SISTEMA PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA NO INTERIOR DE UM REATOR DE REFORMA A VAPOR

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1 SISTEMA PARA MEDIÇÃO DE TEMPERATURA NO INTERIOR DE UM REATOR DE REFORMA A VAPOR Luiz Felipe Menechini, [Voluntário] 1, Remei Haura Junior, [Voluntário] 1, Sani de Carvalho Rutz da Silva [orientador] 1, José Ricardo Galvão [orientador] 1, Sergio Luiz Stevan Junior [colaborador] 1 1 Depto. de Engenharia Elétrica Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Avenida Monteiro Lobato, s/n - Km 04 Ponta Grossa/PR CEP lfmenechini@hotmail.com, remeihaurajunior@hotmail.com, jrgalvao@utfpr.edu.br, sani@utfpr.edu.br, sstevanjr@utfpr.edu.br Resumo - Este trabalho apresenta o desenvolvimento do protótipo de um sistema para medição de temperatura em um reator de reforma a vapor de Metanol, utilizado para produzir hidrogênio. O monitoramento da temperatura neste tipo de equipamento é fundamental para garantir o controle do processo de produção de hidrogênio. O sistema de medição de temperatura proposto é baseado em um conjunto de quatro sensores termopar do tipo K e um sistema de aquisição baseado em um microcontrolador. O sistema é capaz de apresentar as medidas de temperatura simultaneamente em um display LCD. A quantidade de sensores utilizados foi determinada a partir da modelagem matemática do gradiente de temperatura na região central interna do reator. Palavras-chave: microcontrolador, termopar, hidrogênio. Abstract - This work presents the development of a prototype for measuring temperature in a methanol steam reforming reactor, used to produce hydrogen. The temperature variation inside the reactor affects the hydrogen production. The system proposed is based on a set of four thermocouple sensors (K-type) and an electronic. The system is able to provide simultaneously temperature measurements on a LCD display. The number of sensors used was determined from a modeling mathematical of the temperature gradient in the central region inside the reactor. Keywords: microcontroller, thermocouple, hydrogen. INTRODUÇÃO A obtenção de energia limpa tem apresentado grande interesse mundial. Uma das formas de se obter energia limpa e renovável é através das células a combustível. A célula a combustível produz energia enquanto recebe combustível. A energia eletroquímica gerada apresenta bom rendimento e relativamente pouco impacto ambiental. A grande maioria das células a combustível utiliza hidrogênio (H 2 ) e oxigênio (O 2 ) como combustível e oxidante para a reação eletroquímica. A produção do hidrogênio se dá normalmente pela extração de combustíveis fósseis através de um processo químico. O hidrogênio também pode ser extraído da água. Essa

2 tecnologia possui as seguintes desvantagens: armazenamento, comercialização e transporte do hidrogênio. O fato do hidrogênio ser um elemento reativo e necessita de alta pressão para ser armazenado, exigindo cilindros espessos e consequentemente pesados, com isso acaba elevando a um alto custo. Um dos métodos para se obter o hidrogênio é utilizar a reforma a vapor de hidrocarbonetos e alcoóis. O metanol (CH 3 OH) pode ser utilizado como precursor do hidrogênio. O CH 3 OH encontra-se na forma líquida na temperatura ambiente e pressão atmosférica, [1] e [2]. A reação a vapor de metanol ocorre em temperaturas relativamente baixas, tipicamente entre 200⁰C a 300⁰C. A reação é extremamente endotérmica (absorve calor durante o processo). Por ser endotérmica a reação de reforma deve ocorrer no interior de um forno, capaz de efetuar a manutenção da temperatura durante o processo. A manutenção da temperatura é necessária para evita que a reação química cesse ou então que a produção de hidrogênio não seja suficiente para alimentar a célula a combustível, [3], [4] e [5]. A partir do MATLAB (software matemático) Raphael Menechini Neto [6] realizou a modelagem e a simulação da curva de temperatura em função do comprimento do reator. A Figura 1 mostra a curva da temperatura em função do comprimento do reator, simulada. As dimensões do reator de reforma a vapor de metanol são: 0,15 m de comprimento e 0,0012 m de diâmetro. Tesser et al, [7], demonstrou que a variação de temperatura em função do comprimento do reator de reforma a vapor de metanol é de aproximadamente 40ºC. O resultado mostra a importância de se ter mais de uma medida simultânea de temperatura no interior do reator, para garantir um controle mais preciso do processo de produção de hidrogênio. Figura 1 Temperatura no Interior do Reator de Leito Fixo de Reforma a Vapor de Metanol Obtido da Modelagem e Simulação Realizada [6]. Na indústria e na pesquisa acadêmica existe uma diversidade de variáveis físicas (temperatura, pressão, volume, etc.), que devem ser monitoradas para garantir o controle de um determinado processo químico e/ou físico. A proposta do presente trabalho é o desenvolvimento de um sistema microcontrolado para medição da temperatura em quatro pontos ao longo do comprimento no interior de um reator de leito fixo de reforma a vapor de metanol o qual fornecerá H 2 para o funcionamento de uma célula a combustível. A presença de quatro termopares é necessária para um controle rigoroso do processo no interior do reator de reforma a vapor de metanol. A temperatura no

3 interior do reator tem que ser adequadamente controlada para que não ocorram perturbações na produção de H 2. Se a temperatura for muito baixa a produção de H 2 ira cessar produzindo uma quantidade insuficiente de hidrogênio o que acarretará falha na produção de energia elétrica na célula a combustível. No caso da temperatura for acima do necessário, ocorrerá a produção de contaminantes que deterioram a célula a combustível tornando essa tecnologia economicamente inviável [8]. DESENVOLVIMENTO O protótipo desenvolvido no presente trabalho é composto basicamente por: quatro sondas termopar tipo K (liga Cromel-Alumel); quatro componentes CI MAX 6675; um microcontrolador PIC 16F877A e um display LCD. A Figura 2 apresenta um diagrama de blocos ilustrando a sequência empregada no desenvolvimento do trabalho. Figura 2 - Fluxograma do protótipo desenvolvido. Fonte: Autoria própria. A programação do PIC foi realizada através de linguagem C, utilizando o programa MikroC, desenvolvido pela empresa MikroElektronica [9]. Este compilador possui uma versão gratuita que compila códigos de até 2kwords. A Figura 3 mostra o fluxograma utilizado para a programação do microcontrolador.

4 Figura 3: Fluxograma do microcontrolador PIC16F877A. FONTE: Autoria própria Uma vez desenvolvido o firmaware de controle do microcontorlador, foi utilizado um segundo software de simulação, o qual permite simular o comportamento de circuitos eletrônicos, inclusive microcontroladores, possibilitando a análise do que foi desenvolvido e correções de eventuais erros ou adaptações no projeto. RESULTADOS E DISCUSSÃO O funcionamento do circuito projetado foi testado utilizando o simulador, conforme ilustra a tela apresentada na Figura 4. No simulador, foram variados os valores de tensão, simulando o sinal que o termopar produz devido a variações na temperatura da sua junção. Como resultado, os valores correspondentes de temperatura foram informados no display LCD do simulador, comprovando que o sistema está operando corretamente. Figura 4 Ilustração da tela do simulador. A Figura 5 mostra uma simulação para valores de temperatura na faixa de operação do reator de reforma a vapor de metanol (200 a 300 C). Verifica-se que os valores de temperatura simulados estão bem próximos dos valores obtidos pelo termopar no interior do reator, a diferença em torno de 3 C está dentro da faixa de erro do instrumento de leitura.

5 Figura 5 Gráfico da simulação dos valores de temperatura na faixa em que o reator de reforma a vapor de metanol ira trabalhar (200 C a 300 C). A partir dos resultados simulados e da correção dos erros de projeto, um protótipo foi construído. O funcionamento do protótipo desenvolvido foi verificado experimentalmente pela medida da temperatura no interior de um forno tipo Mufla capaz de operar até a temperatura máxima de 1200 ºC. O ensaio foi realizado nos laboratórios de pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG). No ensaio, o forno foi programado para atingir a temperatura de C a partir da temperatura ambiente (aproximadamente 24 0 C). A Figura 6 apresenta o gráfico da temperatura medida pela sonda termopar do sistema construído, comparado ao valor da temperatura da sonda termopar do próprio forno, ambos em função do tempo de aquecimento. Verifica-se que as curvas apresentadas são semelhantes, mas que a curva de temperatura obtida pelo termopar do forno está deslocada de aproximadamente 24 0 C da curva obtida pelo termopar do sistema. Essa diferença ocorre pelo fato de que o termopar do sistema foi posicionado no centro do forno, enquanto que o termopar do forno fica posicionado na parece posterior do mesmo. Subtraindo essa diferença, as curvas praticamente se superpõem. O gráfico da Figura 7 mostra o erro da temperatura medida pelo sistema em comparação aquela medida pelo forno. Verifica-se que o erro é maior para baixos valores de temperatura (aproximadamente 30 0 C) sendo praticamente desprezível (aproximadamente 5 0 C) para médias e altas temperaturas. A maior diferença para baixas temperaturas é justificada pelo não equilíbrio térmico entre as paredes do forno e o seu centro. Esse não equilíbrio térmico é mais evidente para baixas temperaturas.

6 Figura 6- Curva da Temperatura no interior do forno em função do tempo. Os valores foram lidos com o termopar do Sistema e o termopar do Forno. 900 Termopar do sistema 800 Temperatura, T ( o C) Tempo, t (min) Figura 7 - Temperatura no interior de um forno em função do tempo de aquecimento obtida com o termopar do sistema desenvolvido. A barra de erros foi calculada usando como referencial o termopar do forno T F após a subtração do deslocamento médio de 24 ºC. CONCLUSÃO Desenvolveu-se um sistema para medição simultânea de quatro pontos de temperatura para controlar o processo de produção de hidrogênio em um reator de reforma de metanol. O

7 sistema desenvolvido utiliza como sonda de temperatura sensores termopar do tipo k e um circuito eletrônico composto basicamente por componentes MAX6675 e um microcontrolador. O circuito eletrônico é responsável pela conversão dos valores de tensão produzidos nos termopares em valores de temperatura indicados num display de LCD. A utilização do CI MAX6675 permite a amplificação e a digitalização do sinal de entrada do termopar, permitindo uma compactação do circuito eletrônico utilizado. O protótipo desenvolvido é capaz de medir temperaturas na faixa de 0 ºC a 1024 ºC, a amplitude de medida é definida pelo componente CI MAX6675, visto que o sensor termopar tipo K utilizado permite medidas de temperatura de -250ºC a 1200 ºC. Testes realizados com o protótipo comprovam que ele realiza a função para qual foi projetado e que está calibrado. A continuidade do trabalho prevê: analisar a resposta numérica, desenvolver o sistema com mais termopares; desenvolver um sistema de controle do reator baseado nas informações de temperaturas obtidas pelo protótipo apresentado. Testes realizados com o protótipo comprovam que ele realiza a função para qual foi projetado e que está calibrado, apresentando bons resultados para medidas de temperatura na faixa que o reator de reforma a vapor de metanol opera (200⁰C a 300⁰C). A continuidade do trabalho prevê a ampliação do número de termopares do sistema desenvolvido, permitindo um maior controle da produção de hidrogênio no reator de reforma a vapor de metanol; uma análise da resposta numérica do sistema e o desenvolvimento de um sistema de controle do reator baseado nas informações de temperaturas obtidas pelo protótipo apresentado. REFERÊNCIAS [1] AMPHLETT, J.C., CREBER, K.A.M., DAVIS, J.M., MANN, R.F., PEPPLEY, B.A., Stokes, D.M., 1994, Hydrogen production by steam reforming of methanol for polymer electrolyte fuel cells, Internationel Journal of Hydrogen Energy, v.19,pp [2] PATEL, S., PANT, K.K., 2009, Kinetic modeling of oxidative steam reforming of methanol over Cu/ZnO/CeO2/Al2O3 catalyst, Applied Catalysis A: General, v.356, pp [3] WILD, P. J. DE., VERHAAK, M. J. F. M., 2000, Catalytic production of hydrogen from methanol, Catalysis Today, v.60, pp [4] LINDSTROM, B., PETTERSSON, L. J., 2001, Hydrogen generation by steam reforming of methanol over copper-based catalysts for fuel cell applications, International Journal of Hydrogen Energy, v.26, pp [5] PURNAMA, H., RESSLER, T., JENTOFF, R. E., SOERIJANTO, H., SCHLOGL, R., SCHOMACKER, R., 2004, CO formation/selectivity for steam reforming of methanol with a commercial CuO/ZnO/Al2O3 catalyst, Applied Catalysis A: General, v.259, pp [6] MENECHINI NETO, R. Contribuição ao projeto de um reator de reforma a vapor de metanol de uma célula a combustível autônoma, Dissertação, Universidade Estadual de Maringá, [7] TESSER, R., SERIO, M. DI, SANTACESARIA, E., 2009, Methanol steam reforming: A comparison of different kinetics in the simulation of packed bed reactor. Chemical Engineering Journal, v.154,pp [8] NARUSAWA, K., HAYASHIDA, M., KAMIYA, Y., ROPPONGI, H., KURASHIMA, D., WAKABAYASHI, K., 2003, Deterioration in fuel cell performance resulting from hydrogen fuel containing impurities: poisoning effects by CO, CH4, HCHO and HCOOH, JSAE Review, v.24, pp [9] MikroElektronica: MikroC, versão livre Disponível em: < Acesso em: 08 mai