Orientador: Luís Fernando Mercier Franco

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Motivado pela escassez de combustíveis fósseis e pela crescente necessidade de diversificar as matrizes energéticas mundiais, o interesse por fontes de energia renováveis cresce e traz consigo a dificuldade do seu armazenamento. A produção de hidrogênio (H2) por eletrólise da água, ou pela...

Resumo: Motivado pela escassez de combustíveis fósseis e pela crescente necessidade de diversificar as matrizes energéticas mundiais, o interesse por fontes de energia renováveis cresce e traz consigo a dificuldade do seu armazenamento. A produção de hidrogênio (H2) por eletrólise da água, ou pela reforma do metano pode ser a solução. Para que atinja densidade energética competitiva, entretanto, pressões elevadas de até 100 MPa são necessárias e, por vezes, o armazenamento do H2 é feito em partículas com poros nanoestruturados. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um campo de forças SAFT-y Mie para o H2 acompanhado da comparação com outros campos de força encontrados na literatura para o cálculo de propriedades termofísicas por simulações de Dinâmica Molecular (DM). A comparação dos modelos de H2 foi realizada com temperaturas de 100 K a 400 K e pressões de 10 MPa a 100 MPa. O modelo SAFT-y Mie proposto apresentou melhor desempenho que os demais campos de forças testados. Por isso, este modelo foi escolhido para a realização do estudo do coeficiente de difusão por DM. As simulações foram realizadas com temperaturas de 171 K a 372 K e pressões de 50 MPa a 200 MPa. O modelo SAFT-y Mie se mostrou capaz de predizer razoavelmente coeficientes de autodifusão do H2 . O estudo do nanovazamento também foi estudado por simulações de DM. O aumento do tamanho da fenda influenciou claramente na velocidade inicial de vazamento. Contudo, temperatura e pressão mostraram-se unicamente dependentes do número instantâneo de partículas confinadas independentemente do tamanho da fenda. Foi possível observar a influência na atenuação de flutuações, realizando várias simulações com diferentes configurações iniciais. Por fim, os resultados obtidos neste trabalho não só mostraram quão poderosa é a DM para o estudo de nanovazamentos, como também contribuíram para que no futuro o estudo de fenômenos macroscópicos possam ser comparados à escala nanoscópica

Abstract: Motivated by the possible shortage of fossil fuels in the future and the increasing need for energy matrix diversification, the fast growth of renewable energies also brought the challenge of their storage. The production of hydrogen by water electrolysis or methane reforming may be the...

Abstract: Motivated by the possible shortage of fossil fuels in the future and the increasing need for energy matrix diversification, the fast growth of renewable energies also brought the challenge of their storage. The production of hydrogen by water electrolysis or methane reforming may be the solution. To achieve a competitive energy density though, very high pressures up to 100 MPa are required, which is particularly challenging considering that very often H2 is stored within nanostructured pores. In this work, the development of a SAFT-y Mie force field for H2 is proposed, followed by a comparison to other force fields found in the literature in terms of thermophysical properties calculation via Molecular Dynamics (MD) simulations. The comparison between H2 models was performed at temperatures from 100 K to 400 K and pressures from 10 MPa to 100 MPa. The proposed SAFT-y Mie force field proved to be the most accurate one. Therefore, this model was cho- sen for the calculation of transport properties via MD. The simulations were performed at temperatures ranging from 171 K to 372 K and at pressures from 50 MPa to 200 MPa. SAFT-y Mie provided reasonable predicted values for H2 self-diffusion coefficient. The nanoleakage of H2 was also investigated via MD simulations. The increase of the aperture size clearly influenced the initial flow velocity. Temperature and pressure, however, seem to be strongly dependent on the instantaneous number of confined particles, regardless of the aperture size. The influence of fluctuations attenuation by performing several simulations with different initial configurations was also observed. Finally, the results obtained in this work not only have shown how powerful MD is to study nanoflows but also have contributed for a future bridge between macroscopic phenomena and the nanoscopic scale

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