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Tipo do documento: Dissertação
Título: Study of the catalytic conversion of CO2 to CO by reverse water-gas shift reaction (RWGS) as a decarbonization alternative for the petroleum industry
Autor: Guimarães, Milena Mendonça 
Primeiro orientador: Zotin, Fátima Maria Zanon
Primeiro coorientador: Costa, André Luiz Hemerly
Segundo coorientador: Appel, Lúcia Gorenstin
Primeiro membro da banca: Santos, Luz Amparo Palacio
Segundo membro da banca: Silveira, Erika Batista
Terceiro membro da banca: Silva, Monica Antunes Pereira da
Resumo: O aumento contínuo da concentração de gases do efeito estufa na atmosfera desde a Revolução Industrial é a origem das mudanças climáticas que acometem o planeta. A resolução dessa questão passa pela redução das emissões antropogênicas de CO2; desta forma, torna-se importante desenvolver alternativas para aproveitar o CO2 como matéria-prima para a obtenção de produtos de interesse comercial. A reação de deslocamento gás-água reversa (bastante conhecida pelo seu nome em inglês, reverse water-gas shift, comumente abreviado como RWGS), apontada como uma rota promissora nos esforços direcionados à descarbonização, consiste na hidrogenação do dióxido de carbono, dando origem a água e monóxido de carbono, que, por sua vez, é amplamente empregado na indústria química para a fabricação de uma grande variedade de produtos. No entanto, a existência de reações competitivas e a natureza endotérmica da reação RWGS fazem com que sua aplicação em escala industrial exija o desenvolvimento de catalisadores mais ativos e seletivos, processo que necessariamente envolve a busca por um conhecimento mais profundo da cinética da reação. Nesse contexto, o presente trabalho tem o objetivo de estudar o desempenho do catalisador comercial de CuO/ZnO/Al2O3 sob diferentes condições operacionais e obter valores de parâmetros cinéticos para as expressões de taxa de reação disponíveis na literatura. Para esse fim, foram realizados testes em temperaturas fixas de 330 °C, 380 °C e 430 °C (testes em patamares de temperatura) sob diferentes velocidades espaciais (18 m³ kg-1 h-1, 30 m³ kg-1 h-1 e 42 m³ kg-1 h-1) e razões molares H2/CO2 (1:1, 2.5:1 e 4:1), além de testes em rampa de temperatura (testes de light-off) da temperatura ambiente até 500 °C. A seletividade a monóxido de carbono obtida foi de 100% em todos os experimentos. Os testes em patamares de temperatura permitiram verificar que maiores temperaturas, maiores razões H2/CO2 e menores velocidades espaciais proporcionam conversões de CO2 mais altas. Os parâmetros cinéticos foram ajustados a partir dos dados experimentais das curvas de light-off fornecidas pelos testes em rampa de temperatura, devido à concordância observada entre essas curvas e os resultados dos testes isotérmicos. Os parâmetros foram estimados usando um modelo pseudo-homogêneo de reator de leito fixo em estado estacionário, aplicando as expressões de taxa de reação propostas por três diferentes grupos de pesquisa. A simulação das curvas de light-off com os parâmetros obtidos forneceu uma previsão satisfatória das tendências observadas experimentalmente, indicando que as curvas de light-off podem ser uma abordagem prática para a extração de informações cinéticas de uma forma mais simples e com menor número de experimentos necessários.
Abstract: The continuous increase in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere since the Industrial Revolution is the origin of the climate change that affects the planet. The solution to this issue involves reducing anthropogenic CO2 emissions; therefore, it is important to develop alternatives for employing the CO2 as a raw material to obtain products with commercial interest. The reverse water-gas shift reaction (commonly abbreviated as RWGS), identified as a promising route in efforts aimed at decarbonization, consists of the hydrogenation of carbon dioxide, giving rise to water and carbon monoxide, which, in turn, is widely used in the chemical industry to manufacture a broad variety of products. However, the existence of competitive reactions and the endothermic nature of the RWGS reaction mean that its application on an industrial scale requires the development of more active and selective catalysts, a process that necessarily involves the search for a deeper understanding of the reaction kinetics. In this scenario, the present work aims to study the performance of the commercial CuO/ZnO/Al2O3 catalyst under different operating conditions and to obtain kinetic parameter values for reaction rate expressions available in the literature. For this purpose, tests were performed at fixed temperatures of 330 °C, 380 °C and 430 °C (tests at temperature levels) under different space velocities (18 m³ kg-1 h-1, 30 m³ kg-1 h-1 and 42 m³ kg-1 h-1) and H2/CO2 molar ratios (1:1, 2.5:1 and 4:1), in addition to temperature ramp tests (light-off tests) from room temperature to 500 °C. The selectivity to carbon monoxide obtained was 100% in all experiments. The fixed-temperature tests allowed verifying that higher temperatures, higher H2/CO2 ratios, and lower space velocities provide higher CO2 conversions. The kinetic parameters were fitted from the experimental data of the light-off curves provided by the temperature ramp tests, due to the agreement observed between these curves and the results of the isothermal tests. The parameters were estimated using a pseudo-homogeneous model of a steady-state fixed-bed reactor, applying the reaction rate expressions proposed by three different research groups. The simulation of the light-off curves with the obtained parameters provided a satisfactory prediction of the experimentally observed trends, indicating that the light-off curves can be a practical approach for the extraction of kinetic information in a simpler way and with a smaller number of experiments required.
Palavras-chave: Catálise
CO2
Descarbonização
Reação de deslocamento gás-água reversa
Modelagem
Catalysis
Decarbonization
Reverse water-gas shift reaction
Modeling
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Citação: GUIMARÃES, Milena Mendonça. Study of the catalytic conversion of CO2 to CO by reverse water-gas shift reaction (RWGS) as a decarbonization alternative for the petroleum industry. 2024. 111 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Instituto de Química, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2024.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23685
Data de defesa: 10-Out-2024
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Química



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