Desenvolvimento de catalisadores para multiprocessamento em reatores flex associados a células a combustível de membrana polimérica

Abstract

RESUMO: Este projeto teve dois objetivos principais. Primeiro o desenvolvimento de um catalisador de reforma a vapor capaz de produzir hidrogênio utilizando metanol ou dimetil-éter (DME), caracterizando um reator de multiprocessamento. Segundo, ampliar a escala de aplicação para um reator integral e validar modelos matemáticos adequados ao projeto de reatores de multiprocessamento ("flex"). O reator de multiprocessamento de metanol ou DME é um produto industrial de grande interesse da indústria de sistemas de geração de energia baseados em células a combustível e que poderá ser transferido futuramente a este tipo de indústria de equipamentos. O apelo de mercado é a produção de hidrogênio para uso energético e como um insumo químico em um processo de pequena escala, partindo de combustíveis (metanol ou DME) baratos e renováveis. O sistema reator-célula a combustível, que constitui a Unidade Autônoma para Geração de Energia Elétrica, é um produto interessante para o mercado de geração de energia distribuída. Dependendo das características da célula a combustível, o sistema pode ser usado para geração na base (base loaded) ou em aplicações de reserva de energia. As indústrias de células a combustível têm interesse em sistemas integrados (turn key) e a tecnologia pode ser transferida. Além disso, sistemas integrados baseados em metanol e DME têm apelo ambiental e se adaptam facilmente à matriz energética brasileira. No mercado não há menção de sistemas comerciais de energia baseados em células a combustível e reatores de multiprocessamento, embora protótipos possam ser encontrados. Neste projeto foram desenvolvidos e sintetizados catalisadores Cu/Ce/?-Al2O3 não convencionais para a produção de hidrogênio a partir da reforma a vapor de metanol ou DME, caracterizando um reator de multiprocessamento. O catalisador que apresentou o melhor desempenho de atividade, seletividade, resistência à formação de coque e estabilidade nos testes em reator diferencial (realizados em três diferentes temperaturas) foi utilizado na validação de equações cinéticas, bem como no empacotamento de um reator integral de multiprocessamento (teste realizado com uma condição de vazão, razão molar e temperatura – a que apresentou melhor resultado no teste diferencial). Nos testes em reator integral foram realizadas medidas dos perfis axiais de temperatura no leito e da composição efluente do reator. Esses dados foram utilizados na validação de modelos matemáticos de reator de multiprocessamento. Depois da modelagem, foi realizada a otimização de alguns parâmetros que foram tanto reinseridos no modelo quanto aplicados em testes de longa duração utilizando o catalisador sol-gel. Os resultados para a produção de hidrogênio nesses testes foram então aplicados para determinação da potência de uma célula a combustível do tipo PEM alimentada com essa corrente. O valor obtido para a potência foi de aproximadamente 5 W

ABSTRACT: This project had two main objectives. First the development of a steam reforming catalyst capable of producing hydrogen using methanol or dimethyl ether (DME), characterizing a multiprocessing reactor. Second, to extend the scale of application to an integral reactor and to validate mathematical models suitable for the design of multiprocessing reactors ("flex"). The methanol or DME multiprocessing reactor is an industrial product of great interest to the fuel cell based power generation industry and may be transferred to this type of equipment industry in the future. The market appeal is the production of hydrogen for energy use and as a chemical input in a small-scale process, starting from cheap and renewable fuels (methanol or DME). The reactor-fuel cell system, which constitutes the Autonomous Unit for Generation of Electric Energy, is an interesting product for the market of distributed energy generation. Depending on the characteristics of the fuel cell, the system can be used for base load or power reserve applications. The fuel cell industries are interested in turnkey systems and the technology can be transferred. In addition, integrated systems based on methanol and DME have an environmental appeal and easily adapt to the Brazilian energy matrix. In the market there is no mention of commercial fuel cell based power systems and multiprocessing reactors, although prototypes can be found. In this project, unconventional Cu/Ce/?-Al2O3 catalysts were developed and synthesized for the production of hydrogen from methanol or DME steam reforming, characterizing a multiprocessing reactor. The catalyst that presented the best performance of activity, selectivity, resistance to coke formation and stability in differential reactor tests (performed at three different temperatures) was used in the validation of kinetic equations, as well as in the packaging of a multiprocessing integral reactor (test carried out at one condition of flow rate, molar ratio and temperature - the one that presented the best result in the differential test). In the integral reactor tests, measurements were made of the axial profiles of temperature in the bed and the effluent composition of the reactor. These data were used in the validation of mathematical models of multiprocessing reactor. After the modeling, some parameters were optimized and then reinserted in the model and applied in long-term tests using the sol-gel catalyst. The results for hydrogen production in these tests were then applied to determine the power of a PEM-type fuel cell fed with that stream. The value obtained for the power was approximately 5 W