VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DE OPERAÇÃO

A Figura 5.3 a seguir mostra a vazão de saída dos componentes da reação em cada temperatura de operação.

Figura 5.3: Vazões de saída dos componentes em diferentes temperaturas.

Como pode ser observado, a produção de gás hidrogênio aumenta consideravelmente com o aumento da temperatura. Até a faixa de temperatura de 500K não foi possível notar conversão de metano. Porém, em 550K, a reação começa a apresentar conversões de metano, aumentando rapidamente o rendimento a partir desta temperatura. Próximo de 1000K percebe-se claramente que o aumento na conversão de metano diminui, chegando muito próximo do equilíbrio ao atingir 1100K. No entanto, caso a produção de monóxido de carbono necessite ser baixa, pode se tornar necessário a utilização de temperaturas menos elevadas. Em torno de 850K, por exemplo, a produção de gás hidrogênio cai pela metade, mas ocorre uma redução de cerca de 80% da produção de monóxido de carbono. Se avaliarmos a razão de produção de hidrogênio pela produção de monóxido de carbono neste ponto, teríamos um valor 2,5 vezes maior em relação à reação ocorrendo à temperatura de 1100K.

A Figura 5.4 a seguir ilustra a conversão de metano nas mesmas condições do gráfico anterior. Este gráfico facilita o entendimento da influencia da temperatura na reação, apresentando conversões de metano superiores a 95% em temperaturas próximas a 1100K. Fica nítido também a não ocorrência de conversão até que o sistema alcançar aproximadamente 540K.

Figura 5.4: Conversão de metano em diferentes temperaturas, razão vapor carbono 2:1

5.2.2 VARIAÇÃO DA PRESSÃO DE OPERAÇÃO:

A Figura 5.5 a seguir mostra a conversão de metano sofrendo influência simultânea de variações da pressão de operação e da razão entre a vazão de entrada de vapor e a vazão de entrada de metano.

Neste estudo de caso foi simulada a variação de pressão em quatro razões diferentes de vapor por carbono a 1000K. Foi possível notar que a influência da pressão não muda em diferentes razões de entrada de vapor por metano, mantendo sempre a mesma tendência de diminuição da conversão de metano com o aumento da pressão. Por esta análise, observamos que se pode utilizar a pressão de 1 atm mantendo uma alta conversão de metano. Isso é eficiente no ponto de vista energético, visto que o fato de a reação ocorrer à pressão atmosférica poupa o trabalho de pressurizar ou despressurizar para que a reação seja realizada.

As Figuras 5.6 e 5. seguintes mostram a produção de gás hidrogênio e monóxido de carbono sofrendo influência simultânea da variação de pressão e temperatura de operação.

Figura 5.6: Influência de temperatura e pressão na produção de hidrogênio.

Figura 5.7 – Influência de temperatura e pressão na produção de hidrogênio.

Pelas simulações ilustradas nas Figuras 5.6 e 5.7 podemos perceber que a reação claramente só ocorre em níveis relevantes em altas temperaturas. O aumento da pressão não surte

efeito quanto à conversão de metano em temperaturas abaixo de 500K. No entanto, em temperaturas mais altas pode-se notar que o aumento da pressão causa a diminuição da produção de gás hidrogênio e de monóxido de carbono. Analisando estes gráficos vemos que nessas condições não há razão para que a reação ocorra em altas pressões, visto que isso acarretaria em um consumo extra de energia.

5.2.3 VARIAÇÃO DA RAZÃO ENTRE A VAZÃO DE ENTRADA DE VAPOR E METANO

Na Figura 5.8 encontram-se as vazões de saída do reator referentes a cada componente da reação sob o efeito da variação da razão entre a vazão de entrada de vapor pela vazão de entrada de metano. A simulação foi realizada a 1100K e 1 atm.

Na Figura 5.9 pode-se observar a influência de variações na razão entre vazão de entrada de vapor e vazão de entrada de metano (V:C) sobre a conversão de metano.

Figura 5.9: Conversão de metano para diferentes razões V:C a 1100K.

Nos últimos dois gráficos foi possível notar que a conversão de metano, e consequentemente a produção de gás hidrogênio, aumentam com o aumento da vazão de entrada de vapor em relação a razão de entrada de metano. Nota-se, porém, que o aumento da conversão diminui após o valor da razão ultrapassar a unidade. Isso pode ser facilmente compreendido pelo fato de que a partir deste ponto o reagente limitante passa a ser o metano, e a vazão de vapor continua aumentando, o que contribui para facilitar a formação dos produtos, mas não aumenta o potencial teórico de formação de produto, já que o aumento esta ocorrendo apenas com um reagente em excesso.

5.2.4 VARIAÇÃO DA TEMPERATURA CONFORME A MISTURA REACIONAL PERCORRE A MASSA DE CATALISADOR

Na Figura 5.10 podemos observar o desempenho da reação ocorrendo em um reator não isotérmico, com a temperatura aumentando ao longo do catalisador de 990 K para 1140 K. A temperatura do reator foi aumentada como um degrau de 50K, ou seja, a cada salto na vazão de saída de componente representa uma temperatura do reator.

Figura 5.10: Vazões de saída dos componentes para reator não isotérmico de 990 a 1140K.

Neste gráfico consta o desempenho de um caso em que a temperatura aumenta em quatro degraus, começando em 990K, indo ate 1040K após a reação percorrer 25% do catalisador, 1090K após alcançar 50% do catalisador e indo a 1140K em 75% do catalisador e percorrendo os últimos 25% do catalisador nesta temperatura. No gráfico constam também duas simulações da produção de gás hidrogênio em reator isotérmico. Uma a 990K, estando abaixo da curva referente à simulação em um reator não isotérmico, e acima desta curva uma a 1140K. Pelo gráfico podemos observar que ao final da massa de catalisador a produção de hidrogênio no reator não isotérmico alcança a produção ocorrendo na temperatura mais alta durante todo o reator. Isso indica que uma possibilidade para reduzir o consumo de energia no processo seja a utilização de aquecimento ao longo do processo.

A Figura 5.11 ilustra o estudo de um reator não isotérmico, porém com temperatura decrescendo de 1140 K para 990 K.

Figura 5.11: Vazões de saída dos componentes para reator não isotérmico de 1140 a 990K.

5.3 OTIMIZAÇÃO

5.3.1 OTIMIZAÇÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO SEM RESTRIÇÕES

A Tabela 5.1 contém as iterações utilizadas pelo software para chegar a uma estimativa inicial mais próxima do valor ótimo para o catalisador com 2000 gramas de massa.

Tabela 5.1: Iterações da primeira simulação, para massa de catalisador 1000g.

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

0,2 0,8 778,46047 10.000,287

0,2 0,8 778,48289 10.002,287

0,2 0,8 800,88444 12.090,565

0,2 0,8 1100 29.177,327

Esta primeira etapa com metade da massa de catalisador foi realizada apenas para que tivéssemos uma boa estimativa inicial para iniciar a otimização. Tal procedimento teve como objetivo reduzir o tempo que seria perdido caso a otimização fosse realizada com a massa total de catalisador e com uma estimativa muito longe do valor ótimo.

Na Tabela 5.2 seguinte estão as condições ótimas encontradas pelo software para este sistema reacional.

Tabela 5.2: Iterações da segunda simulação, para massa de catalisador 2000g.

A otimização ocorreu com apenas uma tentativa, já que a estimativa inicial era exatamente esta. O resultado obtido foi o que se era esperado, pois em um caso sem nenhuma restrição e baseado nos resultados que já vimos nos estudos de caso, as condições ótimas de operação claramente seriam as de temperatura mais alta, pressão mais baixa e razão metano/vapor na entrada do reator mais baixa, levando à máxima produção de gás hidrogênio.

5.3.2 OTIMIZAÇÃO DA RAZÃO HIDROGÊNIO PARA MONÓXIDO DE CARBONO