Modelagem e simulação de um reator a membrana para produção de hidrogênio
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2019 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRN |
Texto Completo: | https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28242 |
Resumo: | 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 e estudos. 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-δ. No entanto, para obter-se um maior desempenho na produção global de hidrogênio, a membrana de estrutura La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ 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. Foram calculadas as conversões de metano e hidrogênio, como também os perfis de concentração ao longo do reator. Uma comparação numérica entre os desempenhos dos processos de reforma a vapor e oxidação parcial do metano 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® para descrever e analisar o processo. |
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Santos, Paulo Venicius Messias dosAraújo, Camila Pacelly Brandão deBezerra, Vanja Maria de FrançaLopes, Francisco Wendell BezerraSouza, Carlson Pereira de2020-01-15T20:26:13Z2020-01-15T20:26:13Z2019-08-28SANTOS, Paulo Venicius Messias dos. Modelagem e simulação de um reator a membrana para produção de hidrogênio. 2019. 71f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019.https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28242A demanda por fontes energéticas e combustíveis menos poluentes vem aumentando substancialmente. Por esta razão, a produção de hidrogênio está sendo alvo de diversas pesquisas e estudos. 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-δ. No entanto, para obter-se um maior desempenho na produção global de hidrogênio, a membrana de estrutura La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ 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. Foram calculadas as conversões de metano e hidrogênio, como também os perfis de concentração ao longo do reator. Uma comparação numérica entre os desempenhos dos processos de reforma a vapor e oxidação parcial do metano 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® para descrever e analisar o processo.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 and studies. 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-δ. However, to have higher performance in overall hydrogen yield, the membrane La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ is the more recommended among those evaluated. The CH4 and H2 conversions were calculated, as well as the molar fraction profiles through the reactor length. A comparison between the performances of the partial oxidation and steam reforming 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® to describe and analyze de process.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAReator a membranaGás de síntesePerovsquitaProdução de hidrogênioEnergiaSimulaçãoModelagemModelagem e simulação de um reator a membrana para produção de hidrogênioinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICAUFRNBrasilinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNTEXTModelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.txtModelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.txtExtracted texttext/plain106340https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/28242/2/Modelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.txt6b8fb2e44bcb793c75e0a5f775ee7704MD52THUMBNAILModelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.jpgModelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1414https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/28242/3/Modelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdf.jpg69c4eb53915c70dc9e45f7aa8996ed59MD53ORIGINALModelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdfapplication/pdf1154822https://repositorio.ufrn.br/bitstream/123456789/28242/1/Modelagemsimulacaoreator_Santos_2019.pdfb1940eb19c8d8455f3abb79e83a184eeMD51123456789/282422020-01-19 04:49:52.277oai:https://repositorio.ufrn.br:123456789/28242Repositório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/opendoar:2020-01-19T07:49:52Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false |
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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 e estudos. 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-δ. No entanto, para obter-se um maior desempenho na produção global de hidrogênio, a membrana de estrutura La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ 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. Foram calculadas as conversões de metano e hidrogênio, como também os perfis de concentração ao longo do reator. Uma comparação numérica entre os desempenhos dos processos de reforma a vapor e oxidação parcial do metano 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® para descrever e analisar o processo. |
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