Modelagem e simulação de um reator de leito fixo para produção de gás de síntese a partir da reforma a seco do metano

Abstract

O crescente aumento da preocupação com o aquecimento global e a necessidade de substituir a utilização de combustíveis fósseis faz com que rotas tecnológicas que mitigam esses problemas sejam cada dia mais conhecidas e estudadas. Nesse aspecto, a reforma a seco do metano se coloca como uma alternativa extremamente atrativa, pois reage dois dos principais gases causadores do efeito estufa, o metano e o dióxido de carbono, com o intuito de formar produtos de maior valia, tais como combustíveis derivados da síntese de Fischer-Tropsch e o metanol. Todavia, esta rota ainda não é utilizada no âmbito industrial devido as suas condições complicadas de operação e da alta taxa de desativação dos catalisadores comercialmente utilizados. O presente trabalho teve como objetivo a implementação de um modelo matemático que represente de maneira adequada o sistema, e com base neste, foram realizadas simulações no intuito de avaliar os parâmetros operacionais do sistema e suas influências, buscando otimizar o processo. O modelo desenvolvido foi implementado em linguagem Python e considerado unidimensional e em estado estacionário, incorporando um sistema de equações diferenciais ordinárias através dos balanços molares por componente, de quantidade de movimento e de energia. Os resultados obtidos foram coerentes com o esperado e descrevem de maneira assertiva o comportamento do sistema, tanto nas conversões obtidas, quanto nos perfis de temperatura e de queda de pressão. As análises referentes as variações da conversão de metano e dióxido de carbono em função dos parâmetros demonstram que o processo tem melhores rendimentos em maiores temperaturas e menores pressões, o que se justifica devido à alta endotermicidade da reforma e pelo aumento do número de mols de produtos em relação aos reagentes. Ademais, confirmou-se que uma alimentação mais rica em CO2 pode reduzir consideravelmente a quantidade de carbono sólido formado, caracterizando uma possível solução para o principal problema da reação e indo ao encontro do que se esperava a partir da teoria e da prática experimental. Conclui-se que o controle térmico e das condições da alimentação são fatores importantes para a otimização da produção e que o modelo construído representa uma ferramenta coerente e confiável para a análise do processo, permitindo uma rápida compreensão dos fenômenos que regem esta rota de produção do gás de síntese.

The increasing concern about global warming and the need to replace the use of fossil fuels mean that technological routes mitigating these problems are becoming more widely known and studied every day. In this regard, dry reforming of methane presents itself as an extremely attractive alternative, as it reacts two of the main greenhouse gases, methane and carbon dioxide, with the aim of forming higher-value products, such as fuels derived from Fischer Tropsch synthesis and methanol. However, this route is not yet used industrially due to its complex operating conditions and the high deactivation rate of commercially used catalysts. The present work aimed to develop a mathematical model that adequately represents the system, and based on this, simulations were carried out to evaluate the system's operational parameters and their influences, seeking to optimize the process. The model developed was implemented in Python and considered one-dimensional and in steady state, incorporating a system of ordinary differential equations through balances per component, momentum, and energy. The obtained results were consistent with expectations and assertively describe the system's behavior, both in terms of conversions obtained and temperature and pressure drop profiles. Analyses regarding the variations in methane and carbon dioxide conversion as a function of parameters demonstrate that the process has better yields at higher temperatures and lower pressures, which is justified by the high endothermicity of the reforming process and the increase in the number of moles of products relative to reactants. Furthermore, it was confirmed that a feed richer in CO2 can significantly reduce the amount of solid carbon formed, characterizing a possible solution to the main problem of the reaction and aligning with what was expected from theory and experimental practice. It is concluded that thermal control and feed conditions are important factors for production optimization, and that the constructed model represents a coherent and reliable tool for process analysis, allowing for a quick understanding of the phenomena governing this syngas production route.