Simulação e análise de um reator de reforma de metano para a produção de hidrogênio

Abstract

A utilização do hidrogênio como combustível requer desenvolvimento tecnológico nas áreas de produção, transporte e aplicação. Devido às dificuldades na implantação de infraestrutura para a sua distribuição, aliado à baixa densidade energética volumétrica obtida no armazenamento do hidrogênio gasoso, um considerável esforço de pesquisa tem sido direcionado para o desenvolvimento de tecnologia de processamento de combustíveis, convertendo-os em gás rico em hidrogênio, diretamente no ponto de utilização. Esta tecnologia é conhecida como reforma e é uma opção viável para permitir o desenvolvimento e teste em escala comercial da aplicação das células a combustíveis na geração distribuída de energia elétrica. O objetivo deste trabalho é analisar a produção do hidrogênio a partir da reforma de gás natural em um reator compacto. Para isso, desenvolve-se uma concepção de reator de reforma, e analisam-se as condições da reforma a vapor do gás metano. Na reforma a vapor do metano, uma mistura de vapor de água e metano escoa ao longo de um reator catalítico e deseja-se que as reações químicas favoreçam a decomposição do metano e do vapor de água em gás hidrogênio e dióxido de carbono. O monóxido de carbono é um produto indesejável, pois causa envenenamento irreversível de células a combustível tipo membrana de troca de próton (PEM). O reator catalítico apresenta em geral um leito de partículas porosas ou um monolito como suporte do catalisador, o qual é usualmente um metal ou um óxido metálico de elementos do grupo VIII da tabela periódica. Como a reação de reforma a vapor é endotérmica, uma fonte externa de calor distribuída é necessária para obter condições ótimas de distribuição de temperatura e fluxo de calor ao longo do reator. O trabalho inicia-se com uma análise termodinâmica de equilíbrio químico que visa determinar as concentrações em equilíbrio dos produtos da reforma como função das condições de temperatura e pressão no reator. A partir da verificação das condições de operação ótimas, um modelo numérico para a transferência de calor e massa com reação química em um leito catalítico suportado em uma matriz monolítica porosa é desenvolvido. O modelo de reator é acoplado a uma fonte de calor externa que fornece calor de forma distribuída por radiação e convecção superficial. O modelo fornece os valores limites de geometria e parâmetros de operação, como vazões e potências, e as condições necessárias para máxima produção do hidrogênio em relação ao metano e seletividade em relação ao monóxido de carbono.