PG-EAM - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica
EN PT
Tese de Doutorado PG-FÍSICA 2016

Desenvolvimento e operação de um sistema de plasma excitado por micro-ondas para reforma de naftaleno

Autor

Henrique de Souza Medeiros

Orientador

Área de Concentração

Física de Plasmas

Programa

Física

Data de Defesa

21/10/2016

Número da Tese

72793

Resumo

Atualmente, processos de reforma de gases e alcatrão provenientes de gaseificadores são considerados como principais alternativas para a produção eficiente de gases combustíveis mais limpos. O presente trabalho investiga os efeitos da ação de um plasma excitado por micro-ondas (2,45 GHz) operando em pressão atmosférica no processo de reforma/destruição de alcatrão visando a produção de gás de síntese (H2 e CO). A classe de alcatrão estudada foi a classe terciária (alcatrões pesados), representada pelo naftaleno (C10H8). Técnicas de espectrometria de massa e espectroscopia óptica de emissão foram usadas para avaliar a eficiência de conversão do naftaleno, a eficiência energética do processo, a seletividade e o rendimento de H2 e de CO tendo como parâmetros a vazão de gás de arraste, a potência total de micro-ondas e a concentração de naftaleno injetada no reator. No plano teórico, foi proposto um modelo numérico (MN) simplificado que leva em conta a influência térmica de uma tocha de plasma de microondas (TPM) sobre a dissociação do naftaleno, bem como reações de reforma à vapor e de oxidação parcial. Um nível mínimo de temperatura de 1573 K (P =1,75 kW) foi estabelecido para a completa dissociação de C10H8 variando-se a vazão de gás de arraste entre 0,6?1,2 m3/h. O modelo aproxima as características da TPM considerada a um plasma em equilíbrio termodinâmico local (ETL). O processo de conversão de C10H8 foi também investigado, teoricamente, considerando os efeitos das reações de excitação e ionização com o objetivo de avaliar a densidade de elétrons(ne) e de outros portadores de cargas que influênciam no processo de conversão. Os resultados teóricos mostram que o efeito dos processos de ionização sobre a conversão de C10H8 não ultrapassa 0,81 × 10?10%. O aumento na potência da TPM (1,75?20 kW) conduz a valores correspondentes de ne entre (0,5?4,5) × 1012 m?3. No plano experimental, os resultados mostram que o plasma de micro-ondas atua eficientemente no processo de dissociação do naftaleno. A vazão de gás de arraste foi variado na faixa entre (0,6 - 1,8) m3/h para potências da descarga entre (1,5 - 2,5) kW e a concentração de C10H8 entre (12,7 - 45,9) g/m3. Observa-se que um aumento no fluxo do gás de arraste reduz significativamente a eficiência de conversão do naftaleno (~30 % de redução), mas conduz a maiores rendimento de CO e H2. A temperatura do gás não é afetada pelo aumento da potência, permanecendo constante em torno de 4500 K. O efeito da potência é mais significativo sobre o rendimento de CO (68 - 95 %) comparado ao rendimento de produção de H2 (aproximadamente constante em 0,5 %). O aumento na concentração de naftaleno nos reagentes atua de forma a reduzir a eficiência de conversão (97,5 - 88,5 %), no entanto, aumenta a eficiência energética do processo (7,91 - 28,85 g/kWh) e o rendimento de produção de CO (20 - 89,7 %). Os resultados teóricos e experimentais apresentaram uma boa concordância nas condições investigadas, validando o modelo cinético e o modelo de reações de ionização e excitação propostos.

Palavras-chave

Processamento de materiais a plasma Pressão atmosférica Micro-ondas Síntese (Química) Gases Espectroscopia de massa Espectroscopia óptica Física de plasmas Física