Simulação em CFD de um reator de membrana para a produção de hidrogênio a partir de processo combinado de desidroaromatização/reforma seca do metano

Abstract

Combustíveis fósseis correspondem a principal matriz energética do planeta, porém sua futura escassez e problemas ambientais e geopolíticos, devem acelerar o processo de mudança para novas matrizes energéticas. Um dos grandes candidatos a substituto é o Hidrogênio, pois apresenta inúmeras vantagens frente aos combustíveis fósseis, como queima limpa e alta capacidade energética. Porém, a produção de hidrogênio sofre com uma grande quantidade de fatores limitantes. Assim, melhorias e novas formas de produção desse combustível estão sendo pesquisadas, visando eliminar restrições. Aliada a produção, aparece a intensificação dos processos, onde ao mesmo tempo que se produz, ocorrem etapas como a destilação, purificação e extração. Assim, os reatores com membrana aparecem como alternativa para desenvolvimento e melhoria do processo de produção de hidrogênio. Dessa forma, o uso de ferramentas que possam facilitar o processo de modelagem torna-se essencial para esse tipo de processo. A fluidodinâmica computacional (CFD) é a parte da engenharia destinada ao desenvolvimento de soluções numéricas de problemas de fenômenos de transporte. A abordagem CFD tem mostrado importantes resultados, oferecendo grande aplicabilidade, e quase não tendo restrições a geometrias e processos complexos, sendo cada vez mais impulsionada pelo avanço de computadores e softwares. O presente trabalho aborda a simulação via CFD de um reator de membrana na reação combinada de Desidroaromatização/Reforma Seca do Metano visando elucidar o comportamento do processo combinado e comparar com os processos individuais. Inicialmente os processos foram simulados de forma individual, a reforma seca do metano que foi validada com os dados experimentais de Silva (2009). Depois a desidroaromatização do metano, que foi validada com estimativas de Larachi et al. (2002), Iliuda et al. (2003) e Cavalcanti Filho (2004). Com as condições de simulação numérica que melhor se adequaram aos resultados, foi realizada a simulação do processo combinado em reator de membrana, onde foi possível determinar concentrações dos principais componentes (H₂, CO, C₆H₆ e C) em função do tempo. A simulação mostrou que no processo combinado podem ser obtidos concentrações de efluentes de H₂ e CO, maiores que obtidas nos processos individuais. Com relação a produção de C₆H₆, houve equivalência com relação ao processo individual. E para as condições analisadas do processo combinado, foram observadas diminuição da concentração de carbono nos efluentes, demonstrando a capacidade do processo combinado reduzir a deposição sobre o catalisador, umas das principais limitações da produção de hidrogênio e outros co-produtos.