Um estudo termodinâmico sobre as rotas de valoração do metano utilizando o software excel

Abstract

RESUMO O presente estudo foca na modelagem e no desenvolvimento de uma planilha para avaliar a valoração termoquímica do gás metano através da reforma a vapor do metano, visando determinar as melhores condições de reação para a produção de hidrogênio a partir de processos de reforma a vapor do metano. Para tanto, foi utilizada a metodologia de minimização da energia de Gibbs global do sistema a pressão constante como meio para a determinação das composições de equilíbrio dos sistemas estudados implementadas na forma de uma programação não linear no software Microsoft EXCEL 2019 ®, sendo resolvida com auxílio do algoritmo de gradiente reduzido generalizado (GRG) do EXCEL. A fim de validar o funcionamento do modelo e da planilha em diferentes situações, foram realizados testes e validações para três sistemas distintos: reforma oxidativa do metano, reforma a vapor do metanol e reforma a vapor do glicerol. A reação de reforma a vapor do metano foi avaliada neste trabalho em três razões molares (CH4/H2O) diferentes na alimentação, variando de 1:0,5 até 1:1,5; e também, em temperaturas diferentes em uma faixa de 600 K a 1100 K. A comparação entre os valores preditos pelas simulações conduzidas na planilha e aqueles obtidos na literatura mostra erros relativos percentuais de 8% para a reforma oxidativa do metano, 2% para a reforma a vapor do metanol e de aproximadamente 40% para a reforma a vapor do glicerol, o que indica boa adequação da ferramenta desenvolvida e do modelo termodinâmico proposto como uma ferramenta de análise termodinâmica de sistemas reacionais, considerando as variações entre os modelos estudados e o desenvolvido no presente trabalho. As melhores condições operacionais para o processo de reforma a vapor do metano encontradas foram: temperaturas em torno de 900 K e H2O em excesso na alimentação.__ABSTRACT The present study focuses on the modeling and development of a spreadsheet to evaluate the thermochemical valuation of methane gas reforming, aiming to determine the best reaction conditions for hydrogen production from methane steam reforming processes. For that, the methodology of minimization of the global Gibbs energy of the system at constant pressure was used as a means to determine the equilibrium compositions of the studied systems implemented in the form of a non-linear programming in the Microsoft EXCEL 2019 ® software, being solved with the aid of of the EXCEL generalized reduced gradient (GRG) algorithm. In order to validate the functioning of the model and the spreadsheet in different situations, tests and validations were carried out for three different systems: oxidative reforming of methane, steam reforming of methanol and steam reforming of glycerol. The steam reforming reaction of methane was evaluated in this work at three different molar ratios (CH4/H2O) in the feed, ranging from 1:0.5 to 1:1.5; and also at different temperatures in a range from 600 K to 1100 K. The comparison between the values predicted by the simulations carried out in the spreadsheet and those obtained in the literature shows percentage relative error of 8% for the oxidative reform of methane, 2% for the steam reforming of methanol and approximately 40% for the steam reforming of glycerol, which indicates a good suitability of the developed tool and the proposed thermodynamic model as a tool for the thermodynamic analysis of reaction systems, considering the variations between the models studied and the developed in the present work. The best operating conditions for the methane steam reforming process found were: temperatures around 900 K and excess H2O in the feed.