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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelagem termodinâmica da adsorção de gases: um estudo teórico- computacional sobre sistemas não-ideais
Alternate title (s): Thermodynamic modeling of gas adsorption: a theoretical-computational study on non-ideal systems
Author: Arvelos, Sarah
First Advisor: Romanielo, Lucienne Lobato
First member of the Committee: Abreu, Charlles Rubber de Almeida
Second member of the Committee: Muniz, André Rodrigues
Third member of the Committee: Franca, Eduardo de Faria
Fourth member of the Committee: Hori, Carla Eponina
Summary: A adsorção é considerada um fenômeno complexo por envolver espécies de natureza química e física muito diferentes. Esta complexidade se reflete na natureza do adsorvente, que pode ser considerado um sólido homogêneo ou heterogêneo; nas interações sólido-fluido e nas interações fluido-fluido adsorvido. Assim, o objetivo focal deste trabalho é avaliar o efeito destas variáveis sobre o comportamento da adsorção multicomponente em fase gasosa. Para atingir o objetivo foram utilizadas ferramentas da termodinâmica clássica, estatística e simulação molecular. Inicialmente foi realizado um estudo do efeito do tamanho relativo dos adsorvatos, em relação a um dado adsorvente, sobre o comportamento azeotrópico de adsorção. Nesta etapa foram testados dois modelos de ocupação de múltiplos sítios e o modelo de solução de Vazios, utilizando-se as equações de Wilson e NRTL. Os resultados apontam que o tamanho relativo das moléculas é preponderante na descrição do azeotropismo de adsorção. O efeito da heterogeneidade do sólido sobre a performance dos modelos de ocupação de múltiplos sítios foi avaliado utilizando-se a teoria patchwise em conjunto com a distribuição semi-gaussiana. Foram avaliadas a inclusão da heterogeneidade via distribuição de energia dos sítios e também em relação a distribuição de tamanho de poros, no caso das zeólitas. O estudo indica que a inclusão da heterogeneidade energética e/ou estrutural não é a principal variável na descrição do comportamento de adsorção de misturas altamente não ideais Considerando que a simulação molecular é uma ferramenta poderosa na elucidação de fenômenos complexos, foram realizados estudos de simulação computacional utilizando o método Monte Carlo (MC) aplicado ao ensemble Grande Canônico (GCMC). Foco especial foi dado aos adsorventes zeolíticos considerando-se a riqueza de estruturas e potencialidades de alteração da razão Sílicio/alumínio (Si/Al) e tipo de cátion de compensação utilizado. Foram investigados sistemas envolvendo a adsorção de componentes puros e misturas tais como hidrocarbonetos com diferentes tamanhos; dióxido de carbono e nitrogênio além das misturas de propano-CO2 e etileno-CO2, as quais apresentam inversão de seletividade em função da razão Si/Al. Nesta etapa pode-se constatar que o uso da simulação molecular é uma ferramenta para geração de dados adicionais de adsorção, em especial em regiões de baixa e alta pressão, favorecendo a estimação de parâmetros de modelos clássicos e estatísticos e consequentemente a predição da adsorção multicomponente. Além disto, observou-se também que para zeólitas 100% Silício, modelos de campo de força simples, sem a contabilização das forças eletrostáticas tanto para a zeólita quanto para o dióxido de carbono e nitrogênio são eficazes na descrição da adsorção destas espécies. No entanto, para zeólitas com diferentes razões de Si/Al, em especial envolvendo misturas de componentes dissimilares (como por exemplo propano-CO2) é necessário a inclusão das forças eletrostáticas para a descrição do comportamento azeotrópico.
Abstract: Adsorption is considered a complex phenomenon since it involves species of very different chemical and physical nature. This complexity is reflected on the nature of the adsorbent (which can be considered a homogeneous or heterogeneous solid) , on the solid-fluid interactions and on the fluid-fluid interactions. Thus, the objective of this work is to evaluate the effect of these variables on the behavior of the adsorption of multicomponent gases. In order to reach the objective, tools of classical thermodynamics, statistics and molecular simulation were used. Initially a study of the effect of the adsorbates relative sizes regarding to some adsorbents was carried out aiming to evaluate azeotrope-like behavior on adsorption. In this step two multi-site occupancy models and two vacancy solution models were tested. The results indicate that the relative size of the molecules is the most important parameter in the description of adsorption azeotropism. The effect of the heterogeneity of the solid on the performance of the multi-site occupancy models was assessed using the patchwise theory in conjunction with the semi-Gaussian distribution. The inclusion of the heterogeneity was evaluated through the energy distribution of the sites and also in relation to the pore size distribution, in the case of zeolites. The study indicates that the inclusion of energy and/or structural heterogeneity is not the main variable in the description behavior of the adsorption of highly non-ideal mixtures. Considering that molecular simulation is a powerful tool in the elucidation of complex phenomena, computational simulation studies were performed using Monte Carlo (MC) method applied to the Grand Canonic Ensemble (GCMC). Special focus was given to zeolitic adsorbents considering the richness of structures and potentialities of the silicon/aluminum (Si/Al) ratio and the type of compensation cation used. We investigate systems involving the adsorption of pure components and mixtures such as carbon dioxide and nitrogen,propane-CO2 and ethylene-CO2 mixtures, which show a selectivity inversion as a function of the Si/Al ratio. In this step, it can be observed that the use of molecular simulation is a tool to generate additional adsorption data, especially in low and high pressure regions, favoring the estimation of parameters of classical and statistical models and consequently the prediction of multicomponent adsorption. In addition, it was also observed that for all-silica zeolites, simple force field models, without accounting the electrostatic forces for both zeolite and carbon dioxide and nitrogen, are effective in the adsorption description of these species. However, for zeolites with different Si/Al ratios, especially involving mixtures of dissimilar components (such as propane-CO2), it is necessary to include the electrostatic forces to describe azeotropic behavior.
Keywords: Engenharia química
Adsorção
Monte Carlo, Método de
Simulação molecular
Adsorption
MSOM
Molecular simulation
Monte Carlo Method
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: ARVELOS, Sarah. Modelagem termodinâmica da adsorção de gases: um estudo teórico-computacional sobre sistemas não-ideais. 2017. 240 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017. http://doi.org/10.14393/ufu.te.2017.178
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2017.178
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/21526
Date of defense: 30-Aug-2017
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