Cinética química da reforma a vapor de etanol sobre catalisador de níquel

Abstract

Atualmente existem diversas alternativas para a produção do hidrogênio, sendo a reforma a vapor desperta interesse quando comparada à outras reações de reforma, pois é a que proporciona um maior rendimento teórico para H2. Para o desenvolvimento de reformadores eficientes para a produção embarcada de H2 são necessárias informações cinéticas sobre as reações de reforma do etanol e que atualmente são escassas, principalmente pelo fato das temperaturas de reação serem incomuns e a condição de tempo de contato de reação ser curto. O objetivo desse trabalho foi determinar os parâmetros cinéticos da reação de reforma a vapor de etanol sobre catalisador de níquel em um modelo de lei de potência para tempos espaciais curtos. Nesse sentido, foi utilizado um catalisador comercial em pó de níquel com o intuito de eliminar o controle de velocidade de reação por transferência de massa. As reações foram conduzidas em um reator de quartzo inserido dentro de um forno elétrico que foi responsável por fornecer a energia necessária para a reação. Para a determinação dos parâmetros cinéticos de reação, foram analisadas as concentrações dos produtos da reação em função de diferentes temperaturas bem como a avaliação das concentrações dos produtos de reação em função de diferentes condições de alimentação. Foram realizadas análises de caracterização através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e método de área B.E.T. A utilização de níquel no tamanho de partícula médio de 44 µm não limitou a taxa da reação de reforma a vapor do etanol por transferência de massa, tanto interna e externa, como observado nos valores obtidos do critério de Mears e critério de Weisz-Prater. Com a caracterização via MEV, EDS e método de área B.E.T. foi possível observar que o catalisador atendia as especificações estabelecidas pelo fabricante. Através de um método de regressão não-linear que minimizava a soma dos quadrados das funções não lineares foi possível obter parâmetros cinéticos para a cinética química de modelo de lei de potência bem como para o modelo baseado em um mecanismo de Eley-Rideal. Foi observado que a taxa da reação para o etanol ficou próxima ao valor unitário nas condições de temperatura e tempos espaciais testados. Também foi verificado a etapa de adsorção do etanol em um sítio é a etapa controladora da velocidade da reação para o modelo baseado no mecanismo de Eley-Rideal.

Abstract: Currently there are several alternatives for the production of hydrogen, steam reform is of interest when compared to other reform reactions, because provides the highest theoretical H2 yield. For the development of efficient reformers for the H2 on-board production, ethanol reforming reactions kinetic data is required and these are currently scarce, mainly because reaction temperatures are uncommon and the condition of reaction contact time is short. The objective of this work was to determine the kinetic parameters of the ethanol vapor reforming reaction on nickel catalyst in a power law model for short space times. For this, a commercial nickel powder catalyst was used in order to eliminate mass transfer reaction rate control. The reactions were conducted in a quartz reactor inserted inside an electric furnace that was responsible for providing the energy required for the reaction. For the determination of reaction kinetic data, the reaction product concentrations were analyzed as a function of different temperatures as well as the evaluation of reaction product concentrations as a function of different feeding conditions. Characterization analyzes were performed by scanning electron microscopy (SEM), dispersive energy spectroscopy (EDS) and B.E.T. The use of nickel in the mean particle size of 44 µm don?t limit the rate of the ethanol reforming reaction by mass transfer, both internal and external, as observed in the Mears criterion and Weisz-Prater criteria. With the characterization by SEM, EDS and B.E.T. it was possible to observe that the catalytic converter met the specifications established by the manufacturer. By means of a non-linear regression method that minimized the sum of the squares of the nonlinear functions, it was possible to obtain kinetic data for the chemical kinetics of the power law model as well as for the model based on an Eley-Rideal mechanism. It was observed that the reaction rate for ethanol was close to the unit value at the tested temperature and time conditions. It has also been verified that the adsorption step of ethanol at a site is the rate-controlling step of the reaction for the Eley-Rideal mechanism-based model.