Análise termodinâmica de produção de hidrogênio através da reforma a vapor do metano utilizando a metodologia de minimização da energia de Gibbs por meio do software TeS

Abstract

RESUMO

O aumento da qualidade de vida da população global tem resultado em uma busca constante por novas fontes de energias, sobretudo renováveis e de baixo impacto socioambiental. Neste contexto, o hidrogênio tem se destacado devido à sua abundância na natureza e alta quantidade de energia por unidade de massa. Em 2021, a demanda pelo gás foi de 94 milhões de toneladas, das quais 62% da produção é proveniente de reforma a vapor de metano. Daí a importância do estudo desta rota de produção. O presente trabalho objetiva determinar as condições ótimas para produção de hidrogênio através da reação de reforma a vapor do metano com o uso do software TeS (Thermodynamic Equilibrium Simulation) na forma de um problema de minimização da energia de Gibbs. Além disso, busca-se ainda validar o TeS como ferramenta confiável na simulação termodinâmica de processos reacionais complexos. Para tanto, os resultados calculados neste trabalho foram comparados com resultados simulados e dados experimentais reportados da literatura em condições operacionais semelhantes. Além disso, foi investigada a influência das variáveis pressão (1-10 bar), temperatura (573K-1273K), razão H2O/CH4 (1, 2 e 3) e deposição de coque isoladamente e combinadas. Desse modo, observou-se que os dados simulados pelo TeS apresentaram boa convergência com resultados calculados por outros autores em softwares consolidados como o Chemkin, Scilab e GAMS 23.1. Quanto aos dados experimentais, apesar da alta divergência, os resultados apresentaram boa capacidade de predição do comportamento reacional. As divergências se justificam devido às condições dos experimentos, como tipo de reator, tipo de catalisador e tempo de residência no reator, que influenciam na produção de hidrogênio. Assim, concluiu-se que os resultados simulados no TeS são consistentes, confiáveis e válidos, podendo ser empregados na análise termodinâmica de sistemas reacionais complexos do tipo gás-vapor, como o da reforma a vapor de metano. Além disso, os resultados mostraram que o aumento da temperatura, a diminuição da pressão, o aumento da razão H2O/CH4 (S/C) e a deposição de coque no sistema reacional são fatores que maximizam a produção de mols de hidrogênio. Esses fatores combinados permitiram concluir que as condições ótimas de produção do hidrogênio se dão em pressões próximas a 1 bar, temperaturas entre 900K e 1000K e razão H2O/CH4 (S/C) em torno de 3,0, razão na qual a inibição ou não de coque é insignificante na produção do gás. Nessas condições, a fração molar de hidrogênio atinge o seu valor máximo, 56%, sendo importante na indústria para os processos de purificação pós-reforma a vapor de metano.