MODELING AND SIMULATION OF A MEMBRANE REACTOR FOR HYDROGEN PRODUCTION

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: MESSIAS DOS SANTOS, Paulo Venicius
Data de Publicação: 2021
Outros Autores: GOMES DA SILVA, MAXWELL, Claudino Domingos Dos Santos, MARFRAN
Tipo de documento: Artigo
Idioma: por
Título da fonte: Scientia Generalis
Texto Completo: https://scientiageneralis.com.br/index.php/SG/article/view/158
Resumo: In the recent global warming increase, the demand for less pollutants energy sources and fuels is growing substantially. For this reason, the hydrogen production has been targeted by research. The production of this gas from methane partial oxidation in membrane reactors is showing to be a good alternative. In this work, hydrogen production process through a membrane reactor was studied by a simulation and modeling point of view. A mathematical model of a membrane reactor assuming one dimension, isothermal and steady state conditions was used. Simulations were made in order to compare the reactor conversions in different membrane dense type compositions, with 20 bar of pressure and 1173 K of temperature. The molecular structures of the membranes were considered as perovskite-type, that is, ABO3. The membranes with high O2 permeability showed a lower H2 yield, due to the mechanism of the reactions involved in partial oxidation. The membrane with the highest O2 permeability was La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-?. However, to have higher performance in overall hydrogen yield, the membrane La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-? is the more recommended among those evaluated. A comparison between the performances of the two processes was made. In steam reforming the H2 yield achieved was 3.14 times the methane molar feed. In partial oxidation this value was 2.99. The phenomenological mathematical models were implemented in MATLAB®.
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spelling MODELING AND SIMULATION OF A MEMBRANE REACTOR FOR HYDROGEN PRODUCTIONMODELADO Y SIMULACIÓN DE REACTOR DE MEMBRANA PARA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENOMODELAGEM E SIMULAÇÃO DE UM REATOR A MEMBRANA PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIOmembrane reactorsyngashydrogen productionmodelingsimulationreactor de membranagas de síntesisproducción de hidrógenosimulaciónmodeladoreator a membranagás de sínteseprodução de hidrogêniosimulaçãomodelagemIn the recent global warming increase, the demand for less pollutants energy sources and fuels is growing substantially. For this reason, the hydrogen production has been targeted by research. The production of this gas from methane partial oxidation in membrane reactors is showing to be a good alternative. In this work, hydrogen production process through a membrane reactor was studied by a simulation and modeling point of view. A mathematical model of a membrane reactor assuming one dimension, isothermal and steady state conditions was used. Simulations were made in order to compare the reactor conversions in different membrane dense type compositions, with 20 bar of pressure and 1173 K of temperature. The molecular structures of the membranes were considered as perovskite-type, that is, ABO3. The membranes with high O2 permeability showed a lower H2 yield, due to the mechanism of the reactions involved in partial oxidation. The membrane with the highest O2 permeability was La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-?. However, to have higher performance in overall hydrogen yield, the membrane La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-? is the more recommended among those evaluated. A comparison between the performances of the two processes was made. In steam reforming the H2 yield achieved was 3.14 times the methane molar feed. In partial oxidation this value was 2.99. The phenomenological mathematical models were implemented in MATLAB®.La demanda de fuentes de energía y combustibles menos contaminantes ha aumentado sustancialmente. Por este motivo, la producción de hidrógeno está siendo objeto de varias investigaciones. La producción de este gas a partir del proceso catalítico de oxidación parcial del metano utilizando tecnología de reactor de membrana es una alternativa prometedora. En este trabajo se estudió el proceso de producción de hidrógeno a través de un reactor de membrana desde el punto de vista del modelado y simulación. Se utilizó un modelo matemático unidimensional de un reactor de membrana, asumiendo condiciones de proceso isotérmicas y de estado estacionario. Se realizaron simulaciones para comparar las conversiones del reactor para diferentes composiciones de la membrana cerámica tipo densa, a una presión de 20 bar y una temperatura de 1173 K. Las estructuras moleculares de las membranas siguen el formato de la familia mdas, es decir, ABO3. Las membranas que mostraron mayores permeabilidades al O2 proporcionaron una menor producción de hidrógeno, debido al mecanismo de reacciones involucradas en la oxidación parcial. Entre las membranas estudiadas, la de mayor desempeño en la permeabilidad al oxígeno del aire fue la estructura La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-?. Sin embargo, para obtener un mayor desempeño en la producción global de hidrógeno, la membrana con estructura La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-? es la más recomendada entre las evaluadas, con un valor del flujo de hidrógeno molar final obtenido de 3.47 veces mayor que la entrada de metano. Se realizó una comparación numérica de los dos procesos. En el reformado con vapor, se obtuvo un flujo de hidrógeno molar final igual a 3,14 veces mayor que el flujo de metano de entrada. Para la oxidación parcial, este valor fue 2,99. A pesar de los resultados muy cercanos, el proceso de reformado con vapor mostró conversiones más altas tanto de metano como de hidrógeno. Los modelos matemáticos fenomenológicos se implementaron en MATLAB®.A demanda por fontes energéticas e combustíveis menos poluentes vem aumentando substancialmente. Por esta razão, a produção de hidrogênio está sendo alvo de diversas pesquisas. A produção deste gás a partir do processo de oxidação parcial catalítica do metano utilizando a tecnologia dos reatores a membrana se mostra como uma alternativa promissora. Neste trabalho, o processo de produção de hidrogênio por meio de um reator a membrana foi estudado do ponto de vista de modelagem e simulação. Foi usado um modelo matemático unidimensional de um reator a membrana assumindo condições de estado estacionário e processo isotérmico. Foram feitas simulações para comparar as conversões do reator para diferentes composições da membrana cerâmica do tipo densa, numa pressão de 20 bar e temperatura de 1173 K. As estruturas moleculares das membranas obedecem ao formato da família das perovsquitas, ou seja, ABO3. As membranas que apresentaram maiores permeabilidades de O2 proporcionaram produções de hidrogênio mais baixas, devido ao mecanismo das reações envolvidas na oxidação parcial. Entre as membranas estudadas, a que teve maior desempenho na permeabilidade do oxigênio do ar foi a de estrutura La0.2Ba0.8Fe0.8Co0.2O3-?. No entanto, para obter-se um maior desempenho na produção global de hidrogênio, a membrana de estrutura La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-? é a mais recomendada dentre as avaliadas, com um valor da vazão molar final de hidrogênio obtido de 3,47 vezes superior à vazão de entrada de metano. Uma comparação numérica dos dois processos foi realizada. Na reforma a vapor, obteve-se uma vazão molar final de hidrogênio igual a 3,14 vezes superior à vazão de metano na entrada. Para a oxidação parcial, este valor foi de 2,99. Apesar dos resultados muito próximos, o processo de reforma a vapor apresentou maiores conversões tanto de metano quanto de hidrogênio. Os modelos matemáticos fenomenológicos foram implementados em MATLAB®.Scientia GeneralisScientia GeneralisScientia Generalis2021-06-25info:eu-repo/semantics/articleinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://scientiageneralis.com.br/index.php/SG/article/view/158Scientia Generalis; v. 2 n. 1 (2021); 99-123Scientia Generalis; Vol. 2 No. 1 (2021); 99-123Scientia Generalis; Vol. 2 Núm. 1 (2021); 99-1232675-2999reponame:Scientia Generalisinstname:Publicação independenteinstacron:INDEPporhttps://scientiageneralis.com.br/index.php/SG/article/view/158/121Copyright (c) 2021 Paulo Venicius MESSIAS DOS SANTOS, MAXWELL GOMES DA SILVA, MARFRAN Claudino Domingos Dos Santoshttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0info:eu-repo/semantics/openAccessMESSIAS DOS SANTOS, Paulo Venicius GOMES DA SILVA, MAXWELL Claudino Domingos Dos Santos, MARFRAN2023-08-01T03:32:04Zoai:ojs2.scientiageneralis.com.br:article/158Revistahttps://scientiageneralis.com.br/index.php/SGPRIhttps://scientiageneralis.com.br/index.php/SG/oaieditor@scientiageneralis.com.br2675-29992675-2999opendoar:2023-08-01T03:32:04Scientia Generalis - Publicação independentefalse
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