Análise e otimização da produção de gás de síntese a partir da reforma catalítica do biogás

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ramos, Nadia Maria do Valle
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/85939
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Marcos Lúcio Corazza
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spelling Luz Junior, Luiz Fernando de Lima, 1966-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaCorazza, Marcos Lúcio, 1977-Ramos, Nadia Maria do Valle2024-01-08T19:24:56Z2024-01-08T19:24:56Z2023https://hdl.handle.net/1884/85939Orientador: Prof. Dr. Marcos Lúcio CorazzaCoorientador: Prof. Dr. Luiz Fernando de Lima Luz JúniorDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. Defesa : Curitiba, 22/09/2023Inclui referênciasResumo: Os combustíveis têm um papel fundamental no cenário ambiental global. A busca por meios alternativos e sustentáveis para sua produção vem ganhando espaço no mercado mundial, visando a mitigação do efeito estufa. A conversão de biogás em gás de síntese via reforma catalítica, para sua posterior aplicação em síntese Fischer- Tropsch, é um dos processos mais estudados para a produção de biocombustíveis líquidos. Apesar disso, essa macro etapa ainda possui desvantagens econômicas e ambientais. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade técnica de uma planta de produção de gás de síntese a partir do biogás, e então aplicou-se uma otimização multiobjetivo com foco em lucro e impacto ambiental. Inicialmente, foram analisadas duas etapas do processo geral: 1) upgrading do biogás via separação por membranas e lavagem com água pressurizada; 2) processo de reforma catalítica via reforma a seco (DR) ou bi-reforma (BR). Os processos foram avaliados do ponto de vista termodinâmico usando o software Aspen Plus V12.1®. Três propriedades foram selecionadas para realizar a avaliação de todo o sistema: conversão de CH4, conversão de CO2 e razão molar H2/CO. Os resultados preliminares mostraram que a lavagem da água pressurizada é superior para realizar o upgrading do biogás. Além disso, para a reforma catalítica, todas as simulações realizadas para ambos os processos mostraram resultados promissores para a conversão do biogás em syngas. No entanto, o processo BR com menor razão molar de vapor de água, temperatura elevada e pressão de 0,1 MPa mostrou a combinação de resultados mais promissora para a síntese de FT, de forma a considerar fatores ambientais e produtivos. A partir da escolha de lavagem com água e bi-reforma como opções superiores para o objetivo deste trabalho, diferentes cenários de processo foram estudados. A escolha do melhor deles foi baseada em parâmetros como a fração molar de H2S na corrente final do biogás limpo (após o upgrading), a fração mássica de H2O da corrente do produto, fatores energéticos da operação no reator de reforma, conversão dos reagentes, vazão de gás de síntese produzida, dentre outros. O melhor cenário foi, então, aperfeiçoado através de uma otimização multiobjetivo, visando a maximização do lucro operacional e a minimização da rede emissora de CO2. O primeiro deles foi calculado com base nos custos de venda do produto, aquisição de matéria-prima e gastos com utilidades, enquanto o impacto ambiental foi medido com base no CO2 equivalente emitido das correntes de entrada e saída do processo. A curva de Pareto obtida mostrou que não é possível encontrar um único cenário que represente a otimização como um todo, ou seja, uma das funções objetivo sempre será prejudicada quando houver melhora na outra FO. Ainda, ela também mostrou que o processo possui algumas ressalvas, como elevados teores de água na corrente de syngas e altos gastos energéticos do processo como um todo. Logo, são necessárias melhorias como a implementação de um sistema de remoção de água do produto e a análise do processo incluindo a etapa de síntese FT, já que o balanço energético da reforma catalítica pode ser equilibrado e integrado a ela.Abstract: Fuels play a fundamental role in the global environmental landscape. The search for alternative and sustainable means of their production is gaining traction in the world market, aiming to mitigate the greenhouse effect. The conversion of biogas into synthesis gas through catalytic reforming, for subsequent application in Fischer- Tropsch synthesis, is one of the most studied processes to produce liquid biofuels. However, this macro step still has economic and environmental disadvantages. In this study, the technical feasibility of a synthesis gas production plant from biogas was investigated, followed by a multi-objective optimization focusing on profit and environmental impact. Initially, two stages of the overall process were analyzed: 1) biogas upgrading through membrane separation and pressurized water scrubbing; 2) catalytic reforming process via dry reforming (DR) or bi-reforming (BR). The processes were thermodynamically evaluated using Aspen Plus V12.1® software. Three properties were selected for assessing the entire system: CH4 conversion, CO2 conversion, and H2/CO molar ratio. Preliminary results showed that pressurized water scrubbing is superior for biogas upgrading. Furthermore, for catalytic reforming, all simulations conducted for both processes showed promising results for biogas conversion into syngas. However, the BR process with lower molar ratio of water steam, high temperature, and 0.1 MPa pressure exhibited the most promising combination of results for FT synthesis, considering environmental and productive factors. After selecting water scrubbing and bi-reforming as the preferred options for the purpose of this study, different process scenarios were examined. The choice of the best scenario was based on parameters such as the molar fraction of H2S in the clean biogas stream (after upgrading), the mass fraction of H2O in the product stream, energy factors in the reformer reactor operation, reactant conversion, synthesis gas production rate, among others. The best scenario was then improved through a multiobjective optimization, aiming to maximize operational profit and minimize the CO2 emission network. The former was calculated based on product sales costs, raw material procurement, and utility expenses, while the environmental impact was measured based on the equivalent CO2 emitted from the input and output streams of the process.The Pareto curve obtained showed that it is not possible to find a single scenario that represents the optimization, meaning that one of the objective functions will always be compromised when the other improves. It also revealed some drawbacks of the process, such as high water content in the syngas stream and high energy consumption throughout the process. Therefore, improvements are needed, such as the implementation of a water removal system from the product and an analysis of the process, including the FT synthesis step, as the energy balance of catalytic reforming can be balanced and integrated into it.1 recurso online : PDF.application/pdfBiocombustíveisBiogásEngenharia QuímicaAnálise e otimização da produção de gás de síntese a partir da reforma catalítica do biogásinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - NADIA MARIA DO VALLE RAMOS.pdfapplication/pdf2232509https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/85939/1/R%20-%20D%20-%20NADIA%20MARIA%20DO%20VALLE%20RAMOS.pdfccd861f792885620cfcbded59b3c91c8MD51open access1884/859392024-01-08 16:24:56.787open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/85939Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-01-08T19:24:56Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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