Otimização da produção de hidrogênio pela reforma a vapor do metano em reator com membrana laboratorial

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2008

RESUMO

O hidrogênio é utilizado como combustível e como matéria-prima em importantes processos, como na produção de amônia e metanol e na síntese de Fischer-Tropsch, além do crescente uso em células a combustível. A reforma a vapor do metano é a principal rota para produção de hidrogênio, sendo que as reações predominantes são globalmente endotérmicas e reversíveis, o que leva o reator a operar a altas temperaturas, na tecnologia convencional, a fim de se atingir conversões satisfatórias. Os reatores com membrana que permitem a permeação seletiva de hidrogênio tem sido propostos como uma alternativa aos reatores convencionais, por ser possível obter altas conversões a temperaturas menores. Entretanto, a viabilidade econômica dos reatores com membrana para produção de hidrogênio dependem da eficiência de operação destes. Assim, a fim de consolidar esta tecnologia, é necessário encontrar as condições ótimas de operação de tais reatores. Neste trabalho foi modelado e otimizado um reator com membrana, em escala de laboratório, para produção de hidrogênio a partir da reforma a vapor do metano. O modelo completo proposto, constituído por equações de balanço de massa, de energia e de quantidade de movimento, foi validado com dados experimentais da literatura. Duas cinéticas intrínsecas para a reforma a vapor do metano foram avaliadas durante a validação do modelo. O modelo completo foi comparado com um modelo constituído apenas por equações de balanço de massa (modelo isotérmico) e, em geral, obteve-se pouca discrepância entre ambos. Um outro modelo, referenciado como modelo simplificado, foi obtido por ajuste de superfície de resposta ao modelo completo. Cinco importantes parâmetros de operação, a saber, pressão de entrada do reator (P0 r ), vazão de alimentação de metano (FCH0 4 ), vazão de gás de arraste (FI), temperatura externa do reator (Tw) e razão de alimentação entre vapor dágua e metano (m), foram utilizados como variáveis de escolha na otimização da produção de hidrogênio. Três estratégias de otimização foram utilizadas: (1) análise paramétrica, usando o modelo completo; altas conversões de metano e recuperações de hidrogênio (99,99% e 99,01% respectivamente) foram encontradas, porém, desconsiderando as interações entre as variáveis; (2) otimização restrita usando o modelo simplificado e o código NPSOL; a função objetivo foi definida como a soma da conversão de metano e da recuperação de hidrogênio (XCH4 +YH2 ); as variáveis codificadas relativas à P0 r e FI alcançaram o valor máximo, enquanto m convergiu para o valor mínimo; como resultado, obteve-se: XCH4 = 93;85% e YH2 = 92;09%; (3) otimização restrita usando o modelo isotérmico e o código DIRCOL; foi usada a mesma função objetivo anterior, entretanto, não foi possível resolver o problema de otimização em toda a faixa operacional desejado; neste caso, alcançou-se uma conversão de metano de aproximadamente 96% e uma recuperação de hidrogênio de 91%.

ASSUNTO(S)

modeling reforma a vapor do metano modelagem simulação engenharia quimica hidrogênio methane steam reforming membrane reactors optimization. reatores com membrana otimização. metano simulation

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