Orientadores: Rubens Maciel Filho, André Luiz Jardini Munhoz

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Atualmente, o conceito de sustentabilidade vem ganhando cada vez mais espaço e com ele os desafios de melhorar cada vez mais os processos industriais. Assim, tanto as engenharias quanto as ciências de base têm se dedicado à integração do conhecimento para projetar e implementar soluções...

Resumo: Atualmente, o conceito de sustentabilidade vem ganhando cada vez mais espaço e com ele os desafios de melhorar cada vez mais os processos industriais. Assim, tanto as engenharias quanto as ciências de base têm se dedicado à integração do conhecimento para projetar e implementar soluções inovadoras e ambientalmente equilibradas. Neste contexto, o uso dos microrreatores surge como uma opção atraente e com potencial para atender às diversas e crescentes exigências ambientais e econômicas. Portanto, o principal objetivo desta tese foi projetar fabricar e testar um microrreator catalítico para produção de hidrogênio a partir da reforma a vapor do etanol. Para o cumprimento deste objetivo, quatro etapas principais foram desenvolvidas. A primeira delas foi à realização de estudos fluidodinâmicos do microrreator para a escolha da geometria mais favorável à distribuição do fluxo entre os microcanais. Nesta etapa foi possível quantificar o fluxo do gás nos microcanais e escolher a geometria com o menor valor no desvio padrão relativo. Na segunda etapa, a tecnologia de manufatura aditiva de sinterização direta em metal a laser (DMLS) foi avaliada para a fabricação dos componentes do microrreator mostrando um grande potencial, principalmente por oferecer condições para produção de superfícies porosas. Apesar disso, as peças assim obtidas apresentaram distorções notáveis devido à alta energia do laser, sendo necessários mais estudos dos parâmetros de fabricação a fim de se obter peças com boa qualidade. Por essa razão e para garantir uma boa integração entre os componentes, a estrutura de compartimento do microrreator e as placas de microcanais foram obtidas por métodos convencionais de usinagem e corrosão química. Na terceira etapa, um método de otimização multicritério foi descrito para se investigar e sugerir uma faixa de parâmetros operacionais do microrreator como temperatura, fração de massa de etanol e fluxo volumétrico de alimentação. Nesta fase, entre os três modelos cinéticos selecionados, apenas um foi considerado o mais confiável para se estender o estudo de otimização e assim sugerir uma faixa de operação do microrreator. Na etapa final, testes experimentais da reação de reforma a vapor do etanol foram conduzidos sob duas diferentes composições de catalisadores, Ni/Al2O3 e Ni/CeO2, com o objetivo de se conhecer as principais reações. Os resultados mostraram que a desidratação e decomposição do etanol foram predominantes em ambos catalisadores, porém foi observada a supressão da desidratação em temperatura de 500 e 600ºC. Entre os catalisadores estudados o Ni/CeO2 foi o mais seletivo e promissor, pois foi capaz não somente de suprimir as reações indesejadas, como a formação de coque, mas por fornecer alta produtividade e rendimento comparado com o Ni/Al2O3. Além disso, ficou demonstrado que o projeto do microrreator proposto foi capaz de produzir hidrogênio com rendimentos significativos, próximo a 100% em altos tempos de residência, sendo, portanto, uma boa opção a ser considerada tanto para aplicações em pequena quanto em grande escala

Abstract: Currently, the concept of sustainability is gaining more prominence and with it the challenges to improve industrial processes. Thus, both engineering as the basic sciences has been devoted to integrate knowledge to design and implement innovative and environmentally balanced solutions. In...

Abstract: Currently, the concept of sustainability is gaining more prominence and with it the challenges to improve industrial processes. Thus, both engineering as the basic sciences has been devoted to integrate knowledge to design and implement innovative and environmentally balanced solutions. In this context, the use of microreactors emerges as an attractive option and with potential to meet various environmental and economic requirements. Therefore, the objective of this thesis was to design, fabricate and test a catalytic microreactor for hydrogen production from ethanol steam reforming. To achieve this objective, four main steps were developed. Firstly, studies of the fluid dynamic behavior of microreactor were conducted for choosing the most favorable geometry to flow distribution among microchannels. At this point it was possible to quantify the internal gas flow in the microchannels and to select the geometry with the lowest value in the relative standard deviation. In the second step, the additive manufacturing technology of Direct Metal Laser Sintering (DMLS) was evaluated to fabricate the microreactor components. This technology showed a great potential, especially to provide conditions to produce pieces with porous surfaces. Nevertheless, the pieces obtained by this process showed remarkable distortions due to the high laser energy, necessitating further study about fabrication parameters in order to improve the quality of the parts. For that reason and also to ensure good integration among the components, the housing structure and microchannel plates were obtained by conventional methods of milling cutter and wet chemical etching, respectively. In the third step, a multicriteria optimization method was described to investigate and suggest a range of operating parameters such as temperature, ethanol mass fraction and volumetric flow. Among the three kinetic models selected, only one was considered the most reliable to extend the study of optimization and thus to suggest a range of operation conditions of the microreactor. In the final step, experimental tests of ethanol steam reforming were conducted under two different compositions of catalysts, Ni/Al2O3 and Ni/CeO2, with the aim of knowing the main reactions. The results showed that the ethanol dehydration and decomposition were predominant in both catalysts, but the suppression of the dehydration in the temperatures of 500 to 600°C was observed. Also, among the catalysts studied, the Ni/CeO2 was the most promising not only because it was able to suppress the undesired reactions, but also to provide a high productivity and yield compared to the Ni/Al2O3. Furthermore, it was shown that the design of microreactor was able to produce hydrogen with significant yields, close to 100% at high residence times, and is therefore a good option to be considered in applications ranging from small to large scales