Modelagem CFD da absorção simultânea de CO2 e CH4 em colunas de bolhas: comparação entre abordagens de transferência de massa.

Abstract

A purificação do biogás e do gás natural, focada na separação de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4), é um desafio tecnológico e ambiental de grande relevância. A absorção física utilizando água como solvente em colunas de bolhas destaca-se como uma alternativa sustentável e eficiente, operando otimizadamente sob altas pressões. No entanto, o dimensionamento e o ganho de escala (scale-up) destes contatores exigem predições exatas dos complexos fenômenos de transporte multicomponente da mistura. Este trabalho teve como objetivo desenvolver e validar um modelo fluidodinâmico unidimensional via Computational Fluid Dynamics (CFD) para a simulação da absorção simultânea de CO2 e CH4, comparando rigorosamente diferentes abordagens de transferência de massa interfacial. O escoamento bifásico foi modelado no software Ansys® Fluent® utilizando a formulação Euler-Euler (Modelo de Dois Fluidos) assumindo o regime borbulhante homogêneo. As taxas de transferência foram codificadas e acopladas através de Funções Definidas pelo Usuário (UDFs) em linguagem C, avaliando-se: (i) transporte em sistema binário com coeficientes constantes, (ii) modelo de difusividade efetiva independente para a mistura, e (iii) a Lei de Fick Generalizada via formalismo de Maxwell-Stefan, que contabiliza os efeitos de difusão cruzada (cross-diffusion). As condições iniciais e de contorno foram validadas com base no estudo clássico de Deckwer; Adler; Zaidi, (1978). Os perfis axiais simulados demonstraram o declínio acentuado da fração mássica de CO2, confirmando a eficácia da absorção no filme líquido, acompanhado da concentração relativa do CH4 na fase gasosa contínua. A sobreposição comparativa dos modelos comprovou que a presença de um gás afeta fisicamente o fluxo de absorção do outro sob altas pressões, gerando divergências acentuadas nos perfis de fração mássica da mistura. Conclui-se que o uso do modelo avançado de Maxwell-Stefan é imprescindível para capturar as interações termodinâmicas reais, evitando erros de dimensionamento que culminariam na fuga indesejada de metano (methane slip), provendo uma base numérica robusta e sustentável para a modernização do setor energético brasileiro.