Análise técnico-econômica da produção de hidrogênio via reforma a vapor do etanol para a síntese de amônia

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Simionato, Arnaldo Agostinho
Data de Publicação: 2023
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/18812
Resumo: The use of fossil fuels as opposed to the use of renewable sources or processes with lower environmental impacts is still guided, in general, by the lack of economically attractive solutions in the market to compete and justify applications with lower carbon emissions. In the context of the commitment to reduce the emission of greenhouse gases signed by the countries participating in the Paris Agreement, which aims to achieve, by the middle of this century, a maximum increase of 1.5°C in global temperature when compared to preindustrial averages, the need to change current energy matrices becomes evident. In this sense, several processes and new materials have been studied and, among them, hydrogen appears as an opportunity, given its importance, its volume produced and its main raw material, which is methane extracted from non-renewable natural gas deposits. In this way, the use of renewable sources to produce H2 allows obtaining an environmentally less aggressive chain of derivatives, such as the so-called “Green Ammonia”. In this work, a simulation was proposed, with the aid of the Aspen Plus® process simulator, of the steam reforming of ethanol from sugarcane to supply hydrogen to an ammonia production plant with the purpose of carrying out a technical analysis of the process, through thermodynamic and process simulations in which the temperature, the molar ratio between water vapor and ethanol and the operating pressure were varied, as well as a preliminary economic evaluation, in order to verify its feasibility when compared to the current methane steam reforming process. In short, it was found that the predominant reaction route in the Ni-Al lamellar double hydroxide catalyst used in this work involved a significant formation of methane in its intermediate reactions and, consequently, the yield of hydrogen formation in the reactions was conditioned to the balance of CH4 with the other species present in the reaction media. For the economic and process evaluation, three operating conditions that contemplated the particularities of H2 production addressed throughout the work were evaluated and the one with the lowest cost, whose value was USD4.55/kg H2, operated with the reformer at 900°C, 20 bar and molar ratio between steam and ethanol equal to 8. This production cost represents a value approximately twice as high as the cost of production via steam reforming of methane and this is mainly due to the cost of ethanol.
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In the context of the commitment to reduce the emission of greenhouse gases signed by the countries participating in the Paris Agreement, which aims to achieve, by the middle of this century, a maximum increase of 1.5°C in global temperature when compared to preindustrial averages, the need to change current energy matrices becomes evident. In this sense, several processes and new materials have been studied and, among them, hydrogen appears as an opportunity, given its importance, its volume produced and its main raw material, which is methane extracted from non-renewable natural gas deposits. In this way, the use of renewable sources to produce H2 allows obtaining an environmentally less aggressive chain of derivatives, such as the so-called “Green Ammonia”. In this work, a simulation was proposed, with the aid of the Aspen Plus® process simulator, of the steam reforming of ethanol from sugarcane to supply hydrogen to an ammonia production plant with the purpose of carrying out a technical analysis of the process, through thermodynamic and process simulations in which the temperature, the molar ratio between water vapor and ethanol and the operating pressure were varied, as well as a preliminary economic evaluation, in order to verify its feasibility when compared to the current methane steam reforming process. In short, it was found that the predominant reaction route in the Ni-Al lamellar double hydroxide catalyst used in this work involved a significant formation of methane in its intermediate reactions and, consequently, the yield of hydrogen formation in the reactions was conditioned to the balance of CH4 with the other species present in the reaction media. For the economic and process evaluation, three operating conditions that contemplated the particularities of H2 production addressed throughout the work were evaluated and the one with the lowest cost, whose value was USD4.55/kg H2, operated with the reformer at 900°C, 20 bar and molar ratio between steam and ethanol equal to 8. This production cost represents a value approximately twice as high as the cost of production via steam reforming of methane and this is mainly due to the cost of ethanol.A utilização de combustíveis fósseis em oposição ao uso de fontes renováveis ou de processos com menores impactos ambientais ainda é guiada, de forma geral, pela carência de soluções economicamente atrativas ao mercado para competir e justificar as aplicações com menores emissões de carbono. No contexto do compromisso de reduzir a emissão de gases do efeito estufa firmado pelos países participantes do Acordo de Paris, o qual objetiva alcançar até a metade deste século um incremento máximo de 1,5°C da temperatura global quando comparado às médias pré-industriais, torna-se evidente a necessidade da mudança das matrizes energéticas atuais. Nesse sentido, diversos processos e novos materiais tem sido estudados e, dentre eles, o hidrogênio figura como uma oportunidade, haja vista sua importância, seu volume produzido e sua principal matéria-prima, que é o metano extraído de depósitos não-renováveis de gás natural. Dessa forma, a utilização de fontes renováveis para a produção de H2 permite a obtenção de uma cadeia de derivados ambientalmente menos agressiva, a exemplo da denominada “Amônia Verde”. Neste trabalho, propôs-se a simulação, com auxílio do simulador de processos Aspen Plus®, da reforma a vapor do etanol proveniente da cana-de-açúcar para o fornecimento de hidrogênio a uma planta de produção de Amônia. Nele, realizou-se uma análise técnica do processo, por meio de simulações termodinâmicas e de processo nas quais eram variadas a temperatura, a razão molar entre o vapor de água e o etanol e a pressão de operação, bem como uma avaliação econômica preliminar, a fim de verificar sua viabilidade quando comparada ao atual processo de reforma à vapor do metano. Em suma, constatou-se que a rota reacional predominante no catalisador do tipo hidróxido duplo lamelar composto de Ni-Al empregado neste trabalho envolveu a formação significativa de metano em suas reações intermediárias e, por consequência, o rendimento da formação de hidrogênio das reações foi condicionado ao equilíbrio de CH4 com as outras espécies presentes nos meios reacionais. Para a avaliação econômica e de processo, três condições de operação que contemplavam as particularidades da produção de H2 abordadas ao longo do trabalho foram avaliadas e aquela com o menor custo, cujo valor foi de USD4,55/kg H2, operava com o reformador a 900°C, 20 bar e razão molar entre vapor e etanol igual a 8. Esse custo de produção representa um valor aproximadamente duas vezes maior do que o custo da produção via reforma a vapor do metano e isso se dá principalmente devido ao custo do etanol.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/openAccessHidrogênioReforma do etanolSimulaçãoHydrogenEthanol steam reformingSimulationENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAAnálise técnico-econômica da produção de hidrogênio via reforma a vapor do etanol para a síntese de amôniaTechnical-economic analysis of hydrogen production via steam reforming of ethanol for ammonia synthesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis6006004dc9699a-83dd-49ff-bccc-80051e73f3e6reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINAL727767_Monografia_TG_Final.pdf727767_Monografia_TG_Final.pdfapplication/pdf1276707https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18812/1/727767_Monografia_TG_Final.pdf7992e08793aebb38c70707e82de8e6f7MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18812/2/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52TEXT727767_Monografia_TG_Final.pdf.txt727767_Monografia_TG_Final.pdf.txtExtracted texttext/plain129202https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18812/3/727767_Monografia_TG_Final.pdf.txtfcf02ee77981964910ff33374e354cb1MD53ufscar/188122024-05-14 17:17:40.141oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18812Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T17:17:40Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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