Modelação da reformação catalítica de metano em reactor de membrana

Abstract

O panorama energético a nível mundial está em mudança, despoletada por preocupações acerca da emissão de gases de efeito de estufa, levando ao aquecimento global, e sobre o aumento do preço dos combustíveis. Consequentemente, o interesse no hidrogénio como vector energético aumentou significativamente, nos últimos anos, de forma a melhorar a sustentabilidade do sistema energético. O hidrogénio pode ser usado na alimentação de células de combustível para produzir energia limpa, livre de emissões de CO2. O sucesso da introdução do hidrogénio na economia será baseado no desenvolvimento de processos de hidrogénio que sejam competitivos economicamente, ambientalmente sustentáveis e que possam fornecer energia de forma segura. A reformação por vapor de metano é actualmente o principal processo químico de produção de hidrogénio. Este processo é limitado pelo equilíbrio reaccional e fortemente endotérmico, sendo por isso realizado a elevadas temperaturas. Contudo, o desenvolvimento de processos de separação baseados em membranas, permite a remoção selectiva do hidrogénio da mistura reaccional, sendo possível deslocar o equilíbrio químico no sentido da formação de produtos, resultando em maiores conversões de metano, a temperaturas mais baixas. Os reactores de membrana de ligas de paládio podem simplificar o esquema processual e possibilitam o fornecimento de hidrogénio puro, livre de CO, adequado para o uso em células de combustível. Foi formulado e estudado um modelo pseudo-homogéneo, para descrever a operação do reactor em condições isotérmicas e também em condições não isotérmicas. A configuração, em co-corrente ou contra-corrente, do fluxo do gás de arraste foi tida em consideração. Diferentes modelos de permeação foram simulados para analisar o desempenho da membrana na operação do reactor. A influência dos diferentes parâmetros operacionais na conversão de metano foi estudada do ponto de vista teórico, com base na simulação do modelo proposto. Verificou-se que a configuração em contra-corrente permite obter melhores resultados, e que o modelo isotérmico fornece uma previsão sobrestimada do comportamento do reactor, uma vez que o perfil real de temperatura não é constante.

ABSTRACT: The world energy scene is changing, driven by concerns over greenhouse gas emissions, leading to global warming, and over the increasing fuel prices. Consequently, interest in hydrogen as an energy carrier has significantly increased, in the last few years, in order to improve the sustainability of the energy system. Hydrogen can be used in fuel cells to produce clean energy, free of CO2 emissions. The success of a hydrogen economy will be based on the development of hydrogen production processes that can be economic, competitive, environmentally sustainable and provide energy supply security. Methane steam reforming is currently the main chemical process to produce hydrogen. This process is equilibrium-limited and highly endothermic, so it has to be carried out at high temperature. However, the development of a membrane-based separation process, allows hydrogen selective removal from the reaction mixture, and made possible to shift the chemical equilibrium of the reactions towards the products, resulting in higher methane conversion, at lower temperature. Pd-based membrane reactors can simplify the process scheme and offers the possibility of supplying pure CO-free hydrogen, suitable for use in fuel cells. A pseudo-homogeneous model was formulated and studied for the isothermal and also non-isothermal operation. Co-current and counter-current configuration of the sweep gas flow was taken into account. Different permeation models were simulated to analyze the membrane performance in the reactor operation. The effect of different parameters on methane conversion has been investigated from a theoretical point of view, based on the simulation of the proposed model. It was found that counter-current configuration yields better results and the isothermal assumption overestimates the reactor performance, since the temperature profile is not constant.