Trabalho de Conclusão de Curso “Dimensionamento do reator e simulação do processo para obtenção de hidrogênio a partir da reação de reforma a vapor do etanol.” Aluno: José Ricardo Bernardino Viana RA:044308 Supervisor: Sergio Persio Ravagnani Campinas – SP julho de 2013 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Química Coordenação de Graduação
43
Embed
Dimensionamento do Reator e Simulação do Processo de Obtenção de Hidrogênio a partir da reação de reforma a vapor do Etanol
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Trabalho de Conclusão de Curso
“Dimensionamento do reator e simulação do
processo para obtenção de hidrogênio a partir
da reação de reforma a vapor do e tanol.”
Aluno: José Ricardo Bernardino Viana RA:044308 Supervisor: Sergio Persio Ravagnani
Campinas – SP julho de 2013
Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Química
Coordenação de Graduação
2
Declaro que o trabalho apresentado é de minha autoria e que as partes que não o são foram devidamente
citadas e referenciadas.
__________________________ José Ricardo B. Viana
3
Agradecimentos
A Deus, minha mãe Irma, meu pai Bid, minha irmã Lígia, meu irmão Bidinho, minha
namorada Ana Paula, meus sobrinhos Matheus, Guilherme e Yasmin, meu cunhado
Espeto, minha cunhada Gracieli, meus amigos Igor e Gustavo, para a minha Tanabi,
todos os professores desde a Prof. Maria do Carmo (Pré-Escola) até o Prof. Sérgio
(Supervisor deste TCC), para o meu grupo de Projeto Químico e para todos outros
aqueles que de algum modo contribuíram para o meu aprendizado.
Homenagens às vovós Francisca e Cecília, ao avô José Rosa, aos tios Sérgio e
Admirson que se foram deixando uma imensa saudade, mas que com certeza me
protegeram e me guiaram por toda esta caminhada que foi árdua, mas que, se fosse
preciso, faria tudo exatamente da mesma maneira que foi feita.
6 Memória de cálculo.......................................................................................................... 24 6.1 Dimensionamento do reator .................................................................................... 24 6.1.1 Variação do volume devido à reação ................................................................... 24 6.1.2 Taxa de reação..................................................................................................... 24 6.1.3 Entalpia de reação e calores específicos ............................................................. 25 6.1.4 Velocidade mássica.............................................................................................. 26 6.1.5 Massa específica do leito ..................................................................................... 27 6.1.6 Viscosidade e massa específica do gás............................................................... 27 6.1.7 Sistema de equações diferenciais ordinárias ....................................................... 27 6.2 Simulação no Aspen HYSYS .................................................................................. 28 6.2.1 Equação da taxa................................................................................................... 28 6.2.2 Conversão ............................................................................................................ 29
7 Resultados e Discussão .................................................................................................. 29 7.1 Dimensionamento do reator..................................................................................... 29 7.1.1 Resolução do sistema de EDO’s .......................................................................... 29 7.1.2 Massa de catalisador ............................................................................................ 31 7.2 Simulação ................................................................................................................ 31 7.2.1 Pressão de entrada............................................................................................... 31 7.2.2 Temperatura de entrada ....................................................................................... 32 7.2.3 Razão molar de alimentação ................................................................................ 33 7.2.4 Perfis do reator ..................................................................................................... 34 7.2.5 Conversão ............................................................................................................ 38 8 Conclusão........................................................................................................................ 38 9 Referências Bibliográficas ............................................................................................... 40
5
1 Resumo
Neste trabalho, primeiramente foi realizado o dimensionamento teórico de um
reator de leito de recheio (PBR) para a produção de hidrogênio a partir da reação de
reforma a vapor do etanol. Para a resolução do sistema de equações diferenciais obtido
foi utilizado o software Microsoft Excel. Com as especificações do reator obtidas nesse
dimensionamento, simulou-se o processo no software Aspen HYSYS. Ao final, foi
realizada uma análise da influência dos parâmetros operacionais visando uma maior
conversão do etanol. Como resultados, alcançou-se 99,00% (em mol) de conversão de
etanol a uma temperatura de 600 ºC e uma razão de alimentação de 1:9 (etanol:água).
2 Objetivo
Realizar o dimensionamento do reator, simular uma planta química para a
produção de hidrogênio a partir da reação de reforma a vapor do etanol utilizando o
software Aspen Hysys® e analisar a influência de parâmetros operacionais (temperatura e
razão de alimentação dos reagentes), visando obter uma maior conversão do etanol em
hidrogênio.
3 Nomenclatura
Símbolo Descrição Unidade Ac Área da secção transversal cm² Ci Concentração molar da espécie i mol/cm³ Cpi Calor específico da espécie i J/(mol.K) Dp Diâmetro da partícula de catalisador cm dj/ds Equação diferencial da variável j em relação à variável s [ j ]/[s] Ea Energia de ativação J/mol Fi Vazão molar da espécie i mol/s Gi Velocidade mássica da espécie i g/(cm².s) h Passo do Método de Euler cm k Fator de frequência de colisão mol/(s.g-cat.atm3,42) Ki Fator pré exponencial da constante cinética mol/min/mg/atm Mi Massa molar da espécie i g/mol Ni Taxa de fluxo molar da espécie i kmol/s ni Número de mols da espécie i mol P Pressão atm Pi Pressão parcial da espécie i atm R Constante universal dos gases 8,3144 J/(mol.K) -(ri) Taxa de reação da espécie i mol/(s.g-cat) T Temperatura K TR Temperatura de referência K
6
t Tempo s Vleito Volume do gás cm³ Vgás Volume do leito cm³ W Massa de catalisador g Xi Conversão da espécie i adimensional z Comprimento do reator cm ∆Cp Calor específico médio da espécie i na temperatura T J/(mol.K)
PC∆ Calor específico médio da espécie i entre TR e T J/(mol.K) ∆H0
Rx Entalpia de reação na temperatura de referência TR J/mol ∆HRx Entalpia de reação na temperatura T J/mol ε Variação do volume devido à reação mol φ Porosidade adimensional µi Viscosidade da espécie i g/(cm.s) µ0 Viscosidade do gás g/(cm.s) νi Coeficiente estequiométrico da espécie i adimensional θi Razão molar de alimentação com relação à espécie i mol/mol ρi Massa específica da espécie i g/cm³ ρb Massa específica do leito g/cm³ ρc Massa específica do catalisador g/cm³ ρ0 Massa específica do gás g/cm³ Subscritos A Etanol - B Água - C Dióxido de carbono - D Hidrogênio -
4 Introdução
4.1 Apelo ambiental
O clima sempre mudou ao longo da história do mundo, mas de maneira natural
onde o próprio sistema climático da Terra se equilibrava. Era em que se acreditava.
Porém, nas últimas duas décadas, as mudanças ocorridas no clima passaram a fazer
parte da pauta de discussão entre alguns cientistas que concluíram que a influência sobre
as mudanças climáticas não são exclusividade da natureza. A humanidade, a partir de
seus diversos movimentos civilizatórios, tem provocado tais mudanças devido a sua
relação com o meio ambiente (GOMES, 2005).
No fenômeno natural conhecido como efeito estufa, gases como vapor d’água,
metano e dióxido de carbono são capazes de reter uma parte da energia solar que entra
na atmosfera. Este fenômeno é vital para a humanidade, pois sem ele, a temperatura do
planeta Terra seria cerca de 30 ºC menor, mas a emissão desses gases vem
7
aumentando, intensificando a ação do efeito estufa e, consequentemente, aumentando a
temperatura global (TOMAZ, 2008).
Esse aumento da temperatura do planeta é consequência de ações humanas,
especialmente tomadas a partir da Revolução Industrial, no século XVIII. Ela promoveu
um salto tecnológico e o crescimento das civilizações como nunca vistos antes,
impulsionando também uma taxa inédita e perigosa de poluição e degradação da
natureza. A partir daí, a indústria floresceu baseada na queima de carvão e petróleo, duas
fontes de energia não renováveis que movimentam usinas, indústrias e economias
gigantescas, como a dos Estados Unidos, da Europa e da China. Contudo, com a queima,
o carvão e o petróleo liberam no ar volumes gigantescos de dióxido de carbono
(ENERGIAS RENOVÁVEIS CONTRA O AQUECIMENTO GLOBAL, 2010).
O dióxido de carbono é responsável por mais de 60 % do aumento do efeito estufa.
Segundo estudiosos, o nível deste gás variou menos que 10% durante os 10 mil anos que
precederam o período de industrialização. Já nos 200 anos que a sucederam, os níveis
deste gás ultrapassaram 30% de crescimento. Mesmo com os oceanos e a vegetação
terrestre tendo absorvido metade das emissões humanas de dióxido de carbono, o nível
de dióxido de carbono da atmosfera continua a aumentar 10% a cada 20 anos (GOMES,
2005).
Segundo a Nasa (agência espacial norte-americana) anunciou no início de 2010, a
década que terminou em 31 de dezembro de 2009 foi a mais quente já registrada desde
1880, ano em que a moderna medição de temperaturas ao redor do planeta começou. A
mesma década também teve os dois anos de maior intensidade de calor em mais de um
século, 2005, o mais quente do período, e 2009, o segundo mais quente (2009: SECOND
WARMEST YEAR ON RECORD; END OF WARMEST DECADE, 2010).
Os combustíveis fósseis, como petróleo e carvão, além de submeterem os países à
instabilidade de preços e gerarem resíduos que comprometem as condições ambientais,
um dia estarão esgotados. Assim, torna-se atrativa a busca de rotas alternativas para
geração de energia. Entre estas, destaca-se o uso de biomassa vegetal para produção de
álcool e biodiesel. Estes podem ser usados diretamente em motores à combustão ou no
caso do álcool, como fonte de hidrogênio para células a combustível, gerando energia
elétrica (MAIA et al., 2007).
A produção de hidrogênio através da reforma a vapor de hidrocarbonetos e alcoóis
pode favorecer o uso deste gás como uma alternativa aos atuais combustíveis de origem
fóssil, além de remover a dificuldade de estocagem e distribuição. A reforma a vapor do
metanol tem sido amplamente estudada já há alguns anos, enquanto que os estudos a
8
respeito da reforma a vapor de etanol têm aumentado apenas nesta última década (MAIA
et al., 2007).
O uso do etanol, obtido no Brasil, através da cana-de-açúcar, matéria-prima
renovável, apresenta vantagens do ponto de vista ambiental, pois, não contribui com o
aumento da concentração de CO2 na atmosfera, tendo em vista que todo o CO2 produzido
ao longo do processo de geração de hidrogênio é, posteriormente, consumido na
renovação da safra, pois fecha o ciclo do carbono (MAIA et al., 2007).
4.2 O combustível hidrogênio
Todo o combustível pode libertar uma porção fixa de energia quando reage com o
oxigênio para formar água. Esta quantidade de energia é medida experimentalmente e
quantificada através do que é designado por poder calorífico superior e poder calorífico
inferior. A diferença entre o poder calorífico superior (HHV) e o poder calorífico inferior
(LHV) é o calor de vaporização e representa a quantidade de energia necessária para
vaporizar o combustível de líquido para combustível gasoso, assim como a energia
necessária para converter a água em vapor (SANTOS; SANTOS, 2005).
Tabela 1: Poder calorífico de diferentes combustíve is
Fonte: Extraída de (Santos; Santos, 2005).
O hidrogênio tem a mais alta energia por unidade de peso comparativamente com
qualquer combustível, uma vez que o hidrogênio é o elemento mais leve e não tem os
pesados átomos do carbono. É por esta razão que o hidrogênio tem sido usado
intensamente nos programas espaciais onde o peso é crucial.
Através da Tabela 1, pode-se observar que a quantidade de energia liberada
durante a reação do hidrogênio é cerca de 2,5 vezes do poder de combustão de um
9
hidrocarboneto (gasolina, gasóleo, metano, propano). Assim, para satisfazer um consumo
energético, a massa de hidrogênio necessária é apenas aproximadamente uma terça
parte da massa de um hidrocarboneto. A alta energia contida no hidrogênio também
implica que a energia de explosão do gás hidrogênio seja aproximadamente 2,5 vezes a
dos hidrocarbonetos normais. Logo, para a mesma massa as explosões do gás
hidrogênio são mais destrutivas e mais rápidas.
A partir da primeira crise petrolífera, na década de 70, passou-se a considerar o
hidrogênio como uma possível fonte alternativa de energia, através da conversão
eletroquímica, usando células de combustível, que até então tinham como grande
aplicação prática a utilização em missões espaciais. O hidrogênio pode ser considerado
como uma fonte de energia intermediária, sendo necessário produzi-lo, transportá-lo e
armazená-lo antes de usar. O hidrogênio é um combustível leve, mas com baixa
densidade de massa por m³ (SANTOS; SANTOS, 2005).
O hidrogênio é uma fonte de energia que pode ser produzida a partir de inúmeras
fontes. Podendo ser extraído a partir de matérias-prima não-renováveis como
combustíveis fósseis (gás natural, carvão e petróleo), como também a partir de matérias-
prima renováveis como etanol, metanol, energia solar, hidroelétricas e dos ventos.
Quando extraído a partir de matérias-prima de origem renovável, os benefícios do
uso do hidrogênio para geração de energia em células a combustível incluem zero de
emissões, as quais irão proporcionar um ar mais limpo e uma redução das emissões dos
gases responsáveis pelo efeito estufa. Também podendo ser alcançada, a médio e longo
prazo, independência energética pela importação de petróleo pela nação através
utilização da tecnologia de células a combustível. Quando a tecnologia das células a
combustível estiver plenamente desenvolvida com relação a custos e eficiência de uso, irá
revolucionar a maneira como as nações são alimentadas energeticamente (Learn about
Hydrogen Alternative Fuel and Energy, 2010).
4.3 Células a combustível A tecnologia de células a combustível tem sido usada há muitos anos para gerar
energia elétrica em veículos espaciais e como geradores de emergência. A eletricidade é
produzida através da reação química entre hidrogênio e oxigênio sendo que essa reação
não produz emissões prejudiciais ao meio ambiente. Para efeito de armazenagem, o
hidrogênio pode ser estocado em tanques pressurizados. A eletricidade produzida pela
reação química é então armazenada em baterias ou em super capacitores e, então, pode
10
ser usada para movimentar motores elétricos de veículos, na Figura 1, pode ser visto um
carro que usa hidrogênio como combustível.
Veículos movidos com energia gerada a partir do hidrogênio em células a
combustível irão ajudar a reduzir o consumo de combustíveis fósseis e imediatamente
reduzir as emissões de gases estufa. As células a combustível são altamente eficientes,
mas como o hidrogênio tem baixa densidade às condições ambientes, é necessário
energia para comprimi-lo ou liquefazê-lo para seu transporte em veículos ou
armazenamento em tanques o que aumentar o custo do combustível. Assim, as células a
combustível atuais apresentam uma fabricação dispendiosa e uma alta fragilidade. Por
isso, altos investimentos estão sendo feitos em pesquisas para o desenvolvimento de
novos produtos que possam apresentar um custo mais baixo e uma durabilidade maior.
(Learn about Hydrogen Alternative Fuel and Energy, 2010).
Figura 1 : Carro de marca OPEL (modelo Zafira) da General Motors apresentado na Feira de Hannover (2003) que usa como combustível o hidrogênio.
Fonte: Extraída de (SANTOS; SANTOS, 2005).
4.4 Etanol
11
Atualmente, a reforma a vapor do gás natural e frações leves do petróleo são
largamente usadas na indústria para produzir hidrogênio. Entretanto, a forte dependência
de combustíveis fósseis tem causado vários problemas ambientais, como emissão de
poluentes do ar e gases causadores do efeito estufa, como já mencionado anteriormente,
chuva ácida e o esgotamento dos recursos naturais. Conseqüentemente, a produção de
hidrogênio a partir de uma matéria-prima renovável tem atraído interesses consideráveis
(MUROYAMA et al., 2010).
Dentre os candidatos de origem renovável para a produção de hidrogênio, o etanol
produzido pela fermentação da biomassa oferece algumas vantagens, como uma alta
biodegradabilidade, baixa toxicidade quando comparado ao metanol ou combustíveis
hidrocarbonetos convencionais e segurança no manuseio, transporte e armazenamento
(MUROYAMA et al., 2010) e (AKANDE et al., 2006).
Desta maneira, a reação de reforma a vapor do etanol tem sido considerada, em
estudos recentes, como uma possível tecnologia alternativa para fornecer hidrogênio para
geração de energia elétrica em células a combustível para uso residencial e aplicações
industriais. Outro fator que explica este grande interesse no etanol é o rápido
desenvolvimento da indústria do bio-etanol com um cenário do etanol sendo
massivamente produzido da biomassa e entregue diretamente pela existente infra-
estrutura de distribuição de combustível. (CAI et. al, 2010).
Como o etanol pode produzir relativamente um alto rendimento de hidrogênio e por
sua origem renovável, está sendo considerado uma das matérias-primas mais
promissoras para a produção de hidrogênio (ZHANG et al., 2008).
Em se tratando de Brasil, seguem alguns motivos para o uso do etanol como fonte
de produção de hidrogênio:
• O Brasil é o maior produtor mundial de cana de açúcar e o segundo maior produtor
de etanol do mundo, só ficando atrás dos EUA.
• Desde 1975 o bio-etanol é utilizado regularmente como combustível para veículos
e como aditivo na gasolina (~25%).
• O uso de biocombustíveis é considerado uma das mais efetivas iniciativas para a
redução das emissões de CO2 no setor de transporte em todo mundo.
• O balanço de CO2 nesta aplicação é de aproximadamente zero, ou seja, quase
todo o CO2 produzido é consumido.
• Balanço energético do etanol de cana / etanol de milho, 7:1,3 (SILVA, 2007).
12
4.5 Reação de reforma a vapor do etanol
A reforma a vapor é o processo mais empregado para produção de hidrogênio na
indústria. Especificamente, a reforma a vapor do etanol consiste numa uma reação
catalítica entre o etanol e a água superaquecida gerando dióxido de carbono e hidrogênio.
(SILVA et al., 2005).
Segundo Akande et al., a reação de reforma a vapor do etanol é endotérmica, ou
seja, consome energia durante a reação e pode ser representada pela Equação 1: