Oxidação parcial catalítica do metano para produção de gás de síntese utilizando catalisadores suportados em fibras de FeCrAlloy®

Abstract

Grandes volumes de gás natural (GN) são emitidos ou queimados em plataformas de petróleo, liberando metano, monóxido de carbono e, majoritariamente, dióxido de carbono. Estes gases são responsáveis pelo efeito estufa e representam um sério risco ao meio ambiente e à saúde das pessoas que estão nas proximidades dos locais de emissão, devido a sua toxicidade. Composto predominantemente por metano, o GN é uma fonte de energia segura e possui baixos teores de contaminantes, sendo considerado o combustível fóssil mais limpo. Devido à grande distância entre os reservatórios e os centros consumidores, a construção de gasodutos é economicamente inviável. Em contrapartida, o metano pode ser convertido em combustíveis líquidos através de tecnologias Gas-to- Liquids. A primeira etapa desses processos é a conversão do metano em gás de síntese, que pode ser realizada por diferentes métodos. Dentre os possíveis métodos, a tecnologia de oxidação parcial catalítica do metano (OPCM) oferece diversas vantagens, como menor tempo de residência, menores temperaturas de operação e razão H2/CO ótima para o processo subsequente de Fischer-Tropsch. No presente trabalho foram sintetizados três catalisadores suportados em malhas oxidadas de liga FeCrAl (FCO): FCO/5%Ce, FCO/5%Ce/1%Pt e FCO/0,9%Pt/0,1%Rh, os quais foram caracterizados por difração de raios X (DRX), análise BET, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS). Os catalisadores foram testados para a produção de gás de síntese através do processo de OPCM. A atividade catalítica do suporte virgem e oxidado também foi analisada. A reação teve início entre 600 °C e 700 °C para todos os catalisadores, a 1 bar. Ensaios realizados a 20 bar evidenciaram que o desempenho dos catalisadores diminui com o aumento da pressão. Para o catalisador que apresentou melhor desempenho catalítico (FCO/0,9%Pt/0,1%Rh) foi realizada uma otimização das condições de reação, variando a temperatura do reator (850 a 950 °C), pressão do sistema (1 e 20 bar) e razão molar O2/CH4 (0,40 a 0,70). O catalisador FCO/0,9%Pt/0,1%Rh sofreu leve desativação ao longo de 255 min sob condições ótimas. Experimentos de OPCM consecutivos mostraram que o catalisador pode ser regenerado com oxigênio, mantendo sua atividade catalítica. Os resultados deste trabalho apontam que o FCO é um excelente suporte e pode oxidar metano parcialmente a baixas e altas pressões.

Abstract : A substantial amount of natural gas is vented or burnt in oil platforms, releasing methane, carbon monoxide and, mostly, carbon dioxide into the atmosphere. These components are greenhouse gases and represent a serious risk to the environment and to the health of local people, due to their toxicity. The natural gas is composed mostly of methane, it is a safe source of energy with low impurity content and it is considered the cleanest fossil fuel. Due to the large distance between the reservoirs and customers, the pipelines building are uneconomic. However, methane can be converted to liquid fuels through Gas-to-Liquids technologies. The first step of this process is the conversion of methane into synthesis gas, which can be performed through different routes. Among the possible methods, the catalytic partial oxidation of methane (CPOM) presents some advantages like lower residence time, lower reaction temperatures and optimal H2/CO ratio to the subsequent Fischer- Tropsch process. In the present work, three catalysts supported on oxidized FeCrAlloy (FCO) woven were synthesized: FCO/5%Ce, FCO/5%Ce/1%Pt and FCO/0,9%Pt/0,1%Rh; which were characterized by X-ray diffraction (XRD), BET analysis, scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The catalysts were tested to produce synthesis gas through the CPOM process. The catalytic activity of the virgin and oxidized support was analyzed. The reaction began between 600 °C and 700 °C for all catalysts, at 1 bar. Experiments performed at 20 bar pointed that the catalyst performance decreased at higher pressures. The reaction conditions were optimized for the catalyst that showed the best performance (FCO/0,9%Pt/0,1%Rh), varying the reactor temperature (850 to 950 °C), system pressure (1 and 20 bar) and the O2/CH4 molar ratio (0,40 to 0,70). The FCO/0,9%Pt/0,1%Rh catalyst has been slightly deactivated over 255 min under optimal conditions. Successive experiments of CPOM indicate that the catalysts can be regenerated with oxygen, maintaining their catalytic activity. The results of this work indicate that the FCO is an excellent support and it can oxidize methane partially at low and high pressures.