Oxidação com Cu-Fau e CO2 como oxidante em processo contínuo e com modulação CH4-CO2

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Carvalho, Yasmin Oliveira
Orientador(a): Bueno, José Maria Corrêa lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQ
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20441
Resumo: The direct oxidation of methane to methanol has been a long-standing challenge in heterogeneous catalysis, with limited methanol production during each catalytic cycle. An alternative option would be to implement a continuous gas-phase process with high productivity, which for safety reasons requires high control over the use of O2. In the present work, it was possible to obtain a continuous process for the isothermal conversion of methane to methanol at high temperature (350-400ºC) using CuFAU and suppressing the methanol extraction step with steam. By replacing O2 with CO2 as oxidant and removing water vapor from the process, the active phase Z-CuOH.HOCu-Z becomes Z-Cu3O3-Z. Z-Cu3O3-Z species are reduced by CH4 and reoxidized by CO2. Modulation tests with CH4 and CO2 revealed that the amount of oxygen available for the reaction is much greater than that present in the active phase Z-Cu3O3-Z. It was found that under the reaction conditions, when CO2 is fed to the reactor, part of it is adsorbed on the zeolite, which is used in the reoxidation of the active species when reduced by methane. Thus, by feeding the reactor only with CH4 at 7 bar, methanol could be formed and desorbed at a temperature of 400°C for a long time (> 3 h), with an average rate of 162.6 µmolmethanol.(gcat.h)-1 . The results show the possibility of continuous methanol formation in the absence of O2, with yields of the order of those obtained in the looping approach. Therefore, this process seems to be a step forward towards the possible commercialization of the direct conversion of methane to methanol.
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In the present work, it was possible to obtain a continuous process for the isothermal conversion of methane to methanol at high temperature (350-400ºC) using CuFAU and suppressing the methanol extraction step with steam. By replacing O2 with CO2 as oxidant and removing water vapor from the process, the active phase Z-CuOH.HOCu-Z becomes Z-Cu3O3-Z. Z-Cu3O3-Z species are reduced by CH4 and reoxidized by CO2. Modulation tests with CH4 and CO2 revealed that the amount of oxygen available for the reaction is much greater than that present in the active phase Z-Cu3O3-Z. It was found that under the reaction conditions, when CO2 is fed to the reactor, part of it is adsorbed on the zeolite, which is used in the reoxidation of the active species when reduced by methane. Thus, by feeding the reactor only with CH4 at 7 bar, methanol could be formed and desorbed at a temperature of 400°C for a long time (> 3 h), with an average rate of 162.6 µmolmethanol.(gcat.h)-1 . The results show the possibility of continuous methanol formation in the absence of O2, with yields of the order of those obtained in the looping approach. Therefore, this process seems to be a step forward towards the possible commercialization of the direct conversion of methane to methanol.A oxidação direta de metano a metanol se tornou um desafio de longa data na catálise heterogênea, com rendimento de metanol limitado ao decorrer de cada ciclo catalítico. Uma opção alternativa, seria a implementação de um processo de fluxo contínuo em fase gasosa com alta produtividade, que por questões de segurança, necessita de um alto controle no uso do O2. No presente trabalho, foi possível obter um processo contínuo de conversão de metano em metanol de forma isotérmica em alta temperatura (350-400ºC) com uso de CuFAU e supressão da etapa de extração do metanol com vapor d’água. Com a substituição do O2 por CO2 como oxidante e retirada do vapor d’água do processo, a fase ativa Z-CuOH.HOCu-Z passa a ser Z-Cu3O3-Z. As espécies Z-Cu3O3-Z são reduzidas pelo CH4 e reoxidadas pelo CO2. Ensaios de modulação com CH4 e CO2, revelaram que a quantidade de oxigênio disponível para reação é muito maior que a presente na fase ativa Z-Cu3O3-Z. Identificou-se que nas condições de reação, quando o CO2 é alimentado ao reator, parte fica adsorvido na zeólita, o qual é utilizado na reoxidação da espécie ativa quando reduzida pelo metano. Assim, alimentando o reator apenas com CH4 a 7 bar, o metanol pôde ser formado e dessorvido na temperatura de 400°C durante longo tempo (> 3h), com taxa média de 162,6 µmolmetanol.(gcat.h)-1 . Os resultados mostram a possibilidade da formação contínua do metanol na ausência de O2, com rendimentos na ordem do que é obtido na abordagem do processo cíclico. Com isso, esse procedimento se mostra um passo em frente na direção de uma possível comercialização da conversão direta do metano em metanol.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.498025/2020-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Química - PPGEQUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessMetano a metanolConversão contínuaDessorção de metanolZeólitaCobreMethane to methanolContinuous conversionMethanol desorptionZeoliteCopperENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICAOxidação com Cu-Fau e CO2 como oxidante em processo contínuo e com modulação CH4-CO2Oxidation with Cu-Fau and CO2 as oxidant in continuous process and with CH4-CO2 modulationinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTTese Biblioteca.pdf.txtTese Biblioteca.pdf.txtExtracted texttext/plain103283https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/be1dd459-e6a5-4ed9-91bd-ec5ed18c6f82/downloadc03c4ad1a2aaef1105e62634da7cd012MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILTese Biblioteca.pdf.jpgTese Biblioteca.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4336https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/619e48e6-3fc2-489e-9017-21835bbab1ba/downloadc99fe292b323f95cb1f9e8a546fb6d4fMD54falseAnonymousREADORIGINALTese Biblioteca.pdfTese Biblioteca.pdfapplication/pdf2991290https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/32b74b6a-80c4-411d-a5ef-880f0ab83623/downloada64945a56752f0d585cd70c31552f788MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/c223756c-832d-4af8-b958-8f7965d47c07/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREAD20.500.14289/204412025-02-06 03:05:13.565http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/20441https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T06:05:13Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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