Caracterização termodinâmica e cinética de reatores para a reação de gaseificação com água supercrítica do glicerol utilizando técnicas de simulação computacional

Abstract

O desenvolvimento do processo de gaseificação com água supercrítica (SCWG) do glicerol para a produção de hidrogênio como alternativa aos combustíveis fósseis vem ganhando cada vez mais destaque, tendo em vista o problema global de poluição atmosférica. Entretanto, a carência de modelos cinéticos e termodinâmicos definitivos para o processo tornam-se um empecilho para o desenvolvimento de reatores viáveis em escala industrial. Assim, este trabalho tem o objetivo de fazer a caracterização cinética e termodinâmica, através da simulação computacional de modelos existentes na literatura, da reação de SCWG do glicerol, bem como definir os parâmetros operacionais de um reator ideal para o processo. Para tanto, empregou-se o software GAMS® (General Algebraic Modeling System), versão 23.1, para o estudo termodinâmico a partir da metodologia de minimização da energia livre de Gibbs, além do software Matlab®, versão 9.7.0.1190202 (R2019b), para a simulação do modelo cinético proposto por Guo et al. (2013). O reator do processo foi simulado no software DWSIM®, versão 6.5.6, seguindo as mesmas condições experimentais dos autores supracitados. A análise termodinâmica mostrou que a quantidade de mols de hidrogênio presentes no equilíbrio é diretamente proporcional à temperatura, chegando a um rendimento máximo de 2,34 mol/mol de glicerol a 600°C. A análise cinética, porém, demonstrou que a temperatura ótima para a condução da reação é 525°C, onde observou-se um rendimento de H2 de 1,86 mol/mol de glicerol. A análise do reator apresentou os melhores resultados, em termos industriais, com a composição mássica de 10% em glicerol e operando entre 50 e 80 MPa e 517 e 630°C, pois mesmo com um rendimento de 5,01 mol de H2/mol de glicerol, essa condição gerou um menor consumo energético e maior conversão de reagentes. A formação de CO foi inexpressiva, especialmente nas simulações do modelo cinético e do reator, indicando que o uso dos produtos da reação de SCWG do glicerol não é viável para outros processos como a síntese de Fischer-Tropsch.__The development of the supercritical water gasification process (SCWG) of glycerol for the hydrogen production as an alternative to fossil fuels has been gaining more and more attention, given the global problem of atmospheric pollution. However, the lack of definitive kinetic and thermodynamic models for the process becomes an obstacle to the development of viable reactors on an industrial context. Thus, this work aims to make the kinetic and thermodynamic characterization, through the computational simulation of existent models in literature, of the SCWG reaction of glycerol, as well as define the operational parameters of an ideal reactor for the process. For this purpose, the software GAMS® (General Algebraic Modeling System), version 23.1, was used for the thermodynamic study based on the Gibbs free energy minimization methodology, in addition to the Matlab® software, version 9.7.0.1190202 (R2019b), for the simulation of the kinetic model proposed by Guo et al. (2013). The process reactor was simulated in DWSIM® software, version 6.5.6, following the same experimental conditions as the aforementioned authors. Thermodynamic analysis showed that the amount of hydrogen moles present in the equilibrium is directly proportional to the temperature, reaching a maximum yield of 2,34 mol/mol of glycerol at 600°C. The kinetic analysis, however, showed that the optimal temperature for conducting the reaction is 525°C, where a H2 yield 1,86 mol/mol of glycerol was observed. The reactor analysis showed the best results, in industrial terms, using a mass composition of 10% in glycerol and operating between 50 – 80 MPa and 517 – 630°C, because even with a yield of 5.01 mol of H2/mol of glycerol, this condition generated a lower energy consumption and greater reagent conversion. The formation of CO was insignificant, especially in the kinetic model simulations, indicating that the use of products of glycerol SCWG reaction is not viable for other processes such as Fischer-Tropsch synthesis.