Otimização do processo de gaseificação de glicerol em SCWG utilizando abordagem termodinâmica

Abstract

RESUMO Sendo um subproduto da formação do biodiesel, o glicerol mostra um promissor potencial para inovação. Dentro das inúmeras áreas de aplicação, e diferentes métodos para o seu tratamento, algumas alternativas para utilização deste subproduto são os métodos de reforma. O presente trabalho aborda, mais especificamente, a reação de gaseificação em água supercrítica (Supercritical Water Gasification, SCWG) visando a geração de hidrogênio (H2), para isso, o comportamento termodinâmico dessa reação foi avaliado usando rotinas de otimização. Os resultados para a SCWG do glicerol na condição de equilíbrio, foram obtidos utilizando os métodos de minimização da energia de Gibbs para sistemas isotérmicos, e maximização da entropia para sistemas adiabáticos. Os modelos termodinâmicos foram resolvidos utilizando o software GAMS 23.9.5 em combinação com o solver CONOPT3. Para avaliar a influência das respostas e seus efeitos sobre a produção de H2, um design experimental (DOE), com base em um planejamento do tipo delineamento composto central rotacional (DCCR) de 23 , com um número de moles de água na alimentação fixado em 5 moles para todas as simulações, para isso foi utilizado o software STATISTICA STATSOFT®. Como resultado das simulações, as composições finais da fase gasosa e o comportamento térmico para as condições operacionais da reação foram obtidos. A reação foi caracterizada pela formação de hidrogênio, com os limites de temperatura entre 586,64 e 1259 K, pressões na faixa de 216,36 a 283,64 bar e a razão molar de glicerol pela razão molar da água variando de 0,032 a 0,368 na alimentação, de acordo com o planejamento DCCR. Uma formação de hidrogênio significativa, foi observada para condições isotérmicas de operação, os resultados obtidos para os sistemas adiabáticos indicaram que o SCWG do glicerol é por natureza uma reação endotérmica. Para ambos os resultados, o efeito da pressão sobre a formação de hidrogênio não foi estatisticamente significativo a 95% de confiança. A formação de hidrogênio é principalmente influenciada pelos efeitos da temperatura e da composição do glicerol, atingindo a formação máxima de hidrogênio à 2,29 moles operando de maneira isotérmica em altas temperaturas, ao redor de 1123 K e altas razões glicerol / água na alimentação (0,368 mol/mol).___ABSTRACT As a by-product of biodiesel formation, glycerol shows promising potential for innovation. Within the application areas and different methods for its treatment, some alternatives to using this by-product are the reforming methods. This research utilized a more specifically Supercritical Water Gasification (SCWG) approach for aiming a hydrogen generation (H₂), for this, the thermodynamic behavior has been evaluated using optimization routines for this reaction. The reactions result for SCWG of glycerol in equilibrium condition were obtained using the methods of Gibbs energy minimization for isotherms systems and entropy maximization for adiabatic systems. The thermodynamic approach had its models solved using the GAMS 23.9.5 software in combination with the CONOPT3 solver. To assess the influence of responses and their effects on H2 production, through the design of experiments (DOE), based on a central composition rotatable design (CCRD) of 23, with a number of water mols in the feed set at 5 mols for all simulations, for this, was used the STATISTICA STATSOFT® software. As a result of the simulations, the gaseous phase final compositions and thermal behavior, for operational conditions of the reactions were obtained. The reaction was characterized by the formation of hydrogen, with temperature limits between 586.64 and 1259 K, pressures in the range of 216.36 to 283.64 bar, and the molar ratio of glycerol/water in the feed ranging from 0.032 to 0.368, according to the experimental design CCRD. An expressive hydrogen formation was observed for isotherm operational conditions, the results obtained for adiabatic systems showed that the SCWG of glycerol is by nature an endothermic reaction. For both results, the effect of pressure on hydrogen formation was not statistically significant with a reliability of 95%. The Hydrogen formation is mainly influenced by the effects of temperature and glycerol composition, reaching maximum hydrogen formation at 2.29 mols, operating in an isothermal manner at high temperatures about 1123 K and high glycerol/water ratios feed of (0.368 mol/mol).