Desenvolvimento de sistemas catalíticos microestruturados para avaliação da reforma seca do gás natural

Abstract

Despontando como nova, mas não necessariamente recente, a tecnologia da miniaturização chega também aos processos químicos. Assim, este trabalho guiou-se com o objetivo de avaliar esta tecnologia no que concerne à concepção e emprego de microssistemas, em especial os microrreatores, desenvolvidos para processos catalíticos, com o intuito de intensificação desses processos, consideradas condições de maior segurança e superação de limites difusionais e térmicos. Foram preparados microrreatores do tipo monólitos em aço Fecralloy®, de 18 mm de diâmetro e 3 cm de comprimento, cada um com canais sinusoidais de 500 μm, tendo sido recobertos por catalisadores específicos para a reforma seca do metano, sendo um de níquel-alumina e outro de níquel/céria-alumina, com massa de fase ativa correspondente a 5,0% em massa (de níquel metálico). Uma vez preparados, os referidos catalisadores foram caracterizados e avaliados quanto ao seu desempenho, em termos de atividade catalítica, frente ao processo químico eleito. A escolha dos catalisadores se deu considerando-se o uso comercial do catalisador de níquel suportado em alumina para as reformas do gás natural, com vistas à obtenção de gás de síntese (syngas) e de hidrogênio, bem como à possibilidade de melhoria de seu desempenho com a dopagem de seu suporte (gama-alumina) com céria (CeO2). Os monólitos recobertos com os catalisadores também foram caracterizados, avaliando-se alguns fatores, dentre os quais sua resistência mecânica, para serem submetidos também a avaliações através da reforma seca do metano e, ao final, serem comparados, em termos de atividade catalítica, conversões, rendimentos e seletividades, com os desempenhos dos catalisadores puros. Os procedimentos de preparação dos catalisadores e monólitos foram realizados em parceria com a Universidad del País Vasco (Espanha), seguindo técnicas já consolidadas pelos seus pesquisadores, e os processos reativos foram levados a efeito no Laboratório de Processos Catalíticos da UFPE. Os procedimentos de formulação e preparação dos catalisadores e monólitos se mostraram eficazes, tendo sido obtidos resultados bastante significativos em termos dos parâmetros avaliados. Conversões de 96% para o metano foram alcançadas com ambos os catalisadores puros. Porém, com os sistemas microestruturados, alcançou-se 97% de conversão para o catalisador de níquel/alumina e próximo dos 100% para o catalisador de níquel/céria-alumina, em tempos espaciais maiores e a temperaturas mais elevadas. Rendimentos e seletividades para o gás de síntese de 88,7% e 94,5%, respectivamente, utilizando-se o catalisador de níquel/céria-alumina, foram verificados com o emprego dos sistemas microestruturados. Razões molares de H2/CO em torno da unidade foram mantidas, como sugerem os processos de reforma seca do metano. Paralelamente, foram realizados estudos termodinâmicos e cinéticos com vistas a uma modelagem do processo avaliado, adotando-se inicialmente parâmetros cinéticos constantes da literatura e ajustando-os ao caso. Balanços mássicos e térmicos foram efetuados, juntamente com considerações difusionais e fluidodinâmicas, para se implementar um modelo usando-se o método dos elementos finitos. Validado o modelo através dos resultados experimentais, foi possível a análise dos fenômenos fluidodinâmicos no interior dos canais dos monólitos concebidos, avaliando-se o comportamento dos componentes reacionais, bem como os perfis de temperatura do sistema.