Atualmente, o tipo de propelente para produtos em aerossol mais usado no mundo é uma mistura de hidrocarbonetos leves (butano e propano - sendo o primeiro em maior proporção). Parte de seu processo de produção é a dessulfurização do butano líquido, através de adsorção em leito fixo usando peneiras moleculares 13X. A literatura científica não apresenta muitas publicações sobre o tema e considerando que a técnica de adsorção é fortemente dependente de dados experimentais para seu maior entendimento, é objetivo deste trabalho estudar este processo através do equilíbrio de adsorção, das curvas de ruptura e do desenvolvimento de um modelo matemático que represente o funcionamento de uma coluna de adsorção de leito fixo a temperatura constante. Obtiveram-se dados sobre o equilíbrio de adsorção por meio de ensaios em banho finito comparando-se a interação de diferentes compostos de enxofre com a peneira molecular 13X e o efeito da temperatura. Utilizou-se a técnica de cromatografia gasosa como método analítico para obtenção dos teores de compostos sulfurados e de hidrocarbonetos. O modelo de Langmuir apresentou bom ajuste aos dados experimentais. Avaliando-se a interação dos componentes sulfurados com a zeólita 13X, identificou-se diferenças significativas, sendo a maior em ordem decrescente: etil-mercaptana, n-propil-mercaptana e terc-butil-mercaptana, respectivamente. A dinâmica do processo de adsorção foi estudada através da obtenção das curvas de ruptura em leitos em escala laboratorial e piloto. Avaliaram-se as influências da variação da concentração de entrada da n-propil-mercaptana e da velocidade do fluido em leito fixo recheado com zeólitas 13X, mantendo os demais parâmetros constantes. Conforme esperado o aumento da concentração inicial reduz o tempo de ruptura, aumenta a quantidade total adsorvida pelo leito e não altera o comportamento da zona de transferência de massa (ZTM). Analisando-se a elevação da velocidade, nota-se também uma diminuição no tempo de ruptura e um aumento da ZTM. O modelo matemático apresentado considera os balanços de massa microscópicos aplicados ao leito, os fenômenos de transporte de massa com modelo de dispersão axial e transporte por convecção da fase líquida para a superfície da partícula e as isotermas de adsorção. As equações diferenciais parciais resultantes foram adimensionalizadas e resolvidas empregando-se o método de diferenças finitas, implementado por código Matlab®. A partir da simulação matemática das condições experimentais obtiveram-se os parâmetros de dispersão axial e de transferência de massa que possibilitaram uma boa reprodução do tempo de ruptura quanto do perfil da zona de transferência de massa para os experimentos em escala laboratorial e piloto. / Currently, the kind of propellant for aerosol products most widely used in the world is a blend of light hydrocarbons (butane and propane - the first in greater proportion). Part of the production of propellant is the desulfurization of liquid-phase butane by molecular sieves 13X in a fixed bed. The scientific literature concerning the adsorption of the mercaptans using zeolite are scarce and considering that the adsorption technique is strongly dependent on experimental data for its better knowlegde, the aim of this work was to study this process by adsorption equilibrium, the breakthrough curves and the development of a mathematic model, simulation and comparison with the operation of a fixed-bed pilot and laboratory-scale column. Adsorption equilibrium parameters were obtained using finite bath experiment and comparing the interaction of different sulfur compounds with molecular sieve 13X and the temperature effect. It was used the gas chromatography as an analytical method in order to obtain the levels of hydrocarbons and sulfur compounds. The Langmuir model well fit the experimental data. Significant differences were identified in the interaction of the sulfur components with zeolite 13X. The major interactions of the sulfur components are in decreasing order: ethyl-mercaptan, n-propyl-mercaptan and terc-butyl-mercaptan. The dynamic of the adsorption process was studied by obtaining the breakthrough curves in laboratory and pilot scale. It was investigated the influence of the initial concentration of n-propyl mercaptan and the fluid velocity in a fixed bed packed with zeolite 13X keeping the other parameters constant. As it was expected, as the inlet sulfur concentration increases the break point time decrease, and enhances the total amount adsorbed by the bed. Analyzing the increase in velocity on the breakthroug profile, it was noted that also decreases the break point time and causes a greater decline of the curve resulting in greater ZTM and anticipating the bed saturation time. The model equations account the mass balance applied in the flowing liquid phase in the column, transport phenomena as the effect of axial dispersion and convection from liquid phase to the adsorbent surface and adsorption isotherm. Finite difference method was used to solve the dimensionless general partial differential equations and it was implemented by Matlab® software. From mathematical simulation of experimental conditions it were obtained the axial dispersion parameters and mass transfer coefficient which allowed a fair agreement in predicting break point time and the mass transfer zone profile.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-18012017-085923 |
| Date | 11 October 2016 |
| Creators | Rodrigues, Alyne Freitas da Silva Bordalo |
| Contributors | Paiva, José Luis de |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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