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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Análise termodinâmica das reformas do metano (oxidativa e autotérmica), do etanol e da nafta
Author: Ávila Neto, Cícero Naves de
First Advisor: Assis, Adilson José de
First coorientator: Hori, Carla Eponina
First member of the Committee: Aznar, Martín
Second member of the Committee: Romanielo, Lucienne Lobato
Summary: A reforma catalítica de hidrocarbonetos ou de outras substâncias orgânicas é uma tecnologia frequentemente utilizada no aprimoramento das fontes de energia tradicionais ou na produção de fontes de energia alternativas. Dentre as tecnologias utilizadas para o aprimoramento das fontes de energia tradicionais está a reforma catalítica da nafta petroquímica. Apesar de poder ser utilizada para produzir hidrogênio, o objetivo principal desta reforma é transformar compostos naftênicos e parafinas em isoparafinas de cadeia ramificada e compostos aromáticos, utilizados para produzir polímeros e aumentar a octanagem da gasolina. No caso em que os processos de reforma são aplicados à produção de fontes de energia alternativa, tem-se dirigido bastante atenção à produção de hidrogênio. A maior parte do hidrogênio é atualmente produzida a partir de combustíveis fósseis, particularmente pela reforma catalítica a vapor do metano, principal componente do gás natural, e em refinarias, pela reforma oxidativa de hidrocarbonetos mais pesados. Mais recentemente, tem-se estudado a produção de hidrogênio a partir da reforma catalítica do etanol. Esta última apresenta a vantagem da diminuição das emissões de dióxido de carbono, além de facilidade de armazenamento e distribuição do etanol e um rendimento maior para o hidrogênio produzido. A composição do reformado é extremamente dependente das variáveis envolvidas no processo, tais como temperatura, pressão e razão de alimentação dos reagentes. Os efeitos destas variáveis podem então ser estudados a partir da definição e análise de parâmetros de desempenho, tais como a conversão, rendimento, seletividade, deposição de carbono na forma de coque, entre outros. Usualmente, a primeira etapa deste tipo de investigação é a realização de uma análise termodinâmica através de métodos de minimização da energia livre de Gibbs. Estes métodos resultam em sistemas de equações algébricas nãolineares, resolvidos numericamente em softwares apropriados. Neste trabalho, são conduzidas análises termodinâmicas das reações de reforma oxidativa e autotérmica do metano, das reformas a vapor, seca, oxidativa e autotérmica do etanol, e da reforma da nafta, baseadas no método dos Multiplicadores de Lagrange. Têm-se como objetivos principais a determinação das reações linearmente independentes que representam o equilíbrio termodinâmico de cada reforma e prever as melhores condições nas quais cada sistema reacional deve ser operado para alcançar objetivos específicos. Para a validação, os resultados são comparados com dados experimentais e/ou de simulação, específicos de equilíbrio termodinâmico, publicados na literatura. O conjunto de reações linearmente independentes referentes a cada sistema foi determinado e validado através de balanços molares para as espécies. Os sistemas de reforma do etanol apresentaram rendimentos para o hidrogênio superiores aos sistemas de reforma do metano. Entre as reformas do metano, a reforma oxidativa apresentou o maior rendimento, com um valor de 200%, para uma temperatura de 1273 K, pressão de 1 atm, sem haver alimentação de oxigênio. Entre as reformas do etanol, o máximo rendimento para o hidrogênio, no valor de 479%, foi obtido para a reforma a vapor em uma temperatura de 1110 K, pressão de 1 atm e razão H2O/C2H5OH igual a 6. Entre as reformas do metano, a reforma autotérmica apresentou a menor deposição de carbono, ou seja, 0,03 mols. Entre as reformas do etanol, a reforma autotérmica também apresentou a menor deposição de carbono, no valor de 0,02 mols. Para a reforma da nafta, verificou-se que as espécies formadas em maior quantidade são o hidrogênio e o metano. A deposição de carbono aumentou bastante com o aumento da temperatura, mas foi possível diminuí-la na mesma magnitude com o aumento da pressão e da razão H2/Nafta na alimentação. Para aumentar o rendimento dos aromáticos, foi preciso aumentar tanto a temperatura quanto a pressão. A resolução do sistema de equações não-lineares foi feita no software livre Scilab.
Abstract: Catalytic reforming of hydrocarbons or other organic species is a technology usually employed in either improving traditional energy sources or producing alternative energy sources. Amongst the technologies employed in improving traditional energy sources, one can include catalytic reforming of petrochemical naphtha. Although being also employed to produce hydrogen, the main goal of this reforming is to transform naphthenic compounds and paraffins in branched-chain isoparaffins and aromatic compounds, used to produce polymers and to increase gasoline octane rating. When the reforming processes are applied to produce alternative energy sources, attention has mostly been given to hydrogen production. Hydrogen is mainly produced from non-renewable fossil fuels, especially by means of steam catalytic reforming of methane, main component of natural gas, and in refineries, through oxidative reforming of higher hydrocarbons. More recently, hydrogen production from catalytic reforming of ethanol has also been studied. It has the advantage of reduced carbon dioxide emission, easiness of storage and distribution of ethanol and a higher yield of hydrogen. The composition of the reformate is very dependent on the variables involved in the process, such as pressure, temperature and reactant feed ratios. The effect of these variables can be studied by means of definition and analysis of some performance parameters such as conversion, yield, selectivity, coke deposition and others. Usually, the first step for this type of investigation is the accomplishment of a thermodynamic analysis for each process through methods of Gibbs free energy minimization. These methods result in non-linear algebraic equation systems, solved numerically with the aid of appropriated software. In this work, a Lagrange Multipliers method based thermodynamic analysis is conducted for the oxidative and autothermal reforming of methane; steam, dry, oxidative and autothermal reforming of ethanol; and naphtha reforming. The main goals of this work are to determine the linearly independent reactions which represent the chemical equilibrium of each reforming system and to foresee the best conditions in which each reaction system should be operated to reach specific goals. To validate the simulations, the results are compared with experimental and simulation data specific of chemical equilibrium. The set of linearly independent reactions of each reforming system was determined and validated through mole balances for each species involved in the process. Ethanol reforming systems showed higher hydrogen yields compared to those of methane reforming. Among all methane reforming systems, oxidative reforming showed the higher yield, with a value of 200%, for a temperature of 1273 K, atmospheric pressure, without feeding oxygen. For ethanol reforming systems, the higher hydrogen yield, with a value of 479%, was obtained for steam reforming in a temperature of 1110 K, 1 atm of pressure and H2O/C2H5OH feed ratio equal to 6. Among the methane reforming systems, autothermal reforming deposited the lesser amount of coke (0,03 moles). Concerning the ethanol reforming systems, autothermal reforming also deposited the lesser amount of coke, with a value of 0,02 moles. For naphtha reforming, it was verified that hydrogen and methane are the most abundant species constituting the reformate. Carbon formation increased a lot when increasing the operational temperature, but it was possible to decrease it in the same magnitude increasing the operational pressure and the H2/Naphtha feed ratio. To increase the aromatics yield, it was necessary to raise both the temperature and the pressure. The resolution of the non-linear algebraic equation systems was carried out with the open-source software Scilab.
Keywords: Hidrogênio
Metano
Álcool
Nafta
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Language: por
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: ÁVILA NETO, Cícero Naves de. Análise termodinâmica das reformas do metano (oxidativa e autotérmica), do etanol e da nafta. 2009. 154 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2009.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/15123
Date of defense: 18-Feb-2009
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