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metadata.dc.type: Dissertação
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Otimização da produção de hidrogênio pela reforma a vapor do metano em reator com membrana laboratorial
metadata.dc.creator: Silva, Leandro Cardoso
metadata.dc.contributor.advisor1: Assis, Adilson José de
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Hori, Carla Eponina
metadata.dc.contributor.referee1: Lopes, Luís Cláudio Oliveira
metadata.dc.contributor.referee2: Benachour, Mohand
metadata.dc.description.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 d água 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%.
Abstract: Hydrogen is used as fuel and as a feedstock in important processes such as ammonia and methanol production and Fischer-Tropsch synthesis, besides the increasing use in fuel cells. Methane steam reforming is the main route for hydrogen production and its predominant reactions are globally endothermic and reversible, which forces the reactor to operate at high temperatures, in conventional technology, in order to get reasonable conversions. Reactors with membranes that allows selective hydrogen permeation have been proposed as an alternative to conventional reactors, since with them it is possible to achieve high conversions at lower temperatures. Nevertheless, the economic viability of membrane reactors to hydrogen production depends on their operating efficiency. Therefore, to make this technology usable, it is necessary to find the best operating conditions to membrane reactors. In this work, a laboratory-scale membrane reactor to hydrogen production from methane steam reforming, was modeled and optimized. The full proposed model, constituted by mass, energy and momentum equations was validated with experimental date from the literature. Two intrinsic kinetics for methane steam reforming were evaluated during the model validation. The full model was compared with another model constituted by mass balance only (isothermic model) and, in general, their discrepancy were negligible. Another model, refereed as simplified model, was obtained though the response surface technique using the full model. Five important parameters, namely: inlet reactor pressure (P0 r ), methane feed flow rate (FCH0 4 ), sweep gas flow rate (FI), external reactor temperature (Tw) and steam to methane feed flow ratio (m) was used as decision variables in hydrogen production optimization. Three optimization strategies were used: (1) parametric analysis, using the full model; high methane conversions and hydrogen recoveries (99.99% and 99.01%) were reached, however, disdaing the interaction among the variables; (2) constrained optimization, using the simplified model and NPSOL code; the objective function was defined as the summation of both XCH4 and YH2 ; the optimized codified values related with P0 r and FI reached the maximum value while m reached the minimum value; the resulting XCH4 and YH2 were 93.85% and 92.09% respectively; (3) constrained optimization, using the isothermic model and DIRCOL code; it was used the previous objective function, but, it was not possible to solve the optimization problem in all operating conditions desired. In this case, it was possible to reach a methane conversion around 96% and a hydrogen recovery of 91%.
Keywords: Reforma a vapor do metano
Reatores com membrana
Modelagem
Simulação
Otimização.
Methane steam reforming
Membrane reactors
Modeling
Simulation
Optimization.
Hidrogênio
Metano
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Citation: SILVA, Leandro Cardoso. Otimização da produção de hidrogênio pela reforma a vapor do metano em reator com membrana laboratorial. 2008. 182 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2008.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15113
Issue Date: 29-Oct-2008
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Química

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