OTIMIZAÇÃO DA RAZÃO HIDROGÊNIO PARA MONÓXIDO DE CARBONO UTILIZANDO PENALIZAÇÃO

No segundo estudo de otimização foi avaliada uma restrição para a produção mínima de hidrogênio, ao mesmo tempo em que se visava maximizar a razão entre hidrogênio e monóxido de carbono. Essa restrição, por meio de uma penalidade do valor de 10000 mol/h de hidrogênio, foi utilizada para evitar que o software levasse a produção de hidrogênio a níveis muito baixos na tentativa de minimizar o monóxido de carbono. Na Tabela 5.3 a seguir, tem-se o resultado da simulação para a primeira estimativa inicial, com 1000g de catalisador. Neste trabalho, chegou-se a um valor heurístico para a restrição, levando em conta que devia haver ao menos um mol de hidrogênio para cada mol de metano na entrada do reator.

Razão Metano/Vapor Pressão (atm) Temperatura (K) Vazão de H2 (mol/h)

Tabela 5.3: Iterações da primeira simulação, para massa de catalisador 1000 g.

O valor negativo da razão hidrogênio e monóxido de carbono ocorre devido à função penalidade. Podemos observar que a razão metano/vapor fixou-se na menor faixa permitida, ou seja, maximizando a quantidade de água na entrada. A pressão encontrada pelo otimizador ficou na mínima permitida, enquanto a temperatura foi aquela na qual atendia-se ao critério de penalização de produção de hidrogênio igual a 10000 mol/h.

Após a primeira estimativa, procedeu-se a simulação com a mesma massa de catalisador utilizada nos estudos de caso. Os resultados encontram-se na Tabela 5.4.

Pode-se observar que ocorreu um aumento da pressão de operação, levando a maximização da razão entre hidrogênio e monóxido de carbono. Pode-se compreender esta mudança ao se observar o fato de que a pressão influencia mais fortemente na produção de monóxido de carbono que de hidrogênio, desta forma, um aumento na pressão acarreta em um melhor resultado para a otimização.

Tabela 5.4: Iterações da segunda simulação, para massa de catalisador 2000g.

Razão Metano/Vapor Pressão (atm) Temperatura (K) Razão H2/CO H2(mol/h) CO (mol/h)

0,2 0,8 778,46047 14,364653 10.000 696,153259 0,2 0,8664517 778,55634 -116,43633 - - 0,2 0,8066452 778,47006 1,1007734 10.000 9084,521846 0,2 0,8006645 778,46143 13,291574 10.000 752,3563424 0,2 0,8000665 778,46057 14,365292 10.000 696,1222925 0,2 0,8001263 778,46065 14,365867 10.000 696,0944299 0,2 0,8001365 778,46067 14,365966 10.000 696,089633

As figuras 5.12 e 5.13 a seguir apresentam uma comparação entre os valores encontrados na simulação original e nos dois casos de otimização.

Pode-se observar que a otimização sem restrições é a que busca condições mais extremas e consequentemente produz o maior valor de hidrogênio, sendo esta também a do maior valor absoluto de monóxido. Já a otimização com restrição busca trazer as condições operacionais para um valor mais intermediário, levando a saída de monóxido a um valor bastante pequeno, ideal para quando a corrente de saída do reformador for utilizada em um processo que demanda baixa concentração de monóxido de carbono.

Razão Metano/Vapor Pressão (atm) Temperatura (K) Razão H2/CO H2 (mol/h) CO (mol/h)

0,2 0,8 778,46047 17,99481 10.000 555,71579 0,2 0,9377164 778,45895 19,946777 10.000 501,33413 0,2 2,9753494 778,43649 -1597,2999 - - 0,2 1,1414797 778,45671 22,653209 10.000 441,43856 0,2 1,540999 778,4523 11,154736 10.000 896,4802 0,2 1,5312531 778,45241 26,772955 10.000 373,51125 0,2 1,5203317 778,45253 27,132691 10.000 368,55909 0,2 1,5274438 778,45245 27,210501 10.000 367,50518 0,2 1,5297663 778,45243 27,235863 10.000 367,16296 0,2 1,614891 778,46284 -103,23334 - - 0,2 1,5303732 778,4525 27,242463 10.000 367,07401 0,2 1,538825 778,45353 14,734487 10.000 678,67989 0,2 1,5312184 778,4526 26,845421 10.000 372,50301 0,2 1,5305411 778,45252 27,244288 10.000 367,04942 0,2 1,5306088 778,45253 27,245025 10.000 367,03949 0,2 1,5306698 778,45254 27,245687 10.000 367,03057 0,2 1,5307246 778,45254 27,246284 10.000 367,02253 0,2 1,530774 778,45255 27,246821 10.000 367,01529 0,2 1,5308185 778,45255 27,247304 10.000 367,00879 0,2 1,5308584 778,45256 27,247739 10.000 367,00293 0,2 1,5308944 778,45256 27,24813 10.000 366,99766 0,2 1,5309268 778,45257 27,248482 10.000 366,99292 0,2 1,5309822 778,45257 27,222368 10.000 367,34497 0,2 1,530956 778,45257 27,248799 10.000 366,98865 0,2 1,5325716 778,45277 24,686757 10.000 405,07548 0,2 1,5309721 778,45257 27,238467 10.000 367,12786 0,2 1,5311176 778,45259 27,006385 10.000 370,28281 0,2 1,5309576 778,45257 27,248817 10.000 366,98841

Figura 5.12: Comparação entre as vazões de saída de hidrogênio para o caso original e otimizações, com e sem restrição.

Figura 5.13: Comparação entre as vazões de saída de monóxido de carbono para o caso original e otimizações, com e sem restrição

CAPÍTULO 6 CONCLUSÃO

6.1 CONCLUSÕES

Neste trabalho foi obtido êxito ao implementar um modelo de simulação no software livre Scilab® _{de produção de gás hidrogênio a partir da reforma a vapor do metano. O modelo utilizado}

apresentou comportamento semelhante ao que se esperava para esta reação, mesmo utilizando-se um software aberto. Isso mostra que há alternativas viáveis para as universidades brasileiras e de outros países em desenvolvimento, que por falta de recursos não podem fornecer para seus alunos

softwares mais específicos e completos. O Scilab® _{é uma plataforma que oferece a estudantes}

destas condições oportunidades de desenvolver estudos e trabalhos relevantes e com variados graus de complexidade, sendo uma ferramenta importante para complementar sua formação.

A partir deste modelo realizou-se diversos estudos de caso, possibilitando analisar o comportamento da reação em diversas condições operacionais. Temperatura, pressão e razão entre as vazões de entrada dos reagentes foram as principais variáveis observadas nos estudos de caso, havendo inclusive a possibilidade de analisar o efeito de mais de uma variável em uma única simulação. Compararam-se os resultados obtidos na simulação com aqueles presentes na literatura para verificação da validade do modelo. Após essa etapa, foi feita uma análise bastante completa a respeito do comportamento das variáveis do processo. Essa etapa foi importante para que se pudesse julgar adequadamente se os resultados da otimização eram razoáveis.

Um código para otimização foi elaborado com o intuito de fornecer as melhores condições para a que a reação fosse realizada. Foi possível obter as condições que maximizariam a

produção de gás hidrogênio. Também foi bem-sucedida a otimização do processo visando a maximização da razão entre a vazão de saída de gás hidrogênio pela vazão de saída de monóxido de carbono, na tentativa de buscar condições de processo que gerassem menor emissão de um produto indesejado da reação ao mesmo tempo em que produzissem uma quantidade satisfatória de gás hidrogênio. Esse tipo de condição tem relevância quando a reforma a vapor vem seguida de algum processo que necessite de hidrogênio com baixo teor de determinado componente.

O otimizador implementado levou as condições na otimização sem restrição para os patamares extremos permitidos, ou seja, razão metano para vapor igual a 0,2, pressão igual a 1 atm e temperatura de 1100 K, gerando uma produção de hidrogênio em relação a metano aproximadamente 3:1. Por outro lado, na otimização com restrição, com a produção de hidrogênio fixada no valor da penalização de 10000 mol/h, chegou-se com o otimizador a razão metano para vapor de 0,2, pressão de operação de 1,53 atm e temperatura de 778,45 K, chegando- se a uma produção de hidrogênio 27,25 vezes maior que a produção de monóxido de carbono. Em suma: utilizando-se a otimização do processo pode-se obter, em tese, as condições operacionais adequadas para variadas restrições, o que mostra a importância desta ferramenta.