Modelagem e simulação de um reator a membrana para produção de hidrogênio - Santos, Paulo Venicius Messias dos (2019)
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.