Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção
muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente
da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de
petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são
separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas
abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na
modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma
abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura
interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram
simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe
que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas
suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição
pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo,
o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio.
Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem
Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo
da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão
determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e
posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de
tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos
volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da
fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos,
sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens
propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de
separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil.
Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso
da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de
caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta
inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas
usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia
líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas
abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na
caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua.
Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e
os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da
cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando
da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos,
entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações.
Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era
relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as
cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a
concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou
o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas.
De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas
com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um
experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar
das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso,
podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo
número de parâmetros e são constituídas de equações diferenciais ordinárias. / Simulated Moving Bed (SMB) is a very efficient process in the compounds separation by
adsorption, because works in a continuous regime, and with countercurrent flow of the solid
phase. Among different applications, SMB has stood out in the petrochemical products
separation and mainly in the separation of racemic compounds, which are separations of a high
degree of difficulty. In this work, two new approaches to modeling the LMS process have been
proposed, stepwise approach and Front Velocity approach. In the Stepwise approach, each
chromatographic column of the SMB, is divided in to N cells connected in series, and the
concentrations of compounds in liquid and solid phases were simulated using two different
kinetics of mass transfer. This approach assumes that the interactions resulting from the mass
transfer between the molecules of the compound in its liquid and solid phases occur only on the
surface. So that with this assumption the volume occupied by each molecule in the solid and
liquid phases is the same, implying that the factor of residence is equal to the equilibrium
constant. To describe the mass transfer that occurs in the Chromatographic process, the Front
Velocity approach considers that the convection is the dominant phase in the solute transport
along the chromatographic column. The "Front Velocity" is a discrete model (steps) where the
flow rate determines the liquid phase advance along the column. The steps are: advancing liquid
phase and subsequent mass transfer between the liquid and solid phases, the latter in the same
time interval. Thus, the experimental volumetric flow is used for the discretization of the control
volume moving along the porous column with the same velocity of the liquid phase. The mass
transfer was represented by two distinct kinetic mechanisms without (linear type) and with
maximum adsorption capacity (Langmuir type). Both proposed approaches were studied and
evaluated by comparison with experimental data separation LMS of the anesthetic ketamine
and subsequently with the drug Verapamil. Were also compared with the simulations of
dispersive equilibrium model for the case of ketamine used by Santos (2004) and the
simulations of the software Help for the case of Verapamil (Perna 2013). In the
chromatographic column characterization step, the new approaches have been associated with
inverse R2W tool to determine the global mass transfer parameters using only the experimental
residence times of each enantiomer in the high performance liquid chromatography (HPLC)
column. In the second step, the kinetic models developed in both approaches were applied to
the columns of the LMS with the values determined in the characterization of the
chromatographic column step, for the simulation of continuous separation process. The
simulation results show good agreement between the two proposed approaches and pulse
experiments to characterize the column in the enantiomeric separation of ketamine over time.
In the simulation of the SMB process, when the approaches admit one kinetic mechanism of
the Langmuir type showed good agreement with the results obtained from the dispersive
equilibrium model, it is a classical tool for the simulation of this process. While using a kinetic
linear mechanism the results is more similar to the experimental data. According to the study
conducted, both the proposed approaches were shown to be potential tools to predict the
chromatographic behavior of a sample in a test pulse, as well as the simulation of separation of
a compound in SMB process despite minor discrepancies presented in the first work cycles of
the SMB. Moreover, the approaches can be easily programed and applied in the analysis of the
process, because it requires a low number of parameters and consist of ordinary differential
equations.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/urn:repox.ist.utl.pt:BDTD_UERJ:oai:www.bdtd.uerj.br:4201 |
| Date | 10 February 2014 |
| Creators | Anderson Luis Jeske Bihain |
| Contributors | Leôncio Diógenes Tavares Câmara, Antônio José da Silva Neto, Cesar Costapinto Santana, Jorge Corrêa de Araújo, Sandra Mara Cardoso Malta, Pedro Paulo Gomes Watts Rodrigues |
| Publisher | Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, UERJ, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ, instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro, instacron:UERJ |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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