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http://hdl.handle.net/1843/58564| Type: | Dissertação |
| Title: | Análise e modelagem do processo de separação por membranas e do processo de adsorção com modulação de pressão para purificação de biogás |
| Authors: | Mateus de Freitas Martins |
| First Advisor: | Marcelo Cardoso |
| First Co-advisor: | Eduardo Coutinho de Paula |
| First Referee: | Juan Canellas Bosch Neto |
| Second Referee: | Eliton Fontana |
| Abstract: | A economia circular é um modelo que visa a reinserção de materiais ao ciclo produtivo ao invés do seu descarte. Seguindo essa ideologia, a Lei 12305/2010 ressalta a importância da implementação de práticas capazes de reaproveitar os resíduos antes deles serem destinados para a disposição final. Apesar de já fazer mais de uma década da instituição dessa lei, quase todo o resíduo sólido gerado no Brasil segue diretamente para a disposição final, sem nenhum tratamento prévio. Em contrapartida, recentemente alguns municípios brasileiros aprovaram leis que proíbem a destinação de resíduos orgânicos para aterros sanitários, exigindo que esse tipo de resíduo passe por tratamento adequado. Nesse sentido, a digestão anaeróbia se apresenta como solução, sendo uma tecnologia capaz de tratar os resíduos orgânicos e gerando, entre seus subprodutos, o biogás, um combustível renovável. Esse gás pode ainda ser purificado obtendo-se o biometano, um gás com altas concentrações de metano capaz de substituir combustíveis fósseis. Existem muitas vantagens vinculadas à cadeia de produção do biogás e do biometano e, no Brasil, observa-se que esse setor ainda tem muito a crescer. Na Europa, por outro lado, já se observa um grande número de plantas voltadas para a produção de biogás e biometano, sendo reportadas várias informações sobre suas operações. Em relação às plantas de biometano especificamente, relata-se que as tecnologias de purificação mais usadas são a adsorção com modulação de pressão (PSA), a absorção e a separação por membranas e, ainda, se observa que várias operações usam resíduos orgânicos municipais como matéria-prima. Paralelamente, encontram-se na literatura vários estudos que analisam processos de produção de biometano por meio de ferramentas de simulação, uma estratégia muito útil já que, com esse tipo de ferramenta, é possível estudar o funcionamento do processo sem a necessidade de realizar experimentos laboratoriais. Dentro desse contexto, os objetivos do presente trabalho foram modelar o processo PSA e a separação por membranas; simular a produção de biometano por meio desses modelos; validar os modelos elaborados com resultados de simulações validados previamente em outros trabalhos; e comparar as duas tecnologias. A simulação dos processos foi realizada por meio da linguagem Python. O modelo da separação por membranas foi validado, obtendo-se por meio dele indicadores de performance do processo como a pureza e a recuperação de metano. Em relação ao modelo do processo PSA, não foi possível validá-lo, mas observou-se ser capaz de representar o comportamento do sistema de forma condizente com o que se espera na realidade. Pela simulação realizada, já foi possível obter indicadores de performance do processo, como o tempo de ruptura do gás carbônico. No que diz respeito à comparação das duas tecnologias, constatou-se que a modelagem do processo de separação por membranas é bem mais simples do que a modelagem do processo PSA. Ademais, a partir de dados técnicos e econômicos, percebeu-se que não se pode afirmar que uma tecnologia é melhor do que a outra. Numa situação onde se deve escolher por uma das duas tecnologias, inferiu-se ser necessário considerar o cenário mais amplo, avaliando-se fatores como a disponibilidade da tecnologia na região, a presença de mão de obra qualificada para construir e operar a planta, o incentivo do governo por meio de subsídios e a viabilidade de obtenção de matéria-prima. |
| Abstract: | The circular economy is a model that aims to reinsert materials into the production cycle instead of discarding them. Following this path, Law 12305/2010 emphasizes the importance of waste treatment practices previously to it’s final disposal. Unfortunately, more than a decade has passed since the institution of this law and, still, almost all solid waste generated in Brazil goes directly to final disposal, without any prior treatment. On the other hand, some Brazilian municipalities have recently approved laws that prohibit the disposal of organic waste to landfills, requiring that this type of waste undergo proper treatment. In this sense, anaerobic digestion presents itself as a solution, being a technology capable of treating organic waste and generating, among its by-products, biogas, a renewable fuel. This gas can also be purified to biomethane, a gas with high concentrations of methane and capable of replacing fossil fuels. There are many advantages linked to the biogas and biomethane production chain and, in Brazil, it is observed that this sector still has a lot to grow. In Europe, on the other hand, a large number of biogas and biomethane production plants can already be observed, with plenty information about their operations being reported. Regarding biomethane plants specifically, it is reported that the most commonly used purification technologies are pressure swing adsorption (PSA), absorption, and membrane separation, and several operations use municipal organic waste as a raw material. At the same time, there are several studies in the literature that analyze biomethane production processes using simulation tools, a very useful strategy as it allows the study of the process's operation without the need for laboratory experiments. Within this context, the objectives of this work were to model the PSA process and membrane separation; simulate the production of biomethane through these models; validate the models with simulation results previously validated in other works; and compare both technologies. The process simulation was performed using Python language. The membrane separation model was validated, obtaining process performance indicators such as purity and methane recovery. Regarding the PSA process model, it could not be validated, but it was observed to be capable of representing the system's behavior in a manner consistent with what is expected in reality. Through the simulation performed, it was already possible to obtain process performance indicators, such as the carbon dioxide breakthrough time. Regarding the comparison of the two technologies, it was found that modeling the membrane separation process is much simpler than modeling the PSA process. Furthermore, based on technical and economic data, it was noticed that there is no better technology. In a situation where one of the two technologies must be chosen, it was inferred that it is necessary to consider the bigger picture, evaluating factors such as the availability of technology in the region, the presence of qualified people to build and operate the plant, the government incentive through subsidies and the feasibility of obtaining raw material. |
| Subject: | Engenharia sanitária Meio ambiente Resíduos sólidos urbanos - Tratamento Resíduos orgânicos - Tratamento Gases - Absorção e adsorção Biogás Metano Python (Linguagem de programação de computador) |
| language: | por |
| metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos |
| Rights: | Acesso Aberto |
| metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/pt/ |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/58564 |
| Issue Date: | 8-May-2023 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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