Orientadores: Teresa Massako Kakuta Ravagnani, Sergio Persio Ravagnani / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T00:32:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_AndersonGomes_M.pdf: 1513239 bytes, checksum: fd19ca410b3d800b0b215aa2175ae192 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A redução dos níveis de dióxido de carbono (CO2) é de suma importância, tanto para o combate à poluição atmosférica proveniente de atividades industriais, como no tratamento de correntes gasosas em processos químicos. O método clássico para captura de CO2 engloba sua absorção reativa em solução de aminas, conduzida em colunas de borbulhamento, spray ou recheio. Porém, desvantagens como a formação de espuma e dispersão de fase constituem problemas operacionais significativos desses processos. Alternativamente, módulos de membrana de fibras ocas seriam equipamentos mais adequados para esse fim, apresentando como vantagens uma grande área interfacial e flexibilidade operacional. Nesse sentido, o presente estudo buscou realizar a simulação do processo de absorção de CO2 em módulos de membrana, utilizando soluções aquosas de2-amino-2-metil-1-propanol (AMP), dietanolamina (DEA) e metildietanolamina (MDEA). A modelagem matemática do sistema utilizou expressões da taxa de reação e equações de balanço de massa diferenciais. A resolução numérico-computacional do modelo foi conduzida mediante aplicação dos métodos de colocação ortogonal e de Michelsen, tendo sido implementada em linguagem Fortran. O processo foi estudado em diversas condições operacionais para a análise de sensibilidade paramétrica e os resultados indicam, com base nas características dos diferentes sistemas, as melhores condições gerais de operação. Dentre as aminas consideradas como solventes reativos, as maiores taxas de absorção de CO2 foram previstas com o uso de AMP. Entretanto, sua concentração radial, à saída do módulo de membrana, apresentou forte incidência do fenômeno de depleção da solução absorvedora. Os principais parâmetros que incrementaram a taxa de absorção e, conseqüentemente, a eficiência do módulo de membrana, foram a velocidade de escoamento do líquido absorvente, as concentrações iniciais de CO2 e de amina, o raio interno e o comprimento das fibras. / Abstract: The decrease in the carbon dioxide (CO2) levels is extremely important to avoid atmospheric pollution, from industrial activities, and to the gaseous treatment in several chemical processes. The classical process to the CO2 sequestration involves its reactive absorption into amine solutions, which are carried on bubble, spray or fixed bed columns. However, some disadvantages, such as foam formation and phase dispersion, are serious operational problems to be avoided. Alternatively, membrane modules are supposed to be mode adequate equipments to that aim, which some advantages are great interfacial area and operational flexibility. Under this context, the present study intended to provide the simulation of the CO2 absorption process in hollow fiber membrane module, by using a-amino-2-methyl-1-propanol (AMP), diethanolamine (DEA) and methyldiethanoamine (MDEA) aqueous solutions. The mathematical modeling is based on the inherent rate expressions of the reactive system, besides the differential mass balance equations. The numerical and computational solution was developed by applying the orthogonal collocation and Michelsen methods, which were compiled in Fortran language. The idealized process was studied based on a given standard operational condition, besides a parametric sensibility analysis. The main results, to each sorption system, show the best general conditions to the process operation. Under the standard operation, among the alkanolamines considered as reactive solvents, the best CO2 absorption rate were calculated by using the AMP solution. Nevertheless, its radial concentration tends to suffer the incidence of depletion phenomena in their aqueous solution. The best performance credited to the AMP solution were also confirmed, where the main parameters that increased the absorption rate were the absorbent liquid flow velocity, the initial CO2 and amine concentration, the fibers inner radius and length. / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

The main aim of this Diploma thesis was to investigate a mass transfer of air pollutants to a liquid solution of NaOH, theoreticaly based on a film theory of diffusion in accordance with absorption experiments. The absoprtion experiments were provided by our own designed inverse scrubber in a semi production proportion. In a design phase of the inverese scrubber literaly and patent reviews were provided to inspect a background of the innovation. The experimental part firstly investigates a hydraulic properties of the most important inverse scrubber components and its connections and then the most suitable limits and pre-set preferences are designed for yielding an objective data relating to the mass transport study. Secondly, the absorption of carbon-dioxied (CO2) gas through a thin film of NaOH solution is investigated in a range of hundres of litres of liquid per hour. Then the efficiancy of absorption and the mass transport ratio is investigated. The goal of this study is to put forward the knowledge about the simpliest arrangement of the inverse scrubber in order to gain a satisfying mass transfer even in the full production proportion.

Objetivo deste trabalho foi o de caracterizar e estudar o processo de transferência de massa da absorção de CO2 em soluções aquosas de aminas em coluna recheada operando em pressão atmosférica. Com este objetivo, construíram-se dois equipamentos, sendo um constituído de coluna em escala laboratório com recheio estruturado e outro de uma coluna em escala piloto com recheio randômico. Empregou-se a absorção de CO2, diluído em ar, em solução de NaOH, para a determinação da área interfacial efetiva. Os coeficientes globais de transferência de massa foram determinados para a absorção de CO2, diluído em ar, em diferentes soluções aquosas absorvedoras a base de aminas, a saber: 25% em massa de MEA, MEA-MDEA nas concentrações mássicas 5% MDEA 25% MEA, 10% MDEA 20% MEA e 15% MDEA 15% MEA. Constatou-se uma forte correlação entre a proporção da solução MDEA-MEA e o coeficiente global de transferência de massa. O planejamento dos ensaios em coluna piloto foi realizado com o emprego de simulador de processos, para a verificação hidrodinâmica da coluna e especificação das vazões de gás e de solução absorvente. Compararam-se, também, os resultados obtidos experimentalmente com os previstos pela simulação, no caso da absorção em MEA. / The aim of the present work was to characterize and study the mass transfer process of the CO2 absorption into single and blended alkanolamines in a packed column under atmospheric pressure. For this purpose, two systems were built, one of the columns is a laboratory structure packed column and the other is a pilot random packed column. The absorption of CO2 into NaOH was performed to determine the effective mass-transfer area and the overall mass-transfer coefficient. The absorption performance was evaluated in terms of the overall mass-transfer coefficient for the absorption of CO2 in air into single and blended alkanolamines: MEA 25% wt, and MEA-MDEA mixtures, MEA-MDEA (25% /5% wt), MEA-MDEA (20% /10% wt) and MEA-MDEA (15% /15% wt). The CO2 absorption performance of MEA-MDEA mixture has a high correlation with the proportion MEA-MDEA. Experimental series were designed employing a process simulator for the hydrodynamic checking and determination of gas and liq flow rates. Comparison of the experimental data and simulation results was made for the absorption into MEA.

Objetivo deste trabalho foi o de caracterizar e estudar o processo de transferência de massa da absorção de CO2 em soluções aquosas de aminas em coluna recheada operando em pressão atmosférica. Com este objetivo, construíram-se dois equipamentos, sendo um constituído de coluna em escala laboratório com recheio estruturado e outro de uma coluna em escala piloto com recheio randômico. Empregou-se a absorção de CO2, diluído em ar, em solução de NaOH, para a determinação da área interfacial efetiva. Os coeficientes globais de transferência de massa foram determinados para a absorção de CO2, diluído em ar, em diferentes soluções aquosas absorvedoras a base de aminas, a saber: 25% em massa de MEA, MEA-MDEA nas concentrações mássicas 5% MDEA 25% MEA, 10% MDEA 20% MEA e 15% MDEA 15% MEA. Constatou-se uma forte correlação entre a proporção da solução MDEA-MEA e o coeficiente global de transferência de massa. O planejamento dos ensaios em coluna piloto foi realizado com o emprego de simulador de processos, para a verificação hidrodinâmica da coluna e especificação das vazões de gás e de solução absorvente. Compararam-se, também, os resultados obtidos experimentalmente com os previstos pela simulação, no caso da absorção em MEA. / The aim of the present work was to characterize and study the mass transfer process of the CO2 absorption into single and blended alkanolamines in a packed column under atmospheric pressure. For this purpose, two systems were built, one of the columns is a laboratory structure packed column and the other is a pilot random packed column. The absorption of CO2 into NaOH was performed to determine the effective mass-transfer area and the overall mass-transfer coefficient. The absorption performance was evaluated in terms of the overall mass-transfer coefficient for the absorption of CO2 in air into single and blended alkanolamines: MEA 25% wt, and MEA-MDEA mixtures, MEA-MDEA (25% /5% wt), MEA-MDEA (20% /10% wt) and MEA-MDEA (15% /15% wt). The CO2 absorption performance of MEA-MDEA mixture has a high correlation with the proportion MEA-MDEA. Experimental series were designed employing a process simulator for the hydrodynamic checking and determination of gas and liq flow rates. Comparison of the experimental data and simulation results was made for the absorption into MEA.

Neste trabalho, foram depositadas sobre lâminas de silício camadas de zeólitos cristalinos, formados por cadeias de átomos de zinco e bases conjugadas do imidazol (ZIF: Zeolitic Imidazolate Framework), com o objetivo de avaliar os processos de adsorção e absorção do CO2 e aplicar essas camadas como pré-concentradores para a detecção de CO2. Para a deposição das camadas ZIF através dos processos Spinning e casting, foi proposta uma solução química alternativa que emprega etanol como solvente em vez de metanol como reportado na literatura, a fim de proporcionar um processo menos tóxico ao ser humano e viabilizar o armazenamento de CO2 para aplicações envolvendo não apenas a sua detecção mas também a sua remoção do ambiente. As camadas ZIF foram depositadas utilizando uma solução obtida a partir da mistura de nitrato de zinco (4,3g) e 2-metilimidazol (9,7g) em etanol com diversas diluições com a finalidade de variar o pH na faixa de 7,2 a 8,2. Como resultado, verificou-se que as camadas obtidas apresentaram estrutura cristalina ZIF-8 ou ZIF-90 apenas na situação de pH próximo de 7. Além disso, as camadas depositadas através da técnica Spinning apresentaram baixa aderência sobre lâminas de silício e não foi possível depositar camadas com espessuras na faixa de micrômetros. Por outro lado, camadas repetitivas com aproximadamente 7, 5µm de espessura foram depositadas nas lâminas de silício através do processo casting em solução de pH = 7,2 (50ml). Após o recozimento dessas camadas na temperatura de 150 ºC por 48h em ambiente de nitrogênio ultrapuro, obtiveram-se distribuições repetitivas de nanocristais com tamanhos na faixa de 5 a 400nm e estrutura cristalina tipo ZIF-90. Das medidas de espectroscopia IR nas camadas de ZIF-90, observou-se que a banda localizada em 2337cm-1 intensifica com o aumento da pressão do CO2 e com o tempo em que a pressão é mantida. Além da banda em 2337cm-1, foi observada uma segunda banda em 2360cm-1, indicando dois diferentes tipos de resposta: (i) a banda em 2337cm-1 foi associada a uma porção substancial de moléculas de CO2 absorvidas dentro da camada junto aos contornos dos nanocristais ou dentro da sua estrutura cristalina, e (ii) a banda em 2360cm-1 foi atribuída à porção de moléculas de CO2 adsorvidas na superfície. Além disso, se o tempo de exposição da camada de ZIF-90 ao CO2, na pressão atmosférica for de pelomenos 2h, atinge-se sensibilidade de 100ppm ao CO2, considerando a leitura mínima de absorbância como sendo igual a 0,02 para 0,5 l/min de CO2 fluindo sobre a amostra. / In this work, layers of crystalline zeolites formed by chains of zinc atoms and conjugate bases of the imidazole (ZIF: zeolitic Imidazolate Framework) were deposited to evaluate the desorption and absorption of CO2 and apply these layers as pre-concentrators for CO2 detection. For the deposition of ZIF layers by means of spinning or casting, it was proposed an alternative chemical solution which employs ethanol as solvent instead of methanol, as reported in the literature, to provide a less toxic process to humans and allow one the CO2 storage applications involving not just detection but also its removal from the environment. The ZIF layers were deposited using a solution prepared from a mixture of zinc nitrate (4.3g) and 2-methylimidazole (9.7g) with several dilutions in ethanol to vary the pH in the range of 7.2 to 8.2. As a result, the crystalline structure of the layers was ZIF-8 or ZIF-90 only for pH next to 7. Furthermore, the layers deposited by spinning showed low adhesion to the silicon wafers and it was not possible to deposit layers for thickness in the micrometer range. Moreover, repetitive layers of approximately 7.5µm in thickness were deposited on the silicon wafers by casting for pH = 7.2 (50ml). After annealing these layers at a temperature of 150 ºC for 48h in ultra-pure nitrogen, it was obtained repetitive nanocrystals with size distributions in the range of 5 to 400 nm having a ZIF-90 crystal structure. From infrared (IR) measurements of the ZIF-90 layers, it was observed a band located at 2337cm-1 that increases with the increase of the CO2 pressure and with the exposure time to this pressure. In addition to the band at 2337cm-1, it was observed a second band at 2360cm-1 indicating two different responses: (i) the band at 2337cm-1 is related to a substantial portion of the CO2 molecules absorbed into the layer along the contours of the nanocrystals or within the crystal structure and (ii) the band at 2360cm-1 is related to the portion of CO2 molecules adsorbed on the surface. Also, if the ZIF-90 layer is exposed to CO2 at atmospheric pressure for at least 2h, a 100ppm sensitivity to CO2 is achieved considering the minimum absorbance as being 0.02 when 0.5 l/min of CO2 is flowing on the sample.

Neste trabalho, foram depositadas sobre lâminas de silício camadas de zeólitos cristalinos, formados por cadeias de átomos de zinco e bases conjugadas do imidazol (ZIF: Zeolitic Imidazolate Framework), com o objetivo de avaliar os processos de adsorção e absorção do CO2 e aplicar essas camadas como pré-concentradores para a detecção de CO2. Para a deposição das camadas ZIF através dos processos Spinning e casting, foi proposta uma solução química alternativa que emprega etanol como solvente em vez de metanol como reportado na literatura, a fim de proporcionar um processo menos tóxico ao ser humano e viabilizar o armazenamento de CO2 para aplicações envolvendo não apenas a sua detecção mas também a sua remoção do ambiente. As camadas ZIF foram depositadas utilizando uma solução obtida a partir da mistura de nitrato de zinco (4,3g) e 2-metilimidazol (9,7g) em etanol com diversas diluições com a finalidade de variar o pH na faixa de 7,2 a 8,2. Como resultado, verificou-se que as camadas obtidas apresentaram estrutura cristalina ZIF-8 ou ZIF-90 apenas na situação de pH próximo de 7. Além disso, as camadas depositadas através da técnica Spinning apresentaram baixa aderência sobre lâminas de silício e não foi possível depositar camadas com espessuras na faixa de micrômetros. Por outro lado, camadas repetitivas com aproximadamente 7, 5µm de espessura foram depositadas nas lâminas de silício através do processo casting em solução de pH = 7,2 (50ml). Após o recozimento dessas camadas na temperatura de 150 ºC por 48h em ambiente de nitrogênio ultrapuro, obtiveram-se distribuições repetitivas de nanocristais com tamanhos na faixa de 5 a 400nm e estrutura cristalina tipo ZIF-90. Das medidas de espectroscopia IR nas camadas de ZIF-90, observou-se que a banda localizada em 2337cm-1 intensifica com o aumento da pressão do CO2 e com o tempo em que a pressão é mantida. Além da banda em 2337cm-1, foi observada uma segunda banda em 2360cm-1, indicando dois diferentes tipos de resposta: (i) a banda em 2337cm-1 foi associada a uma porção substancial de moléculas de CO2 absorvidas dentro da camada junto aos contornos dos nanocristais ou dentro da sua estrutura cristalina, e (ii) a banda em 2360cm-1 foi atribuída à porção de moléculas de CO2 adsorvidas na superfície. Além disso, se o tempo de exposição da camada de ZIF-90 ao CO2, na pressão atmosférica for de pelomenos 2h, atinge-se sensibilidade de 100ppm ao CO2, considerando a leitura mínima de absorbância como sendo igual a 0,02 para 0,5 l/min de CO2 fluindo sobre a amostra. / In this work, layers of crystalline zeolites formed by chains of zinc atoms and conjugate bases of the imidazole (ZIF: zeolitic Imidazolate Framework) were deposited to evaluate the desorption and absorption of CO2 and apply these layers as pre-concentrators for CO2 detection. For the deposition of ZIF layers by means of spinning or casting, it was proposed an alternative chemical solution which employs ethanol as solvent instead of methanol, as reported in the literature, to provide a less toxic process to humans and allow one the CO2 storage applications involving not just detection but also its removal from the environment. The ZIF layers were deposited using a solution prepared from a mixture of zinc nitrate (4.3g) and 2-methylimidazole (9.7g) with several dilutions in ethanol to vary the pH in the range of 7.2 to 8.2. As a result, the crystalline structure of the layers was ZIF-8 or ZIF-90 only for pH next to 7. Furthermore, the layers deposited by spinning showed low adhesion to the silicon wafers and it was not possible to deposit layers for thickness in the micrometer range. Moreover, repetitive layers of approximately 7.5µm in thickness were deposited on the silicon wafers by casting for pH = 7.2 (50ml). After annealing these layers at a temperature of 150 ºC for 48h in ultra-pure nitrogen, it was obtained repetitive nanocrystals with size distributions in the range of 5 to 400 nm having a ZIF-90 crystal structure. From infrared (IR) measurements of the ZIF-90 layers, it was observed a band located at 2337cm-1 that increases with the increase of the CO2 pressure and with the exposure time to this pressure. In addition to the band at 2337cm-1, it was observed a second band at 2360cm-1 indicating two different responses: (i) the band at 2337cm-1 is related to a substantial portion of the CO2 molecules absorbed into the layer along the contours of the nanocrystals or within the crystal structure and (ii) the band at 2360cm-1 is related to the portion of CO2 molecules adsorbed on the surface. Also, if the ZIF-90 layer is exposed to CO2 at atmospheric pressure for at least 2h, a 100ppm sensitivity to CO2 is achieved considering the minimum absorbance as being 0.02 when 0.5 l/min of CO2 is flowing on the sample.