Problemas direto e inverso de processos de separação em leito móvel simulado mediante mecanismos cinéticos de adsorção

Diversas aplicações industriais relevantes envolvem os processos de adsorção, citando como exemplos a purificação de produtos, separação de substâncias, controle de poluição e umidade entre outros. O interesse crescente pelos processos de purificação de biomoléculas deve-se principalmente ao desenvolvimento da biotecnologia e à demanda das indústrias farmacêutica e química por produtos com alto grau de pureza. O leito móvel simulado (LMS) é um processo cromatográfico contínuo que tem sido aplicado para simular o movimento do leito de adsorvente, de forma contracorrente ao movimento do líquido, através da troca periódica das posições das correntes de entrada e saída, sendo operado de forma contínua, sem prejuízo da pureza das correntes de saída. Esta consiste no extrato, rico no componente mais fortemente adsorvido, e no rafinado, rico no componente mais fracamente adsorvido, sendo o processo particularmente adequado a separações binárias. O objetivo desta tese é estudar e avaliar diferentes abordagens utilizando métodos estocásticos de otimização para o problema inverso dos fenômenos envolvidos no processo de separação em LMS. Foram utilizados modelos discretos com diferentes abordagens de transferência de massa, com a vantagem da utilização de um grande número de pratos teóricos em uma coluna de comprimento moderado, neste processo a separação cresce à medida que os solutos fluem através do leito, isto é, ao maior número de vezes que as moléculas interagem entre a fase móvel e a fase estacionária alcançando assim o equilíbrio. A modelagem e a simulação verificadas nestas abordagens permitiram a avaliação e a identificação das principais características de uma unidade de separação do LMS. A aplicação em estudo refere-se à simulação de processos de separação do Baclofen e da Cetamina. Estes compostos foram escolhidos por estarem bem caracterizados na literatura, estando disponíveis em estudos de cinética e de equilíbrio de adsorção nos resultados experimentais. De posse de resultados experimentais avaliou-se o comportamento do problema direto e inverso de uma unidade de separação LMS visando comparar os resultados obtidos com os experimentais, sempre se baseando em critérios de eficiência de separação entre as fases móvel e estacionária. Os métodos estudados foram o GA (Genetic Algorithm) e o PCA (Particle Collision Algorithm) e também foi feita uma hibridização entre o GA e o PCA. Como resultado desta tese analisouse e comparou-se os métodos de otimização em diferentes aspectos relacionados com o mecanismo cinético de transferência de massa por adsorção e dessorção entre as fases sólidas do adsorvente.

Uso do Solo do Município de Rio das Ostras como uso em processos de sorção como etapa de tratamento de lixiviados de aterros sanitários.

Este trabalho investiga a utilização do solo do Aterro Sanitário de Rio das Ostras como forma de tratamento de lixiviado, de modo a quantificar a redução de contaminastes, cor e valores de DQO. A utilização do solo argiloso para redução de contaminantes, cor e valores de valores de DQO foi estudada usando três lixiviados diferentes: Rio das Ostras, Morro do Céu e aterro grande porte em ensaios para medida de sorção. As análises de redução de cor e valores de DQO foram realizadas, tendo o resultado mostrado uma redução de cor que variou de 45 a 73% e valores de DQO entre 7 e 66%, usando ensaios do tipo Batch Tests pelo Método CSI. Outros ensaios foram realizados pelo Método ECI de Batch Tests que mostraram resultados melhores de redução de cor, entre 60 e 80% apresentando uma capacidade de sorção do solo argiloso de 22 mg/g. Os ensaios de sorção, com os três lixiviados, foram também utilizados, para estudo do comportamento de certos contaminantes amônio, potássio, sódio e cálcio com relação ao solo argiloso de Rio das Ostras. Foi observada uma dessorção para os íons sódio e cálcio e também uma alta sorção para os íons amônio e potássio. O solo e o lixiviado do Aterro Sanitário de Rio das Ostras foram utilizados para pesquisa de determinação dos coeficientes de difusão molecular para os íons amônio, potássio, sódio, cloreto e cálcio, simulados nos programas computacionais POLLUTE e MPHMTP. Os resultados do coeficiente de difusão para o POLLUTE variaram entre 0,03 m2/ano e 0,1 m2/ano sendo no MPHMTP de 0,06 m2/ano a 0,1 m2/ano. Os dados experimentais mostraram melhor comportamento nas simulações realizadas no MPHMTP.

Validation of a lattice Boltzmann model for gas-solid reactions with experiments

A lattice Boltzmann method is used to model gas-solid reactions where the composition of both the gas and solid phase changes with time, while the boundary between phases remains fixed. The flow of the bulk gas phase is treated using a multiple relaxation time MRT D3Q19 model; the dilute reactant is treated as a passive scalar using a single relaxation time BGK D3Q7 model with distinct inter- and intraparticle diffusivities. A first-order reaction is incorporated by modifying the method of Sullivan et al. [13] to include the conversion of a solid reactant. The detailed computational model is able to capture the multiscale physics encountered in reactor systems. Specifically, the model reproduced steady state analytical solutions for the reaction of a porous catalyst sphere (pore scale) and empirical solutions for mass transfer to the surface of a sphere at Re=10 (particle scale). Excellent quantitative agreement between the model and experiments for the transient reduction of a single, porous sphere of Fe 2O 3 to Fe 3O 4 in CO at 1023K and 10 5Pa is demonstrated. Model solutions for the reduction of a packed bed of Fe 2O 3 (reactor scale) at identical conditions approached those of experiments after 25 s, but required prohibitively long processor times. The presented lattice Boltzmann model resolved successfully mass transport at the pore, particle and reactor scales and highlights the relevance of LB methods for modelling convection, diffusion and reaction physics. © 2012 Elsevier Inc.

Dynamic behaviour of gas jets in laser cutting

The efficiency and overall quality of a laser cutting operation is highly dependent on the assist gas parameters. The desire to cut thicker material has led to the observation of small process operating windows for thicker sections. The gas jet delivery and subsequent dynamical behaviour have significant effects on the cutting operation as the sample thickness increases. To date, few workers have examined the dynamical behaviour of the gas jet. This paper examines the characteristics of oxygen gas jets during CO2 laser cutting of steel. Particular emphasis is placed on the mass transfer effects that are operating within the kerf. Oxygen concentration levels within a model kerf are measured for various laser cutting set-ups. The results show a substantial reduction in oxygen concentration within the kerf. A system for oxygen concentration maintenance is described and cutting results from this system are compared with conventional techniques for cutting steels in the range 10 to 20mm thick. A theoretical analysis of turbulent mass transfer within a kerf is presented and compared with experiment.

Subsurface transport behavior of micro-nano bubbles and potential applications for groundwater remediation.

Micro-nano bubbles (MNBs) are tiny bubbles with diameters on the order of micrometers and nanometers, showing great potential in environmental remediation. However, the application is only in the beginning stages and remains to be intensively studied. In order to explore the possible use of MNBs in groundwater contaminant removal, this study focuses on the transport of MNBs in porous media and dissolution processes. The bubble diameter distribution was obtained under different conditions by a laser particle analyzer. The permeability of MNB water through sand was compared with that of air-free water. Moreover, the mass transfer features of dissolved oxygen in water with MNBs were studied. The results show that the bubble diameter distribution is influenced by the surfactant concentration in the water. The existence of MNBs in pore water has no impact on the hydraulic conductivity of sand. Furthermore, the dissolved oxygen (DO) in water is greatly increased by the MNBs, which will predictably improve the aerobic bioremediation of groundwater. The results are meaningful and instructive in the further study of MNB research and applications in groundwater bioremediation.