Modelos para produção de hidrogênio a partir de duas rotas: reator a membrana e eletrolisadores PEM - uma introdução

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Main Author: Silva, Isaac Enos da
Publication Date: 2024
Format: Bachelor thesis
Language: por
Source: Repositório Institucional da UFRN
dARK ID: ark:/41046/0013000014kjr
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Summary: Hydrogen stands out as a promising energy vector due to its versatility and abundance, especially in a scenario of increasing demand for sustainable energy sources. Membrane reactors, innovative devices that use membranes to separate products and reactants during chemical reactions, have proven efficient in improving process conversion. The production of green hydrogen through electrolysis, using PEM electrolyzers, emerges as a clean and relevant solution for reducing greenhouse gas emissions. This work focuses on analyzing hydrogen production through membrane reactors and PEM electrolyzers, employing the Python programming language and a chemical process simulator. The modeling and simulation considered operational variables such as temperature, pressure, and reactant flow rates, with the model being validated based on experimental data available in the literature. The results indicated that, in case study 1, methane (CH₄) conversion in a membrane reactor varied with temperature, pressure, and membrane thickness. At 350°C, conversion was low, not exceeding 3.5%. At 500°C, it increased to up to 60% at 30 bar. At 750°C, conversion reached nearly 100%, with the impact of pressure becoming less relevant. Thin membranes (6 µm) favored higher conversion under less demanding conditions, while thicker membranes (30 µm) resulted in lower efficiency. These results highlight the importance of optimizing operational conditions. In case study 2, membrane reactors showed high efficiency in methane conversion, especially under high pressures. In case study 3, the production of hydrogen using PEM electrolyzers powered by solar energy was analyzed. The system operated for 13 hours, with a production rate of 1.5 micrograms per second and a pressure of 890 kPa (8.9 bar). The purity of the hydrogen produced was high, with molar fractions of hydrogen (z[H₂], y[H₂], x[H₂]) equal to 1, with no presence of oxygen or water vapor. These results, consistent with the existing literature, reinforce the effectiveness of membrane reactors and PEM electrolyzers, highlighting the importance of optimizing operational conditions to maximize both natural gas conversion and sustainable energy production.
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The modeling and simulation considered operational variables such as temperature, pressure, and reactant flow rates, with the model being validated based on experimental data available in the literature. The results indicated that, in case study 1, methane (CH₄) conversion in a membrane reactor varied with temperature, pressure, and membrane thickness. At 350°C, conversion was low, not exceeding 3.5%. At 500°C, it increased to up to 60% at 30 bar. At 750°C, conversion reached nearly 100%, with the impact of pressure becoming less relevant. Thin membranes (6 µm) favored higher conversion under less demanding conditions, while thicker membranes (30 µm) resulted in lower efficiency. These results highlight the importance of optimizing operational conditions. In case study 2, membrane reactors showed high efficiency in methane conversion, especially under high pressures. In case study 3, the production of hydrogen using PEM electrolyzers powered by solar energy was analyzed. The system operated for 13 hours, with a production rate of 1.5 micrograms per second and a pressure of 890 kPa (8.9 bar). The purity of the hydrogen produced was high, with molar fractions of hydrogen (z[H₂], y[H₂], x[H₂]) equal to 1, with no presence of oxygen or water vapor. These results, consistent with the existing literature, reinforce the effectiveness of membrane reactors and PEM electrolyzers, highlighting the importance of optimizing operational conditions to maximize both natural gas conversion and sustainable energy production.O hidrogênio destaca-se como um vetor energético promissor devido à sua versatilidade e abundância, especialmente em um cenário de crescente demanda por fontes de energia sustentáveis. Reatores a membrana, dispositivos inovadores que utilizam membranas para separar produtos e reagentes durante reações químicas, mostram-se eficientes na melhoria da conversão de processos. A produção de hidrogênio verde por eletrólise, utilizando eletrolisadores PEM, surge como uma solução limpa e relevante para a redução das emissões de gases de efeito estufa. Este trabalho foca na análise da produção de hidrogênio por meio de reatores de membrana e eletrolisadores PEM, empregando a linguagem de programação Python e um simulador de processos químicos. A modelagem e a simulação realizadas consideraram variáveis operacionais como temperatura, pressão e vazão dos reagentes, com o modelo sendo validado a partir de dados experimentais disponíveis na literatura. Os resultados indicaram que, no estudo de caso 1, a conversão de metano (CH4) em um reator de membrana variou com a temperatura, pressão e espessura da membrana. A 350°C, a conversão foi baixa, não ultrapassando 3,5%. A 500°C, aumentou para até 60% a 30 bar. A 750°C, a conversão atingiu quase 100%, com o impacto da pressão se tornando menos relevante. Membranas finas (6 µm) favoreceram maior conversão em condições menos exigentes, enquanto membranas espessas (30 µm) resultaram em menor eficiência. No estudo de caso 2, os reatores de membrana mostraram alta eficiência na conversão de metano, especialmente sob altas pressões. No estudo de caso 3, foi analisada a produção de hidrogênio com eletrolisadores PEM alimentados por energia solar. O sistema operou durante 13 horas, com uma taxa de produção de 1,5 microgramas por segundo e uma pressão de 890 kPa (8,9 bar). A pureza do hidrogênio produzido foi elevada, com frações molares de hidrogênio (z[H₂], y[H₂], x[H₂]) iguais a 1, sem a presença de oxigênio ou vapor d'água. Esses resultados, coerentes com a literatura existente, reforçam a eficácia dos reatores de membrana e dos eletrolisadores PEM, destacando a importância da otimização das condições operacionais para maximizar tanto a conversão do gás natural quanto a produção sustentável de energia.Universidade Federal do Rio Grande do NorteBrasilUFRNEngenharia QuímicaCentro de TecnologiaBezerra, Vanja Maria de Françahttp://lattes.cnpq.br/6741109877291916http://lattes.cnpq.br/7566236243351252Moriyama, André Luis Lopeshttp://lattes.cnpq.br/5552878900145656Santos, Everaldo Silvino doshttp://lattes.cnpq.br/4330639792072559Silva, Isaac Enos da2024-08-19T22:57:29Z2024-08-19T22:57:29Z2024-08-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisapplication/pdfSILVA, Isaac Enos da. Modelos para produção de hidrogênio a partir de duas rotas: reator a membrana e eletrolisadores PEM - uma introdução. 2024. 74f. Orientação: Profa. Dra. Vanja Maria de França Bezerra. Trabalho de Conclusão de Curso - TCC (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Graduação em Engenharia Química, Natal, 2024.https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/59397ark:/41046/0013000014kjrporreponame:Repositório Institucional da UFRNinstname:Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)instacron:UFRNinfo:eu-repo/semantics/openAccess2025-04-10T17:28:51Zoai:repositorio.ufrn.br:123456789/59397Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufrn.br/oai/repositorio@bczm.ufrn.bropendoar:2025-04-10T17:28:51Repositório Institucional da UFRN - Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)false
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