Publicação: Otimização da produção de hidrogênio pela reforma a vapor do
metano em reator com membrana laboratorial
Carregando...
Arquivos
Tipo do documento
Data
Direito de acesso
Coleções
Área do conhecimento
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Autores
Orientador
Coorientador
Hori, Carla Eponina
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%.
Palavras-chave
Reforma a vapor do metano, Reatores com membrana, Modelagem, Simulação, Otimização., Methane steam reforming, Membrane reactors, Modeling, Simulation, Optimization., Hidrogênio, Metano
Citação
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.