de equilíbrio de adsorção de CO2 puro, em diferentes temperaturas, para zeólita (NaY) e carvão ativado (CA), a pressões baixas, e realizar o cálculo do calor de adsorção por meio de métodos indiretos dos modelos clássicos de cálculo do calor isostérico de adsorção, com a finalidade de obter um modelo consistente termodinamicamente. Neste trabalho foram realizados experimentos de calorimetria de adsorção 298 K, utilizando um microcalorimentro da marca Setaram, e, também, isotermas a baixas pressões e temperatura entre 283 a 363 K para os sistemas CO2 /NaYe CO2/CA, cujos dados obtidos são necessários para o estudo do calor isostérico de adsorção. Assim, foram testadas quatro metodologias diferentes para o cálculo do calor isostérico de adsorção: a) pela equação de van't Hoff aplicada diretamente aos dados de adsorção; b) pela equação de Clausius-Clapeyron aplicada diretamente aos dados de adsorção; c) pelos ajustes dos modelos isotermas de Sips e Tóth aplicados na equação de Clausius-Clapeyron e d) considerando que o volume da fase adsorvida pode ser descrito por diferentes modelos aplicados na equação de Dubinin-Astakhov (DA), juntamente com a equação de Clausius-Clapeyron. Essas metodologias foram utilizadas para avalição dos sistemas CO2/NaY e CO2/CA deste trabalho e também para os sistemas CH4/CA e C2H6/CA, cujos dados experimentais foram obtidos da literatura. Os resultados mostraram que as metodologias se ajustaram de forma adequada aos dados de microcalorimetria para os sistemas. Isto sugere que modelos mais robustos que consideram o ajuste das isotermas e, também, o volume da fase adsorvida no ajuste da isoterma de DA foram melhores que a utilização direta da equação de Clausius-Clapeyron e van't Hoff, que são muito utilizadas na literatura, porém estão sujeitas a desvios devido a ser desenvolvida para gases ideais. Portanto, foi possível estudar e propor uma nova metodologia de cálculo do calor isostérico de adsorção que corrige os desvios de Clausius-Clapeyron com relação a sistemas não ideais apresentados

ABSTRACT: Currently, natural gas plays a fundamental role in energy supply in Brazil and in the world. The raw natural gas must be subjected to extensive treatment to remove the contaminants, highlighting the adsorption process, due to the advantages of its performance, such as high efficiency, low environmental impact, and possibility of adsorbent material regeneration, low cost of the process when compared to other processes such as absorption, among others. This method requires the knowledge of the adsorption equilibrium and the interaction energy of the systems involved, such as the isothermal adsorption heat, which is a fundamental parameter to measure the adsorbent / gas interaction present in the energy balance, serving as an indicator for selection of adsorbents. Many researches have been carried out with the purpose of obtaining exact values for the isosteric adsorption heat. Therefore, the objective of this work was to experimentally obtain equilibrium adsorption data of pure CO2, at different temperatures, for zeolite (NaY) and activated carbon (AC) at low pressures, and calculate the adsorption heat of improvements in the classical models of isothermal adsorption heat calculation, in order to obtain a thermodynamically consistent model. In this work, adsorption calorimetry experiments using a Setaram microcaloriment were performed, as well as isotherms at low pressures and different temperatures for CO2/NaY and CO2/CA systems, whose data are required for the study of isosteric heat of adsorption. Thus, four different methodologies for the calculation of the isosteric adsorption heat were tested: a) by the van't Hoff equation applied directly to the adsorption data; b) by the Clausius-Clapeyron equation applied directly to the adsorption data; c) by the adjustments of the isotherms of Sips and Tóth applied in the Clausius-Clapeyron equation and d) considering that the volume of the adsorbed phase can be described by different models applied in the Dubinin-Astakhov equation, together with the Clausius-Clapeyron equation. These methodologies were used to evaluate the CO2/NaY and CO2/CA systems of this work and also for the CH4/CA and C2H6/CA systems, whose experimental data were obtained from the literature. The results showed that the methodologies were adjusted appropriately to the microcalorimetry data for the systems. This suggests that more robust models considering the isotherm adjustment and also the volume of the adsorbed phase in the AD isotherm adjustment were better than the direct use of the Clausius-Clapeyron and van't Hoff equation, which are widely used in the literature, but are subject to deviations because their use is limited to ideal gases. Therefore, it was possible to study and propose a new methodology for the calculation of isosteric adsorption heat that corrects Clausius-Clapeyron deviations in relation to non-ideal systems presented