Análise termodinâmica da reforma autotérmica do metano para a produção de hidrogênio e gás de síntese via maximização da entropia

Abstract

RESUMO: Muitos são os trabalhos encontrados na literatura que se propõem em realizar uma analise termodinâmica das reações de reforma autotérmica. A maioria destes trabalhos utiliza a minimização da energia livre de Gibbs. Esta metodologia não atende a condição de termoneutralidade, limitando as condições operacionais avaliadas por estas análises. Neste trabalho foi realizada uma análise termodinâmica da reforma autotérmica do metano empregando a maximização da entropia, que se faz mais apropriada, pois considera a condição de termoneutralidade e permite a avaliação da temperatura final do processo. A resolução do problema de programação não-linear, gerado a partir do modelo termodinâmico obtido, foi conduzida por meio do solver CONPT2, baseado no algoritmo do Gradiente Reduzido Generalizado (GRG), presente no software GAMS 21.6. Foram investigados os efeitos da pressão, temperatura inicial, e razões de alimentação dos reagentes em diversos parâmetros avaliados. Também foram obtidos os parâmetros operacionais ótimos para a máxima obtenção de hidrogênio à pressão de 1 bar. A quantidade máxima de hidrogênio obtido foi de 3,24 mols de hidrogênio / mol de metano (1000ºC, S/CH4=5 e O2/CH4_0,18). Foram averiguadas as condições mais favoráveis para a obtenção do syngas nos parâmetros utilizados para avaliar diferentes tipos de reações de síntese. Uma comparação com resultados experimentais obtidos da literatura mostraram grande concordância com os dados equivalentes obtidos pela metodologia empregada

ABSTRACT: There are many studies in the literature that propose to conduct a thermodynamic analysis of autothermal reforming reactions. Most of them uses the Gibbs free energy minimization. This methodology doesn’t meet directly the thermoneutral condition, limiting operational conditions evaluated in these analyzes. In this work, it were performed a thermodynamic analysis of autothermal reforming of methane using the maximization of entropy, which is most appropriate, because it considers the thermoneutral condition and allows the evaluation of the final temperature of the process. The solution of the non-linear programming problem, generated from the thermodynamic model obtained, was conducted through CONPT2 solver, based on the Generalized Reduced Gradient algorithm (GRG), present in the software GAMS 21.6. It were investigated the effects of pressure, initial temperature, and fed reactants ratios on several evaluated parameters. It were also obtained the optimum operating parameters to obtaining the maximum hydrogen at 1 bar pressure. The maximum amount of hydrogen obtained was 3.24 mol of hydrogen / mol of methane (1000ºC, S/CH4=5 e O2/CH4_0.18). It was evaluated the most favorable conditions to obtaining useful syngas in various types of syntheses. A comparison between the experimental results obtained in the literature showed good agreement with the equivalent simulated data by the used methodology