Resumo: As células a combustível são uma alternativa interessante para a geração de energia elétrica, especialmente para equipamentos de pequeno e médio porte que apresentem a característica de portabilidade. Alguns modelos de células são compactos e operam a baixas temperaturas, porém essa tecnologia esbarra no transporte e armazenamento do seu principal combustível: o hidrogênio. O hidrogênio é muito reativo e o seu armazenamento geralmente demanda a utilização de sistemas complexos, operando muitas vezes a altas pressões. Como alternativa pode-se armazená-lo na forma de combustíveis líquidos com alta concentração de hidrogênio, como por exemplo o metanol, o qual pode ser facilmente armazenado e convertido a hidrogênio mediante a reação de reforma a vapor. Este processo consiste basicamente na reação entre o metanol e o vapor de água, produzindo hidrogênio, monóxido e dióxido de carbono, segundo uma reação global endotérmica. A utilização do metanol como principal reagente na reforma a vapor, para produção de hidrogênio, é muito interessante, pois este álcool é o que apresenta a maior proporção entre hidrogênio e carbono (4:1), além de poder ser processado a baixas temperaturas e pressão atmosférica. Nos vários processos de obtenção do hidrogênio por reforma a vapor, ocorre a produção do monóxido de carbono (CO), o qual é um subproduto indesejado por ser um veneno para vários tipos de células a combustível. Tanto o projeto como a determinação das condições ótimas de operação de um reator de reforma a vapor de metanol, visando a sua integração as células a combustível, podem encontrar na modelagem e simulação importantes ferramentas auxiliares. Entretanto, encontram-se poucos estudos em literatura envolvendo a modelagem, simulação e projeto de reatores de reforma a vapor do metanol, bem como estudos teóricos que garantam a determinação das condições operacionais ótimas a fim de minimizar a produção do monóxido de carbono. Neste contexto, o objetivo desse trabalho foi desenvolver um modelo matemático de um reator de reforma a vapor de metanol, simulá-lo e obter dados preliminares para a o projeto de um reator de reforma a vapor de metanol. O modelo foi construído em duas partes: (i) considerando o reator isotérmico utilizando o modelo e as equações cinéticas da literatura. (ii) reator não isotérmico atribuindo à modelo o coeficiente de transferência de calor e a equação que descreve a transferência de calor ao longo do reator. O modelo matemático proposto foi implementado e resolvido numericamente no MATLAB. Os dados obtidos na simulação isotérmica foram comparados nas mesmas condições experimentais utilizada por PURNAMA et. al. (2004) o que indica que tanto o modelo desenvolvido como a metodologia empregada para a sua solução numérica são adequadas. Realizamos a analises de sensibilidade do reator não isotérmico e também os parâmetros ótimos de operação. A partir desses parâmetros ótimos levantou-se a massa de catalisador necessária para produzir hidrogênio em quantidade suficiente para alimentar células o combustível do tipo PEM comerciais. Contudo estabeleceu-se a condição mínima de 50ppm na corrente de produto e a conversão mínima de 70%. Essas condições mínimas garantem que não será necessária uma etapa de purificação e adequação do combustível, hidrogênio, utilizado nas células a combustível.
Abstract: Fuel cells are an attractive alternative for generating electricity, especially for equipment to small and medium-sized businesses that have the character of portability. Some models of cells are compact and operate at low temperatures, but this technology coming up in the transport and storage of its primary fuel: hydrogen. Hydrogen is very reactive and its storage generally requires the use of complex systems, often operating at high pressures. Alternatively you can "store" it in the form of liquid fuels with high concentrations of hydrogen, such as methanol, which can be easily stored and can be directly converted to hydrogen by steam reforming reaction. This process is basically the reaction between methanol and water vapor, producing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, a second endothermic overall reaction. The use of methanol as the main reagent in the steam reforming for hydrogen production is very interesting because this alcohol is what has the highest ratio of carbon and hydrogen (4:1), and can be processed at low temperatures and atmospheric pressure. In various processes hydrogen production by steam reforming, occurs the production of carbon monoxide (CO), which is an unwanted byproduct, being a poison to various types of fuel cells. Both the project and determining the optimal operating conditions of a reactor for steam reforming of methanol in order to integrate the fuel cells may find importance in modeling and simulation aids. However, there are few studies in literature involving modeling, simulation and design of reactors for steam reforming of methanol and theoretical studies aimed at determining the optimum operating conditions to minimize the production of carbon monoxide. In this context, the objective of this study was to develop a mathematical model of a reactor for methanol steam reforming, simulate it and validates it against experimental data from literature. The mathematical model was implemented in MATLAB and solved numerically and comparison of its predictions in different experimental conditions indicates that both the model developed as the methodologies for its numerical solution were adequate. From this model were validated designed three reactors for steam reforming to meet with appropriate flow of hydrogen fuel cells available in three commercial fuel cell, and determine the operating conditions that minimize the generation of carbon monoxide and provide an effluent stream reactor with acceptable levels of CO that can be introduced directly into the fuel cell without requiring an intermediate step of removing this contaminant. |