Análise e desenvolvimento de reformador compacto de etanol para obtenção de hidrogênio

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaAs células a combustível são uma alternativa para a produção descentralizada de energia elétrica em relação aos sistemas tradicionais de geração (hidrelétricas e termelétricas) e permitem ampliar a base energética dos países. As células a combustível do tipo membrana de troca de prótons, ou PEM, utilizam hidrogênio como combustível, o qual pode ser produzido a partir da reforma de combustíveis hidrogenados, como os hidrocarbonetos e os álcoois. Neste aspecto, uma estratégia para reduzir o impacto ao meio ambiente, é a utilização, como fonte primária de hidrogênio, de combustíveis derivados de biomassa, dentre os quais, o etanol é uma possível alternativa. O objetivo deste estudo é analisar a reforma a vapor de etanol para a produção de hidrogênio e dimensionar os principais componentes de um reformador compacto de etanol capaz de alimentar uma célula a combustível para a geração de 1 kW de eletricidade. Para isto, inicialmente avaliam-se os limites termodinâmicos da reforma a vapor de etanol, visando determinar as concentrações de hidrogênio e subprodutos em equilíbrio e visando a selecionar as condições de concentração de reagentes, especificadas pela razão molar água-etanol na mistura reagente, temperatura e pressão do processo, a fim de maximizar a produção de hidrogênio, minimizar a produção de monóxido de carbono e inibir a formação de carbono sólido. A seguir, uma análise baseada na aplicação da Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica permite verificar as condições de equilíbrio das reações químicas na reforma a vapor e fornece as taxas de transferência de calor necessárias para a operação dos subsistemas de evaporação e reforma de etanol. Então, se analisa e se dimensiona o evaporador e o reator catalítico de reforma, baseando-se na aplicação das equações de conservação da massa e da energia, incluindo a cinética química das reações de reforma. Finalmente, apresenta-se uma concepção de projeto de um reformador de etanol compacto, modular e de alta eficiência. Fuel cells are a possible alternative for decentralized electrical energy generation, when compared to the more traditional hydroelectric and thermoelectric power generation, and allow for expanding the national energy generation infrastructure. The proton-membrane fuel cells, or PEMFC, use hydrogen as fuel, which can be obtained from the reforming of hydrogenated fuels, such as hydrocarbons and alcohols. A possible strategy to reduce the impact of energy generation systems into the natural carbon dioxide cycle is to obtain the hydrogen from a biomass derived fuel, such as ethanol. The objective of this work is to analyze the ethanol steam reforming for hydrogen production and to size the main components of a compact and modular reforming unit designed for the generation of 1 kW of electrical power. For this, initially the thermodynamic limits for the steam reforming of ethanol are calculated in order to assess the limits in the production of hydrogen and other by-products and to select the best values of process stoichiometry, temperature and pressure for maximum hydrogen selectivity and minimum coke formation. In the following, a First and Second Laws analysis is performed to analyze the equilibrium conditions of the main chemical reactions and to estimate the magnitude of the heat transfer required by the heating, evaporation, superheating and reforming of ethanol. Then, the evaporator and the catalytic reformer are analyzed and sized, basing the analysis in the application of the laws of Conservation of Mass and Thermal Energy, including a chemical kinetic mechanism for ethanol steam reforming. Finally, a design is proposed accompanied by the corresponding sizes of the main components and operating conditions