Modelagem multifísica e simulação numérica do processo de separação por cromatografia gasosa

Abstract

A cromatografia em fase gasosa é uma técnica analítica de separação aplicada com frequência nas áreas alimentícia, ambiental, química, forense e petrolífera. Entretanto, a determinação das condições de separação ainda é uma atividade que demanda tempo e recursos. Pensando nisso, a modelagem matemática é uma ferramenta que pode contribuir nesse contexto, auxiliando na predição de parâmetros cromatográficos e na determinação das condições de análise. As estratégias conhecidas na literatura de modelagem em cromatografia gasosa abordam normalmente o índice de retenção e modelos semi-empíricos e estatísticos. Apesar disso, pôde-se observar que a modelagem multifísica do processo de separação por cromatografia gasosa apresenta-se como uma nova estratégia, pois possibilita que sejam testadas variadas condições de funcionamento do cromatógrafo. Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi construir um modelo matemático com todos os fenômenos físicos envolvidos no processo de separação por cromatografia gasosa e simulá-lo usando o software COMSOL Multiphysics ®, visando demonstrar a sua potencial aplicação na determinação de condições de separação de compostos. O modelo foi validado quanto a descrição do escoamento da fase móvel, eluição dos compostos e predição dos parâmetros cromatográficos (tM, tRi, Wbi, h e Rs). O modelo multifísico em 2D foi capaz de predizer o tempo de espera ao considerar a dilatação da espessura da fase estacionária, descrever o escoamento da fase móvel e prever os parâmetros cromatográficos, com erros máximos de 0,20 min para o tR e de 0,33 para Wb do p-Xileno e 0,22 para h do Etoxietano, esses erros ficaram na mesma ordem de grandeza de outros trabalhos consultados na literatura. A partir do modelo matemático ainda pode-se obter o perfil de concentração dos compostos nos dois modos de operação do CG com pressão (100kPa) e fluxo (1mL/min) constantes. Além disso, foi possível implementar programas de temperatura e pressão para prever os parâmetros avaliados. Os resultados obtidos pelo modelo matemático e suas funcionalidades o credenciam como promissor para aplicação na determinação de condições de separação de compostos, principalmente aqueles de difícil resolução.

Abstract: Gas chromatography is an analytical separation technique frequently applied in the food, environmental, chemical, forensic and oil fields. However, determining the separation conditions is still an activity that requires time and resources. With that, mathematical modeling can contribute in this context, helping in the prediction of chromatographic parameters and in the determination of the conditions of analysis. The strategies known in the gas chromatography modeling literature address retention index, semi-empirical and statistical models, but it was observed that the multiphysical modeling of the gas chromatography separation process presents itself as a new strategy, as it allows to be tested various operating conditions of the chromatograph. Based on this, the objective of this work was to build a mathematical model with all the physical phenomena involved in the gas chromatography separation process and to simulate it using the COMSOL Multiphysics ® software, aiming to demonstrate its potential application in determining the separation conditions of gas compounds. In addition, for this, it was validated for the description of the flow of the mobile phase, elution of the compounds and prediction of the chromatographic parameters (tM, tRi, Wbi, h and Rs). The multiphysical model 2D was able to predict the waiting time when considering the dilation of the thickness of the stationary phase, describe the flow of the mobile phase and predict the chromatographic parameters, with maximum errors of 0,20 min for tR and 0,33 for Wb for p-Xylene and 0,22 for h for Etoxyethane, these errors were in the same order of magnitude as other works consulted in the literature. From the mathematical model it is still possible to obtain the concentration profile of the compounds in the two modes of operation of the GC at constant pressure (100kPa) and flow (1ml / min). It was also possible to implement temperature and pressure programs to predict the evaluated parameters. The results obtained by the mathematical model and its functionalities give credence to its application in the determination of conditions for the separation of compounds, especially those of difficult resolution.