Estudo comparativo dos métodos de produção de hidrogênio e carbono sólido usando a reação de decomposição do metano

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Guillen, Ruan Sant’Ana
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSCAR
Texto Completo: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/19560
Resumo: Currently, one of the main routes for obtaining hydrogen is the steam reforming of methane, it is known that the global demand for hydrogen has intensified in recent years, being a potential candidate for the clean and sustainable energy future, however, It is necessary to pay attention to the emissions of polluting gases into the atmosphere, in this aspect, the steam reforming of methane is unfavorable, emitting gaseous pollutants in significant quantities. The thermal decomposition of methane (TDM) is a process that occurs at high temperatures, with or without the presence of a catalyst, forming only hydrogen and solid carbon. Recently, TDM has been studied by several authors as an alternative for producing hydrogen free from emissions of polluting gases such as CO2. In addition to H2, the carbon generated has commercial applications, being a value-added product of the reaction. By varying the process conditions, different types of carbon can be obtained, with different purities and conformations. Among the most valuable are carbon nano fibers. In this work, a bibliographical survey of existing methods for carrying out the thermal decomposition of methane was carried out. A thermal and homogeneous process was simulated in Aspen Plus, considering a daily production of 2.5 tons of hydrogen and 8.4 tons of solid carbon, the main process equipment is a reactor, a cyclone, a PSA-type separation column and a filter. A sensitivity analysis was carried out by varying the pressure and temperature of the reactor, the results showed that by increasing the temperature and decreasing the pressure, methane conversion increases. After the simulation, an economic analysis was carried out, the CAPEX for the simulated process is US$ 3,163,801.00 and the OPEX is US$ 6,934,660.00 per year, while the sale of the products generated is US$ 19,564 ,000.00 per year. After analysis, the process proved to be viable from an economic point of view.
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The thermal decomposition of methane (TDM) is a process that occurs at high temperatures, with or without the presence of a catalyst, forming only hydrogen and solid carbon. Recently, TDM has been studied by several authors as an alternative for producing hydrogen free from emissions of polluting gases such as CO2. In addition to H2, the carbon generated has commercial applications, being a value-added product of the reaction. By varying the process conditions, different types of carbon can be obtained, with different purities and conformations. Among the most valuable are carbon nano fibers. In this work, a bibliographical survey of existing methods for carrying out the thermal decomposition of methane was carried out. A thermal and homogeneous process was simulated in Aspen Plus, considering a daily production of 2.5 tons of hydrogen and 8.4 tons of solid carbon, the main process equipment is a reactor, a cyclone, a PSA-type separation column and a filter. A sensitivity analysis was carried out by varying the pressure and temperature of the reactor, the results showed that by increasing the temperature and decreasing the pressure, methane conversion increases. After the simulation, an economic analysis was carried out, the CAPEX for the simulated process is US$ 3,163,801.00 and the OPEX is US$ 6,934,660.00 per year, while the sale of the products generated is US$ 19,564 ,000.00 per year. After analysis, the process proved to be viable from an economic point of view.Atualmente, uma das principais rotas para obtenção de hidrogênio é a reforma a vapor do metano, sabe-se que a demanda global de hidrogênio se intensificou nos últimos anos, sendo um potencial candidato ao futuro energético limpo e sustentável, no entanto, é necessário atentar-se às emissões de gases poluentes para a atmosfera, nesse aspecto, a reforma a vapor do metano se mostra desfavorável, emitindo poluentes gasosos em quantidades significativas. A decomposição térmica do metano (DTM) é um processo que ocorre em altas temperaturas, com ou sem a presença de catalisador, formando apenas hidrogênio e carbono sólido. Recentemente, a DTM vem sendo estudada por diversos autores como alternativa para a produção de hidrogênio livre de emissões de gases poluentes como CO2. Além do H2, o carbono gerado possui aplicações comerciais, sendo um produto de valor agregado da reação. Variando as condições de processo, pode-se obter diferentes tipos de carbono, com purezas e conformações distintas, dentre os mais valiosos, estão as nano fibras de carbono. Neste trabalho foi realizado um levantamento bibliográfico dos métodos existentes para a realização da decomposição térmica do metano. Um processo térmico e homogêneo foi simulado no Aspen Plus, considerando uma produção diária de 2,5 toneladas de hidrogênio e 8,4 toneladas de carbono sólido, os principais equipamentos do processo são um reator, um ciclone, uma coluna de separação do tipo PSA e um filtro. Foi realizado uma análise de sensibilidade variando a pressão e temperatura do reator, os resultados mostraram que aumentando a temperatura e diminuindo a pressão, a conversão do metano aumenta. Após a simulação foi realizado uma análise econômica, o CAPEX para o processo simulado é de US$ 3.163.801,00 e o OPEX é de US$ 6.934.660,00 por ano, enquanto a venda dos produtos gerados é de US$ 19.564.000,00 por ano. Após a análise o processo se mostrou viável do ponto de vista econômico.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosEngenharia Química - EQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMetanoHidrogênioCarbonoCarbonMethaneHydrogenENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAEstudo comparativo dos métodos de produção de hidrogênio e carbono sólido usando a reação de decomposição do metanoComparative study of hydrogen and solid carbon production methods using the methane decomposition reactioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALTCC_RuanGuillen_2024 - FINAL.pdfTCC_RuanGuillen_2024 - FINAL.pdfapplication/pdf1595805https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19560/1/TCC_RuanGuillen_2024%20-%20FINAL.pdf28f65cd3677d759dda91eaec41ecddd1MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19560/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXTTCC_RuanGuillen_2024 - FINAL.pdf.txtTCC_RuanGuillen_2024 - FINAL.pdf.txtExtracted texttext/plain102496https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/19560/3/TCC_RuanGuillen_2024%20-%20FINAL.pdf.txt65a3f2932d1589f1c23f324066fa1372MD53ufscar/195602024-05-14 17:34:24.562oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/19560Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:34:24Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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