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https://tede.unioeste.br/handle/tede/6887
Tipo do documento: | Tese |
Title: | Modelagem matemática e simulação da reforma a seco do metano catalisada por Ni/Si-MCM-41 |
Other Titles: | Mathematical modeling and simulation of dry methane reforming catalyzed by Ni/Si-MCM-41 |
Autor: | Nakajima, Evandro Alves ![]() |
Primeiro orientador: | Borba, Carlos Eduardo |
Primeiro coorientador: | Alves, Helton José |
Primeiro membro da banca: | Módenes, Aparecido Nivaldo |
Segundo membro da banca: | Silva, Edson Antônio da |
Terceiro membro da banca: | Luz Junior, Luiz Fernando de Lima |
Quarto membro da banca: | Brackmann, Rodrigo |
Resumo: | O processo de reforma a seco (RSM) do metano emerge como uma tecnologia promissora para a geração de energia limpa e renovável, utilizando gases de efeito estufa (CH4 e CO2) para criar um gás de síntese composto predominantemente por H2 e CO. Esse método requer temperaturas elevadas (600-1200 °C), tornando essencial a utilização de catalisadores para otimizar a eficiência energética. Na literatura, catalisadores base de níquel (Ni) se destacam pela elevada atividade catalítica, acessibilidade econômica e ocorrência natural. A expansão para reatores de maior porte e a produção em escala significativa de hidrogênio exigem a análise da cinética da reação e a aplicação de modelagem matemática. Pesquisas recentes ressaltam o desempenho do catalisador Ni/Si-MCM-41, alcançando conversões superiores a 98% para CH4 e CO2 a 800 °C. Nesse contexto, o presente estudo investigou seis modelos de lei de velocidade, contemplando abordagens irreversíveis e reversíveis de potência, além dos modelos de Langmuir-Hinshelwood (LH) e Eley-Rideal (ER). Para atingir esse objetivo, experimentos reacionais de RSM foram executados em um reator de leito fixo. O estudo abrangeu uma faixa de temperaturas de 873-973 K, vazões volumétricas da mistura variando de 300 a 600 ml/min, mantendo composição de alimentação (CH4/CO2, 1:1) e pressão constante (1 bar). Entre os modelos avaliados, o modelo reversível de LH demonstrou o melhor desempenho, evidenciado por coeficientes de determinação superiores a 0,9. Um modelo matemático pseudo-homogêneo foi desenvolvido para descrever a RSM em reatores de leito fixo. As simulações realizadas com o modelo pseudo-homogêneo e os parâmetros estimados para cinética mostraram que o modelo descreve bem a reforma a seco do metano, principalmente quando acoplada a reação de water-gas-shift reversa. Além destes resultados, foi desenvolvido o DRMSimulator, um software implementado em linguagem de programação Java, focado no modelo pseudo-homogêneo. Através dessa ferramenta, foi possível simular a conversão de metano nas condições experimentais, alcançando coeficientes de determinação superiores a 0,9 para os modelos de potência. |
Abstract: | Methane dry reforming process (RSM) emerges as a promising technology for generating clean and renewable energy, using greenhouse gases (CH4 and CO2) to create a synthesis gas predominantly composed of H2 and CO. This method requires high temperatures (873-1473 K), making the use of catalysts essential to optimize energy efficiency. In the literature, (Ni)-based catalysts stand out for their high catalytic activity, economic accessibility and natural occurrence. Expansion to larger reactors and significant scale production of hydrogen require analysis of reaction kinetics and the application of mathematical modeling. Recent research highlights the performance of the Ni/Si-MCM-41 catalyst, achieving conversions greater than 98% for CH4 and CO2 at 1023 K. In this context, the present study investigated six rate law models, covering irreversible and reversible power approaches, in addition to the Langmuir-Hinshelwood (LH) and Eley-Rideal (ER) models. To achieve this objective, RSM reaction experiments were performed in a fixed bed reactor. The study covered a temperature range of 873-973 K, volumetric flow rates of the mixture varying from 300 to 600 ml/min, maintaining feed composition (CH4/CO2, 1:1) and constant pressure (1 bar). Among the models evaluated, the reversible LH model demonstrated the best performance, evidenced by coefficients of determination greater than 0.9. A pseudo-homogeneous mathematical model was developed to describe the RSM in fixed-bed reactors. The simulations carried out with the pseudo-homogeneous model and the estimated parameters for kinetics showed that the model describes well the dry reforming of methane, especially when coupled to the reverse water-gas-shift reaction. In addition to these results, DRMSimulator was developed, a software implemented in Java programming language, focused on the pseudo-homogeneous model. Using this tool, it was possible to simulate methane conversion under experimental conditions, achieving coefficients of determination greater than 0.9 for the power models. |
Keywords: | Modelagem matemática Reforma à seco Cinética de reação DRMSimulator Mathematical modeling Dry reforming Reaction kinetics DRMSimulator |
CNPq areas: | ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Publisher: | Universidade Estadual do Oeste do Paraná |
Sigla da instituição: | UNIOESTE |
Departamento: | Centro de Engenharias e Ciências Exatas |
Program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química |
Campun: | Toledo |
Citation: | NAKAJIMA, Evandro Alves. Modelagem matemática e simulação da reforma a seco do metano catalisada por Ni/Si-MCM-41. 2023. 120 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Toledo, 2023. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
Endereço da licença: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
URI: | https://tede.unioeste.br/handle/tede/6887 |
Issue Date: | 2-Oct-2023 |
Appears in Collections: | Doutorado em Engenharia Química (TOL) |
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