Projeto, desenvolvimento e validação de um reator para reforma auto térmica de etanol

Abstract

Dado o crescimento do consumo de energia no mundo e à poluição decorrente da utilização de combustíveis de origem fóssil, há uma enorme demanda por tecnologias mais eficientes e menos poluentes, controlando assim os níveis atmosféricos de dióxido de carbono (CO2) e óxidos de nitrogênio (NOx). Diferentes alternativas têm sido estudadas tais como o uso de biocombustíveis, por exemplo, etanol e biodiesel, em processos de combustão e células de combustível. Tendo em vista este cenário, o principal objetivo deste trabalho é o projeto, construção e validação de uma bancada experimental para testes de reforma auto térmica de etanol e geração de gases ricos em H2, incluindo sistemas de controle de alimentação de reagentes e controle de temperatura. A bancada experimental conta com sistemas de aquecimento tanto de ar reagente quanto da região de reforma, com controle automatizado de temperatura. A alimentação de etanol e água foram feitas com um sistema baseado em um bico injetor automotivo controlado por um circuito PWM. Conta com uma região de evaporação onde reagentes gasosos e líquidos entram em contato em contra corrente, a fim de promover uma melhor evaporação da mistura água/etanol. Um sistema de controle foi desenvolvido para que o sistema opere de forma contínua e em regime permanente. A bancada conta ainda com um reator com uma seção de testes para monólitos de até 120 mm de comprimento e 80 mm de diâmetro. O catalisador utilizado no trabalho foi composto de um monólito a base de Ni/Al2O3. Foi analisado o tempo de aquecimento do sistema até as temperaturas de reforma, bem como a capacidade de evaporação do sistema em diferentes vazões e temperaturas. Foram também avaliadas as conversões de etanol e seletividade do catalisador, em razões Água/Etanol (S/E) de 1,5:1 e Oxigênio/ Etanol (O/E) de 0,5:1, nas temperaturas de 500°C a 700°C. O tempo obtido para a inicialização de todo o sistema (aquecimento) foi entre 25 e 35 minutos, dependendo da temperatura de reforma pretendida. As frações molares de hidrogênio (H2) obtidas nos gases reformados foram de 7%, 41% e 32%, correspondendo às temperaturas de reforma de 500°C, 600°C e 700°C, respectivamente. A maior eficiência térmica do sistema reformador foi de 26%, correspondendo a uma temperatura de reforma de 600°C.

Abstract: Given the growth of energy consumption in the world and the pollution resulting from the use of fossil fuels, there is a huge demand for more efficient and less polluting technologies, thus controlling atmospheric levels of carbon dioxide (CO2) and nitrogen oxides (NOx). Different alternatives have been studied such as the use of biofuels, for example, ethanol and biodiesel, in combustion processes and fuel cells. Because this scenario, the main objective of this work is the design, construction and validation of an experimental bench for testing the autothermal reform of ethanol and the generation of gases rich in H2, including reagent feed control systems and temperature control. The experimental bench has heating systems for both the reagents air and the reforming region, with automated temperature control. Ethanol and water were fed with a system based on an automotive injector controlled by a PWM circuit. It has an evaporation region where gaseous and liquid reagents come into contact with the current, in order to promote better evaporation of the water/ethanol mixture. A control system was developed so that the system operates continuously and in a steady state. The bench also has a reactor with a test section for monoliths up to 120 mm in length and 80 mm in diameter. The catalyst used in the work was composed of a monolith based on Ni/Al2O3. The heating time of the system until the reforming temperatures was analyzed, as well as the evaporation capacity of the system at different flow rates and temperatures. Ethanol conversions and catalyst selectivity were also evaluated, in Water/Ethanol (S/E) ratios of 1.5:1 and Oxygen/Ethanol (O/E) ratios of 0.5:1, at temperatures of 500°C at 700°C. The time obtained for the initialization of the entire system (heating) was between 25 and 35 minutes, depending on the desired reform temperature. The molar fractions of hydrogen (H2) obtained in the reformed gases were 7%, 41% and 32%, corresponding to the reforming temperatures of 500°C, 600°C and 700°C, respectively. The highest thermal efficiency of the reformer system was 26%, corresponding to a reform temperature of 600°C.