A reforma a vapor do metano é uma das mais importantes rotas industriais para a produção de gás de síntese e hidrogênio, devido à sua economicidade e confiabilidade. Esses produtos são largamente utilizados na produção de importantes commodities, como metanol e amônia, além de seus derivados. Devido à importância deste sistema na indústria, este se tornou um foco frequente de estudo, e diversos modelos para descrever o reformador têm sido propostos na literatura. Nesse contexto, há um grande interesse na melhoria dos sistemas catalíticos utilizados devido ao impacto econômico esperado. O presente trabalho visa estudar a influência das limitações de transferência interna e externa à partícula de catalisador, observando a distância dos reatores industriais à um reator onde tais efeitos fossem reduzidos considerando taxas cinéticas de reação suficientemente rápidas. Para avaliação de tais comportamentos, diferentes modelos foram propostos, com premissas individuais. Na formulação dos problemas, são aplicados balanços molares, de energia e de momento.De acordo com as características dos modelos desenvolvidos diferentes métodos de resolução são aplicados.Para a análise da performance do leito catalítico, avaliaram-se os perfis de temperatura, pressão e conversão de metano ao longo do meio reacional. Os efeitos de manipulações de variáveis de processo e da redução da limitação da transferência são analisados.Observa-se que, para condições típicas de reatores industriais atuais, há grande ineficiência relacionada às limitações de transferência intraparticular e/ou taxas cinéticas baixas, havendo potencial de melhoria da performance do leito em direção à cinética máxima (taxa teórica sem efeitos difusivos comresistência à transferência de massa desprezível, alcançando conversões próximas ao do equilíbrio termodinâmico). Nas investigações realizadas neste trabalho, para condições típicas de reatores industriais, observa-se que acelerar a cinética assintoticamente pode reduzir o comprimento do reator em 40%.
Methane steam reforming is one of the main industrial routes for syngas and hydrogen production, due to its reliability and relatively low costs. Theseproducts are widely applied in important commodities productions, such as methanol and ammonia, as well as its derivatives. Given the importance of his system to the chemical industry, it has become the focus of several studies. A variety of models has been proposed in the literature for describing a steam reformer. In this sense, there is an interest in the improvement of the catalytic systems due to the economical expected impact. The present work aims to study the influence of internal and external transfer limitations on the catalyst particle, observing the distance of industrial reactors to one where such effects were reduced considering reaction kinetics sufficiently fast.For the evaluation of such behaviors, different models derived from different hypothesis were investigated. For the problem formulation, mass, energy and momentum balances were applied. According to the models features, different resolution methods were selected.For the analysis of the catalytic bed performance, temperature, pressure and methane conversion profiles throughout the rector length were evaluated. The manipulation of process variables effects and of the reduction of transfer limitations were analyzed. It was observed that, for typical industrial conditions, there is a high inefficiency related to the intraparticular transferlimitations and/or low kinetic rate,allowing yet the improvement of the reactor performance towards maximum kinetics (theoretical rate without any diffusional effects, with negligible mass transfer resistance, achieving conversions close to that of thermodynamic equilibrium). In our investigations, for typical conditions of industrial reformer, it was observed that accelerating kinetics asymptotically to very high values could reduce 40% of the reactor length.
