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Ttulo [PT]: Anlise termodinmica de reaes de reforma autotrmica via mtodo de maximizao de entropia
Ttulo [EN]: Thermodynamic analysis of autothermal reforming reaction via entropy maximization method
Autor(es): Thiago Leandro de Souza
Palavras-chave [PT]:

Hidrognio. Gs de sntese. Metano. Substrato. Biomassa. Etanol. Glicerina. Glicose. Reforma autotrmica. Reaes, Maximizao de entropia. Clculo de equilbrio. Otimizao (Mtodo matemtico). Brasil.
Palavras-chave [EN]:
Hydrogen. Synthesis gas. Methane. Biomass. Autothermal reforming reactions. Entropy maximization. Optimization. Brazil.
rea de concentrao: Desenvolvimento de Processos
Titulao: Doutor em Engenharia Qumica
Banca:
Lcio Cardozo-Filho [Orientador] - UEM
Vladimir Ferreira Cabral - UEM
Christian Gonalves Alonso - UFG
Marcelo Fernandes Vieira - UEM
Guilherme Duenhas Machado - UTFPR
Ndia Regina Camargo Fernandes-Machado - UEM
Gerardo Oscar Pisoni - UEM
Resumo:
Resumo: Muitos so os trabalhos encontrados na literatura que se propem a realizar uma anlise termodinmica das reaes de reforma autotrmica. A maioria destes trabalhos utiliza a minimizao da energia livre de Gibbs. Esta metodologia no atende diretamente a condio de termoneutralidade das reaes de reforma autotrmica, limitando as condies operacionais avaliadas por estas anlises. Neste trabalho so apresentadas anlises termodinmicas de distintos sistemas reacionais autotrmicos por meio do clculo simultneo do equilbrio qumico e de fases utilizando a metodologia da maximizao da entropia - mtodo que atende diretamente a condio de termodeutralidade. Primeiramente foi realizada uma anlise termodinmica da reforma autotrmica do metano utilizando o modelo do gs ideal para simular o comportamento da fase gasosa. Nesta anlise foram investigados os efeitos da presso, temperatura e composio iniciais na composio e temperatura no equilbrio do sistema reacional. Tambm foram determinadas as condies timas para a maximizao da produo do hidrognio e as condies favorveis a produo de gs de sntese. A resoluo do problema de programao no-linear, gerado a partir do modelo termodinmico obtido, foi conduzida por meio do solver CONPT2, baseado no algoritmo de Gradiente Reduzido Generalizado (GRG), presente no software GAMS 21.6. Alm disso, foi realizada uma anlise de convexidade do mtodo de maximizao de entropia utilizado para o modelo do gs ideal, onde se constatou a indeterminao da convexidade do modelo implementado ao mtodo da maximizao da entropia empregado. Foi implementado o algoritmo do enxame de partculas (EP) para o mtodo proposto visando a comprovao dos pontos timos calculados pelo algoritmo GRG. Os resultados da utilizao do EP proposto para a reforma autotrmica do metano so apresentados e comparados com aqueles obtidos pelo algoritmo GRG. Em outra etapa foi realizada uma anlise termodinmica de diferentes reaes de reforma autotrmica (reforma autotrmica, reforma autotrmica seca e reforma autotrmica com gua supercrtica) aplicadas a diferentes substratos (etanol, glicerina e glicose), sendo utilizada a equao de estado de Peng-Robinson para predizer o comportamento da fase gasosa. Foram investigados os efeitos das variveis de processo, temperatura e composio iniciais, na composio e temperatura em condio de equilbrio destes sistemas reacionais. Uma comparao entre as tecnologias consideradas para cada substrato demonstrou que as reaes de reforma autotrmica com gua supercrtica e reforma autotrmica simples permitem uma maior produo de hidrognio, enquanto que as reaes de reforma autotrmica seca e reforma autotrmica simples so mais favorveis a produo de gs sntese. A metodologia empregada mostrou ser a mais adequada para a anlise termodinmica em reaes adiabticas, pois possibilita a obteno direta da condio de termoneutralidade e da previso da temperatura final do processo, podendo ser til no desenvolvimento e otimizao de processos que ocorram em condio adiabtica, como o caso das reaes de reforma autotrmicas estudas neste trabalho.

Abstract: There are many studies in the literature that propose to perform a thermodynamic analysis of autothermal reforming reactions. Most of them use the Gibbs free energy minimization. This method does not meet directly the thermalneutral condition of autothermal reactions, limiting operational conditions evaluated in these analyzes. In this work are presented thermodynamic analyzes of different reaction autothermal systems through the simultaneous calculation of chemical and phase equilibrium by using the entropy maximization method - which directly meet the thermalneutral condition. First, a thermodynamic analysis of methane autothermal reforming was performed using the ideal gas model to simulate the gas phase behavior. In this analysis, it were investigated the effects of pressure, initial temperature and composition at the equilibrium composition and temperature of the reaction system. It were also determined the optimum conditions to maximize hydrogen production the feasible conditions for synthesis gas production. The solution of the nonlinear programming problem, generated from the thermodynamic model obtained, was conducted through CONPT2 solver, based on the Generalized Reduced Gradient algorithm (GRG), present in GAMS 21.6 software. Further, it was performed a convexity analysis of entropy maximization method used for the ideal gas model, which demonstrated the uncertainty of the convexity model implemented at the entropy maximization method employee. It was Implemented the particle swarm algorithm (EP) for the proposed method for verification of the optimum points calculated by GRG algorithm. The results of the use of EP proposed for the autothermal reforming of methane are presented and compared with those obtained by the GRG algorithm. In another step, it was performed a thermodynamic analysis of different autothermal reforming reactions (autothermal reforming, dry autothermal reforming, and autothermal reforming with supercritical water) applied to different substrates (ethanol, glycerin and glucose), using the equation of state of Peng-Robinson to predict the gas phase behavior. It were investigated the effects of process variables, temperature and initial composition on the equilibrium composition and temperature at equilibrium conditions of these reactive systems. A comparison between each technologies considered for each substrate shown that the autothermal reforming using supercritical water and autothermal reforming reactions allow an increased production of hydrogen, while dry autothermal reforming and autothermal reforming reactions are more favorable for the production of synthesis gas. The proposed methodology has proven to be the most suitable for the thermodynamic analysis in adiabatic reactions, it allows obtaining direct thermoneutral condition and the prediction of the final temperature of the process and may be useful in the development and optimization of processes occurring in adiabatic condition, as in the case of autotrmicas reforming reactions studied in this work.
Data da defesa: 27/02/2015
Cdigo: vtls000222625
Informaes adicionais:
Idioma: Portugus
Data de Publicao: 2015
Local de Publicao: Maring, PR
Orientador: Prof. Dr. Lcio Cardozo-Filho
Co-Orientador: Prof. Dr. Vladimir Ferreira Cabral; Prof. Dr. Christian Gonalves Alonso
Instituio: Universidade Estadual de Maring. Centro de Tecnologia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Qumica
Nvel: Tese (doutorado em Engenharia Qumica)
UEM: Departamento de Engenharia Qumica

Responsavel: elaine
Categoria: Aplicao
Formato: Documento PDF
Arquivo: Tese_Doutorado - PEQ_UEM - Thiago Leandro de Souza.pdf
Tamanho: 17696 Kb (18120565 bytes)
Criado: 27-06-2016 13:42
Atualizado: 27-06-2016 13:50
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