Análise de viabilidade do processo de reforma do glicerol com água supercrítica : modelagem e simulação

Para garantir a sustentabilidade da produção global de biodiesel, o desenvolvimento de diferentes aplicações para o glicerol bruto, um dos seus principais subprodutos, é crucial. Um dos mais promissores métodos é a utilização do glicerol para produção de hidrogênio com água supercrítica como meio de reação. No presente trabalho foi estudada a reforma do glicerol em água supercrítica utilizando software Aspen Plus® para simulação do processo e para análise de viabilidade econômica. O modelo termodinâmico utilizado foi o de Peng-Robinson por apresentar resultados consistentes na avaliação de propriedades do sistema água-glicerol, além de apresentar erro de apenas 2,4% utilizando a modelagem do equilíbrio e o método da minimização da energia livre de Gibbs (reator RGIBBS do Aspen Plus®) quando comparado com resultados experimentais de reforma do glicerol bruto. Na análise das variáveis de operações do processo, observa-se que o aumento da temperatura, redução da pressão e menores valores de composições de glicerol/metanol na alimentação favorecem a formação de hidrogênio (H₂) e que o inverso facilita a formação de metano (CH₄) e dióxido de carbono (CO₂). Na análise de viabilidade inicial do projeto da planta, os melhores parâmetros de operação foram 600°C, 25 MPa e concentração de glicerol bruto de 10% em relação à vazão de entrada. Para a melhor configuração da planta estudada foi necessário realizar integração energética da corrente de alimentação com a de produtos, utilizar um reformador com duas seções de diferentes materiais de construção (SS316 e Hastelloy C) e reduzir primeiro a pressão para depois reduzir a temperatura da corrente de saída após o reformador. O custo capital total da planta foi 17,95 milhões de dólares, com 53% do preço total gasto em equipamento, além do custo total de operação ser de 10,89 milhões de dólares por ano, reutilizando a água do processo e com custo da unidade de separação de hidrogênio de 1,47 USD/kg de hidrogênio produzido. O período de retorno da planta foi de 8,24 anos com um índice de rentabilidade de 1,03 para vida útil do projeto de 10 anos. O preço mínimo de venda do hidrogênio foi de 25,50 USD/kg para a planta com lucro proveniente apenas da venda de H2. Quando se vende a mistura gasosa proveniente dos subprodutos de processo é possível obter um preço mínimo de venda de até 9,65 USD/kg de hidrogênio.To ensure the sustainability of biodiesel production on a global scale, the development of applications for crude glycerol, one of the main by products, is crucial. One of the most promising techniques is the employment of glycerol to produce hydrogen with supercritical water as the reaction medium. In this work, glycerol reforming in supercritical water was studied using Aspen Plus® software for process simulation and economic viability analysis. The thermodynamic model used was the Peng-Robinson, since it presents consistent results in the evaluation of the properties in the water-glycerol system. Additionally, this model presents error as 2.4%, while modelling chemical equilibrium and minimizing the Gibbs energy (Aspen Plus® RGIBBS reactor), in comparison with experimental results of crude glycerol reforming. From the process operations’ analysis, the findings show that an increase in temperature and a relative reduction in pressure and ratios of glycerol/methanol in the feedstock composition induce the formation of hydrogen (H₂). Conversely, lower temperatures, as well as increased pressure and glycerol / methanol ratios, facilitate the formation of methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂). The optimum operating parameters were at 600 °C, 25 MPa and 10% crude glycerol concentration in relation to the feedstock’s flow rate. For the best plant configuration, it was necessary to perform energy integration of the input flow with that of the outputs, as well as to use a reformer with two sections of different building materials (SS316 and Hastelloy C). Finally, it was necessary to reduce the pressure first and then reduce the flow temperature after the reformer. The total capital cost (i.e CAPEX) for this plant was estimated in 17.95 million US dollars, where 53% of the total amount is to be spent on equipments, with the total operating cost (i.e. OPEX) being $ 10.89 million per year, considering the reuse of the process water and the final cost of unit for hydrogen separation was of 1.47 US dollars per kg of H2. The payout period would be 8.24 years with a profitability index at 1.03 for 10 years lifetime projetc. Considering the plant profiting only from selling H2 at a minimum price of 25.50 USD per kg, a feasible project is possible. When also selling the gaseous mixture from the by-products, it would be possible to obtain a minimum selling price as low as 9.65 USD per kg of hydrogen