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Otimização da produção de hidrogênio em um reator com membrana
Hydrogen has its main production from steam reforming reaction. Due to the characteristics of
this reaction, to achieve reasonable conversions are required high temperatures and pressures
in conventional reactors. The literature presents proposals for using reactors with membrane in
order to shift the thermodynamic equilibrium, favoring higher operating temperatures in smaller
conversions. In this scenario, the present work proposes the simulation of a reactor with
membrane for hydrogen production from steam reforming reaction through the software
ANSYS/CFX® and the optimization performed by Particle Swarm method implemented via
Fortran. Initially, the geometry at the CFX was elaborated, generated mesh that will present the
reactor with membrane and then made the whole setup of the ballast conditions, dimensions,
boundary conditions and expressions that describe the process. A study of convergence of mesh
it was performed to determine the invariability of the results obtained, comparing meshes with
1944, 980, 480, 209 and 104 elements. The invariability of the meshes is quantified by the mesh
convergence index, GCI, the lowest values of GCI obtained were between the meshes with 980
and 480 elements, with GCIs like 0.0128 and 0.0436 reaction zones and drag, respectively. The
model was validated based on experimental data available in the literature, evaluating the
variation of methane conversion as a function of pressure and operating temperature and molar
ration of food between water vapor and methane (RVM). The results obtained corroborate with
the experimental results presented in the literature. Then, the method of Particle Swarm
Optimization (PSO) was implemented in the programming language Fortran and created an
interactive method between Fortran and the CFX, where the great values are estimated by the
algorithm and added to the CFX as process variables, determining that way, after the solution
of the model, the objective function, which in this case was used to sum the conversion of
methane to hydrogen recovery. Anyway, it was possible to determine the optimal operating
conditions, P = 121.325 kPa, T = 826.32 K and RVM = 2.77, maximizing conversion of
methane and hydrogen recovery reaching values of approximately of 100% for both.Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqO hidrogênio tem sua principal produção a partir da reação reforma a vapor. Devido às
características desta reação, para se alcançar conversões razoáveis são necessárias altas
temperaturas e pressões em reatores convencionais. A literatura apresenta propostas de
utilização de reatores com membrana com o intuito de deslocar o equilíbrio termodinâmico,
favorecendo maiores conversões, em menores temperaturas operacionais. Neste cenário, o
presente trabalho propõe a simulação de um reator com membrana para produção de hidrogênio
a partir da reação de reforma a vapor através do software ANSYS/CFX® e a otimização
realizada pelo método do enxame de partícula implementado via Fortran. Inicialmente, foi
elaborada no CFX a geometria, gerado a malha que irá apresentar o reator com membrana e em
seguida feita toda a configuração das condições do reator, dimensões, condições de contorno e
expressões que descrevem o processo. Um estudo de convergência de malha foi realizado para
determinar a invariabilidade dos resultados obtidos, comparando malhas com 1944, 980, 480,
209 e 104 elementos. A invariabilidade entre as malhas é quantificada pelo índice de
convergência de malha, GCI, os menores valores de GCI obtidos foram entre as malhas com
980 e 480 elementos, com GCIs iguais a 0,0128 e 0,0436 para as zonas de reação e arraste,
respectivamente. O modelo foi validado baseando-se em dados experimentais disponíveis na
literatura, avaliando a variação da conversão do metano em função da pressão e temperatura de
operação e a razão molar de alimentação entre o vapor d’água e metano (RVM). Os resultados
obtidos corroboram com os resultados experimentais apresentados na literatura. Em seguida, o
método de otimização de enxame de partícula (PSO) foi implementado na linguagem de
programação Fortran e criado um método interativo entre o Fortran e o CFX, onde os valores
ótimos são estimados pelo algoritmo e adicionados ao CFX como variáveis do processo,
determinando dessa forma, após a solução do modelo, a função objetivo, que neste caso foi
utilizado a soma da conversão de metano com a recuperação de hidrogênio. Enfim, foi possível
determinar as condições operacionais ótimas, P = 121,325 kPa, T = 826,32 K e RVM = 2,77,
maximizando a conversão de metano e recuperação de hidrogênio chegando a valores de
aproximadamente de 100% para ambos.São Cristóvã