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Master's Dissertation
Full name
Cleiton de Souza Beraldo
Knowledge Area
Date of Defense
São Paulo, 2022
Seckler, Marcelo Martins (President)
Azevedo, Diana Cristina Silva de
Poço, João Guilherme Rocha
Title in English
A numerical investigation of a fixed bed CO2 adsorption process using Phase Change Materials.
Keywords in English
Fixed bed
Latent heat thermal energy storage
Phase change material
Abstract in English
Interest in adsorption in the context of Carbon Capture and Storage (CCS) has increased in recent years due to the low energy consumption required, as compared to the more well-established route of absorption. In order to reduce even more the energy required by adsorption and to increase the specific adsorption capacity, measures have been proposed to counteract the undesired exothermic behavior of adsorption processes, such as U-tubes inserted on the adsorption bed and phase change materials (PCM). The latter offers great potential of storing substantial amounts of energy. In this work, the aim is to analyze the behavior of a fixed bed CO2 adsorption system with PCM and provide a comprehensive interpretation to explain the phenomenon. The bed is filled with activated carbon or zeolite as adsorbent and paraffin wax as phase change material. The mathematical model for PCM in fixed bed proposed by Schumman, based on balances of mass and energy, has been modified to include the expressions of transport phenomena, thermodynamic equilibrium and adsorption kinetics. The model was validated with experimental data from literature and the results from the numerical solution were used to analyze the thermal performance of the charging mode of the adsorption process and. The studies revealed a increase of the theoretical CO2 adsorption in capacity by 10% in total volume of gas adsorbed, due to the reduction of the maximum temperature of the process by 2 ºC. To be the most effective, the heat transfer interval of the phase change material aligns with the adsorption breakthrough curve.
Title in Portuguese
Estudo numérico de um processo de adsorção de CO2 em leito fixo usando Materiais de Mudança de Fase.
Keywords in Portuguese
Adsorção em leito fixo
Armazenamento de energia térmica por calor latente
Captura e sequestro de carbono
Materiais de mudança de fase
Abstract in Portuguese
O interesse pela adsorção no contexto de Sequestro e Captura de Carbono (CCS) tem aumentado nos últimos anos devido ao baixo consumo de energia exigido pelo processo, em comparação com a mais conhecida rota de absorção. A fim de reduzir ainda mais a energia requerida pela adsorção e aumentar a capacidade de adsorção, foram propostas medidas para neutralizar o comportamento exotérmico indesejado dos processos de adsorção, como elementos de troca térmica ativos inseridos no leito de adsorção e materiais de mudança de fase (PCM). Este último oferece grande potencial por ser capaz de armazenar quantidades substanciais de energia. Neste trabalho o objetivo é analisar o comportamento de um sistema de adsorção de CO2 em leito fixo com PCM e fornecer uma interpretação fenomenológica simples. O leito é preenchido com carvão ativado ou zeólita como adsorvente, e de parafina como material de mudança de fase. O modelo matemático para PCM em leito fixo proposto por Schumman, baseado em balanços de massa e energia, foi modificado para incluir as expressões de fenômenos de transporte, equilíbrio termodinâmico e cinética de adsorção. O modelo foi validado com dados experimentais da literatura e os resultados da solução numérica foram utilizados para analisar o desempenho térmico da etapa de adsorção. Os estudos revelaram que no uso de apenas 1% de PCM houve um aumento da capacidade de adsorção de CO2 em 10% em volume total de gás adsorvido, devido à redução da temperatura máxima do processo em 2 ºC. Para ser o mais eficaz, a zona de transferência de calor do material de mudança de fase se alinhe com a curva de ruptura do processo de adsorção.
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