Simulação do escoamento e reação química em um reator de reforma a vapor de etanol empregando Lattice-Boltzmann e cinética química detalhada

Resumo:

Os riscos oriundos das mudanças climáticas e a necessidade de satisfação de necessidades de transporte tem levado à intensificação do desenvolvimento e utilização de novas tecnologias para o setor de mobilidade. Os combustíveis líquidos e sólidos apresentam a melhor relação entre energia e volume e os combustíveis com origem em biomassas, ou biocombustíveis, agregam a possibilidade de um ciclo de vida favorável. A conversão termoquímica em motores a combustão interna é o meio mais tradicional de conversão de energia química em trabalho de eixo. Nas aplicações, o aumento da eficiência e a redução das emissões (como NOx, CO, HCs, aldeídos, PAHs, particulados, etc.) são objetivos importantes no desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias.

A reforma química dos gases de exaustão, nos sistemas conhecidos como REGR – Reformed Exhaust Gas Recirculation, permite tanto reduzir a emissão de poluentes como também produzir outros gases de interesse, como hidrogênio. O custo desses sistemas relaciona-se ao tipo, carga e distribuição dos sítios catalíticos em uma matriz sólida estável com grande área superficial específica. A grande possibilidade de combinações de metais de transição e suportes catalíticos onera significativamente o desenvolvimento experimental. Os modelos computacionais para escoamentos reativos permitem o projeto e otimização de reatores por uma fração do custo do desenvolvimento puramente experimental. O método de Lattice Boltzmann (LBM) se destaca por possuir uma alta eficiência computacional no discernimento de fenômenos que ocorrem no nível dos poros. Ainda, potencialmente é possível agregar a modelagem de cinética química heterogênea detalhada sem perda de eficiência.

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um framework para modelagem de escoamentos reativos em LBM por meio de uma nova condição de contorno envolvendo cinética química detalhada de catálise heterogênea. Uma vez validado, o framework será aplicado à modelagem de um reator de reforma de vapor para produção de hidrogênio a partir de etanol, em consonância com os trabalhos experimentais do grupo

Modelagem multi-escala de conversores catalíticos: Escala do monolito, escala do washcoat, escala do catalisador.
 
 Acoplamento da solução nas três escalas: Solução do escoamento nos canais do reator por LBM, transferência de massa na interface entre os canais e o washcoat, transferência de massa na superfície do catalisador no interior do washcoat.
  
Mecanismo de cinética química para a reação heterogênea do etanol na superfície do catalisador.

Palavras-chave: Produção de hidrogênio; Método de Lattice Boltzmann; Cinética Química; Biocombustíveis; Combustão.

Aluno: Eduardo Luann Wojcikiewicz Duarte Silva

Orientador: Amir Antônio Martins de Oliveira Júnior, Ph.D.

Co-orientador: Rafael de Camargo Catapan, Dr. Eng

Nível: Doutorado

Área de Concentração: Engenharia e Ciências Térmicas

Linha de Pesquisa: Combustão de Combustíveis Alternativos