Simplified model for mass transfer in ozonation process in a bubble column

Abstract

Os modelos matemáticos são utilizados como instrumentos de suporte operacional para melhorar e facilitar a otimização de um processo. No presente trabalho foi proposto um modelo simplificado para determinar a concentração de ozônio na água destilada por meio de um processo de ozonização em uma coluna de borbulhamento, em condições isotérmicas (21°C) e isobáricas (pressão atmosférica). O modelo foi baseado em uma cinética de reação de segunda ordem para a decomposição de ozônio na fase líquida. Para o desenvolvimento da modelagem a resistência do gás à transferência de massa e os efeitos da dispersão para as duas fases (gasosa-líquida) foram considerados desprezíveis. Além disso, assumiu-se composição constante de ozônio na fase gasosa. O modelo foi resolvido segundo as condições de contorno do processo, pelo método numérico Runge-Kutta de quarta ordem com a ajuda do software Matlab 7.0. Durante o processo de ozonização estudado o pH da solução não foi mantido constante, portanto no presente trabalho foi proposto uma cinética de reação de primeira ordem para a variação do pH, a qual representou satisfatoriamente. Diante dos resultados, observou-se que um aumento na concentração de ozônio na fase gasosa como condição inicial do processo e uma diminuição do pH da solução ao longo do tempo aumenta a concentração de ozônio na fase líquida. As distribuições de concentração de ozônio na água destilada obtidos da modelagem apresentaram concordância com os dados experimentais encontrados na literatura.Mathematical models are used as operational support tools which improve and facilitate processes optimization. In this work, it was suggested a simplified model to determine the ozone concentration in distillated water, through an ozonation process in a bubble column under isothermal (21°C) and isobaric (atmospheric pressure) conditions. The model was based in second-order reaction kinetics of ozone decomposition in the liquid phase. For the modeling development, gas resistance to mass transfer and the dispersion effects for both phases (liquid-gas), were considered negligible. In addition, it was assumed a constant composition of ozone in the gaseous phase. The model was solved according the boundary conditions of the process, through the fourth-order Runge-Kutta numerical method supported on the software Matlab 7.0. During the ozonation process studied, the solutions pH wasn't maintained constant, therefore, it was proposed a first-order kinetics of reaction for the pH variation, which successfully represents. The results showed that an increase in the concentration of ozone in the gaseous phase as initial condition and a decrease of pH of solution through time increases the liquid phase ozone concentration. The ozone concentration distributions obtained of the modeling in distilled water, present agreement with the experimental data found in literature