Título: MODELAGEM MATEMÁTICA DO PROCESSO DE CAPTURA DE CO2 NO TRATAMENTO DO BIOGÁS
Título alternativo: MATHEMATICAL MODELING OF THE CO2 CAPTURE PROCESS IN BIOGAS TREATMENT
Autoria de: Marcelo de Souza Costa
Orientação de: Carlos Eduardo Castilla Alvarez
Presidente da banca: Carlos Eduardo Castilla Alvarez
Primeiro membro da banca: Jessica de Oliveira Notorio Ribeiro
Segundo membro da banca: Marcio Montagnana Vicente Leme
Palavras-chaves: Interface Homem-Máquina, DWSIM, Absorção física, Energia renovável, Biogás
Data da defesa: 05/12/2025
Semestre letivo da defesa: 2025-2
Data da versão final: 12/12/2025
Data da publicação: 12/12/2025
Referência: Costa, M. d. S. MODELAGEM MATEMÁTICA DO PROCESSO DE CAPTURA DE CO2 NO TRATAMENTO DO BIOGÁS . 2025. 60 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica Bacharelado)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.
Resumo: A crescente preocupação com os impactos ambientais gerados pelo uso de combustíveis fósseis, destaca a importância das fontes de energias renováveis. Neste contexto, o biogás, produzido a partir da decomposição de matéria orgânica, surge como uma alternativa promissora como energia limpa. No entanto, para aumentar sua eficiência energética e diminuir alguns índices de poluentes liberados para a atmosfera, provenientes durante a queima do biocombustível, é necessário purificá-lo, removendo certas impurezas presentes em sua composição. Diante disso, esta monografia teve o objetivo desenvolver uma interface homem-máquina (IHM) que facilite a análise do processo de purificação do biogás, além de propor e simular o processo de uma torre de absorção utilizando água como solvente para a remoção de dióxido de carbono (CO????). O propósito central foi avaliar o impacto do processo na elevação da concentração de metano (CH????) e, consequentemente, na viabilidade técnica da produção de biometano para geração de energia elétrica. A metodologia adotada integrou experimentos práticos e simulações computacionais no software DWSIM, utilizando o modelo termodinâmico Peng-Robinson (PR), adequado para sistemas gás-líquido. Foram simuladas quatro condições distintas, variando o volume de água na torre de absorção, a fim de analisar o desempenho da separação em diferentes níveis de contato gás-líquido. Os resultados da simulação indicaram redução significativa das concentrações de CO???? no biogás purificado, confirmando a eficiência do processo de absorção física. Entretanto, os testes experimentais apresentaram comportamento divergente, embora tenha sido observada elevação da fração de CH????, as concentrações de CO???? não reduziram na mesma proporção prevista pela simulação. Essa discrepância foi quantificada por meio da análise do erro relativo, adotando-se critérios amplamente utilizados em validações de modelos. A aplicação desse critério evidenciou que a predição do CH???? apresentou erro relativo médio de aproximadamente 2,1, classificando-se como excelente, enquanto o CO???? apresentou erro relativo médio em torno de 17,5, enquadrando-se como discrepância significativa. Esse desempenho inferior para o CO???? está associado tanto a fatores operacionais, como distribuição não uniforme do líquido, saturação do solvente e interferências no analisador de gases, quanto a limitações inerentes ao modelo de equilíbrio implementado no software DWSIM, que tende a simplificar fenômenos hidrodinâmicos e de transferência de massa. Assim, mesmo com a simulação e o ensaio físico conduzidos de maneira satisfatória, os resultados indicam a necessidade de calibração do modelo e de refinamento experimental para aprimorar a convergência entre teoria e prática. Além de validar a eficácia do sistema de supervisão desenvolvido, o estudo fornece subsídios valiosos para pesquisas futuras voltadas à melhoria da eficiência e da sustentabilidade do processo, contribuindo para o avanço tecnológico e ambiental da geração de energia renovável.
Abstract: The growing concern about the environmental impacts generated by the use of fossil fuels highlights the importance of renewable energy sources. In this context, biogas, produced from the decomposition of organic matter, emerges as a promising alternative as clean energy. However, to increase its energy efficiency and reduce some levels of pollutants released into the atmosphere during the combustion of the biofuel, it is necessary to purify it, removing certain impurities present in its composition. Therefore, this monograph aimed to develop a human-machine interface (HMI) to facilitate the analysis of the biogas purification process, as well as to propose and simulate the process of an absorption tower using water as a solvent for the removal of carbon dioxide (CO????). The central purpose was to evaluate the impact of the process on increasing the concentration of methane (CH????) and, consequently, on the technical feasibility of biomethane production for electricity generation. The methodology adopted integrated practical experiments and computational simulations in the DWSIM software, using the Peng-Robinson (PR) thermodynamic model, suitable for gas-liquid systems. Four distinct conditions were simulated, varying the volume of water in the absorption tower, in order to analyze the separation performance at different gas-liquid contact levels. The simulation results indicated a significant reduction in CO???? concentrations in the purified biogas, confirming the efficiency of the physical absorption process. However, the experimental tests showed divergent behavior although an increase in the CH???? fraction was observed, the CO???? concentrations did not decrease in the same proportion predicted by the simulation. This discrepancy was quantified through relative error analysis, adopting criteria widely used in model validations. The application of this criterion showed that the CH???? prediction presented an average relative error of approximately 2.1, classifying it as excellent, while CO???? presented an average relative error of around 17.5, classifying it as a significant discrepancy. This inferior performance for CO???? is associated with both operational factors, such as non-uniform liquid distribution, solvent saturation, and interferences in the gas analyzer, and limitations inherent to the equilibrium model implemented in the DWSIM software, which tends to simplify hydrodynamic and mass transfer phenomena. Thus, even with the simulation and physical testing conducted satisfactorily, the results indicate the need for model calibration and experimental refinement to improve the convergence between theory and practice. In addition to validating the effectiveness of the developed monitoring system, the study provides valuable input for future research aimed at improving the efficiency and sustainability of the process, contributing to the technological and environmental advancement of renewable energy generation.
URI alternaviva: sem URI do Repositório Institucional da UFLA até o momento.
Curso: G032 - ENGENHARIA MECÂNICA (BACHARELADO)
Nome da editora: Universidade Federal de Lavras
Sigla da editora: UFLA
País da editora: Brasil
Gênero textual: Trabalho de Conclusão de Curso
Nome da língua do conteúdo: Português
Código da língua do conteúdo: por
Licença de acesso: Acesso aberto
Nome da licença: Licença do Repositório Institucional da Universidade Federal de Lavras
URI da licença: repositorio.ufla.br
Termos da licença: Acesso aos termos da licença em repositorio.ufla.br
Detentores dos direitos autorais: Marcelo de Souza Costa e Universidade Federal de Lavras
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