UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Título do Programa
“Engenharia de Processamento Químico do Petróleo”
PROGRAMA DE FORMAÇÃO DE RECURSOS HUMANOS
MMA/MCT/ANP/PRH-28
Mestrando: Douglas Santos
RECIFE
10 / 2001
Dissertação de Mestrado
Título
“Modelagem de reatores catalíticos a partir da
valorização do gás natural com dióxido de carbono”
Linha de Pesquisa
Reatores Químicos e Catálise
Orientação
Profº Nelson Medeiros de Lima Filho
Co-Orientação
Profº Mohand Benachour
Introdução
# Valorização do Gás Natural:
• Reforma Autotérmica
• Reforma por Oxidação Parcial (O2)
• Reforma por Vapor (H2O)
• Reforma por CO2
Introdução
Reforma com CO2
Reação Principal :
CH 4 + CO2 ⇔ 2CO + 2 H 2
Limite termodinâmico: mín. 640ºC
Reação Colateral :
CO2 + H 2 ⇔ CO + H 2O
Limite termodinâmico: max..820ºC
Reações de Desativação :
(1) − CH 4 ⇔ C + 2 H 2
(2) − 2CO ⇔ C + CO2
(1) - Limite termodinâmico: mín. 560ºC
(2) - Limite termodinâmico: max..700ºC
Introdução
• Vantagens :
1. Produtos com perfeita estequiometria para processos de
produção de metanol e a síntese de Fischer-Tropsch;
2. Possibilidade de consumir gases formadores do Efeito
Estufa;
3. Armazenamento de Energia (Reação Endotérmica).
• Desvantagens :
1. A mais importante é a desativação rápida do
catalisador pelo processo de coqueamento;
2. Elevado gasto de energia;
Introdução
# Disponibilidade de Matérias-primas :
• Produção de Gás Natural :
• Dióxido de Carbono :
1.Destilarias(*);
(*)
2. Calcáreo;
Principal fonte no Nordeste
3. Termoelétricas;
4. Emissões Atmosféricas;
Introdução
# Sistema Catalítico :
• Fase Metalica :
Metal
Atividade
Catalítica
Resistência
ao coque
Disponibilidade
Custo
Pt/Ru/
Rh/Ir/
Pd
++
++
-
-
Ni/Co
+
+
+
+
Fe
-
-
++
++
Introdução
# Sistema Catalítico :
• Fase Suporte :
• Elevada área superficial específica (BET);
• Resistência ao coqueamento;
• Elevada atividade catalítica (Sítios Ativos ou centros ácidos)
Al2O3 > TiO2 > SiO2 ( p )
Introdução
# Sistema Reacional :
• Fornos :
• Reatores :
# Sistema de Análises On-Line (Acoplados) :
• Cromatógrafo :
• Espectrômetro de Massa :
Introdução
# Equacionamento dos processos :
• Leito Fixo :
Balanço de Massa :
dF j
dz
= Ω ∗ (1 − ε leito ) ∗ ρ part ∗η j ∗ rj
Balanço de Energia :
dT (1 − ε leito ) ∗ ρ part
=
dz
u f ∗ ρ f ∗ Cp f


*  ∑η j ∗ rj ∗ (− ∆H j ) + Q 
 j

Balanço de Momento :
ρ f ∗u f
dPt
= −Ψ ∗
dz
Φ part
2
Introdução
# Equacionamento dos processos :
• Leito Fluidizado :
Teoria das duas fases (Chaouki et al –1999)
Bolha :
dCb
ub ∗
+ kbe ∗ ai ∗ (Cb − Ce ) − rj = 0
dz
Emulsão :
dCe
d 2 Ce
ue ∗
− De , g
+ kbe ∗ ai ∗ (Ce − Cb ) − rj = 0
2
dz
dz
Objetivo
• Propõe-se com este trabalho a identificação de
condições operacionais otimizadas de temperatura,
pressão e hidrodinâmica, através de equacionamentos
fenomenológicos heterogêneos em estado estacionário,
não-isotérmico para o reator a leito fixo.
Metodologia
1 – Preparação e caracterização do catalisador;
2 – Teste catalítico com reator diferencial;
3 – Análise dos produtos reacionais ;
(Cromatografia e espectro de massa acoplados)
4 – Operação dos reatores ;
(Leito Fixo e Leito Fluidizado)
5 - Avaliação dos equacionamentos fenomenológicos
propostos por otimização.
Metodologia
• Preparação do catalisador Ni 5%:
Repetir o ciclo 3 vezes
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
(Precursor – Nitrato de Níquel)
Etapa 5
Etapa 1: Preparação do suporte (1173 K por 5h, em rampa de 5 K / min sob ar)
Etapa 2: Impregnação Úmida (353 K por 5h, pH 5, agitação constante, sob vácuo)
Etapa 3: Secagem (Estufa, 393 K, por 12 h)
Etapa 4: Calcinação (1073 K por 5h, em rampa de 5K/min sob ar sintético)
Etapa 5: Redução (873 K por 4h sob 10% H2 /Ar)
Resultados e Discussão
1 – Catalisador Preparado;
2 – Modelagem e Simulação Termodinâmica;
3 – Avaliação Comportamental dos Avanços das Reações
em um Sistema Isotérmico para um Reator a Leito
Fixo a 1050 K;
Resultados e Discussão
•
Modelagem e Simulação Termodinâmica;
Condições : P = 1 atm;
GHSV=18000 cm3g-1s-1
CONCLUSÃO
Agradecimentos