Modelagem matemática de reatores para um processo de conversão de dióxido de carbono em combustível de aviação.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Terziotti Neto, Egydio
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Aviation fuel; Carbon dioxide; CO2 electrolysis; Combustível de aviação; Dióxido de carbono; Eletrólise de CO2; Fischer-tropsch; Mathematical models; Modelos matemáticos
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-15092025-074047/

O petróleo é a matéria-prima essencial para a produção de combustíveis como diesel, gasolina e gás liquefeito de petróleo (GLP), os quais, juntos, representaram uma parcela significativa da demanda global. No entanto, a utilização intensiva de combustíveis fósseis está diretamente relacionada ao aumento das emissões de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono, que contribuem de forma expressiva para o avanço do aquecimento global e agravamento do efeito estufa. Apesar dos avanços no desenvolvimento de tecnologias de energias renováveis, como a solar e eólica, que, de fato, são capazes de reduzir as emissões de CO2, ainda são necessárias ações mais abrangentes para mitigar os efeitos adversos do aquecimento global. Isto inclui investimentos maiores em combustíveis de baixa emissão de carbono e infraestrutura sustentável, além de uma colaboração internacional mais efetiva. Uma temática importante relaciona-se ao desenvolvimento de processos de produção de combustível de aviação sustentável, visto que este setor é responsável por uma parcela considerável das emissões de gases de efeito estufa. Desse modo, a busca por tecnologias que permitam a produção de querosene de aviação de forma mais ecológica é urgente. Pretende-se, dessa forma, com o presente projeto, desenvolver modelos fenomenológicos que permitam avaliar os reatores de um processo combinado da eletrólise de CO2 e da síntese de Fischer-Tropsch para a produção de combustível de aviação. São considerados a geometria e o sistema de coordenadas, as hipóteses simplificadoras adequadas ao modelo, correlações e parâmetros pertinentes e a cinética que represente adequadamente as reações envolvidas. Foram avaliadas diferentes categorias de modelos para o eletrolisador de CO2 (equilíbrio e taxas de reação) e aqueles relacionados à síntese de Fischer-Tropsch. Para o leito fixo, modelos pseudo-homogêneo e heterogêneo e, para o leito de lama, modelos single e double class, e mistura perfeita, plug-flow ou com dispersão axial. Na sequência, por meio de validação adequada, foram selecionados aqueles de melhor desempenho. No caso do eletrolisador, o de equilíbrio e, para os reatores de Fischer-Tropsch, o pseudo-homogêneo (leito fixo) e de dispersão axial (leito de lama). A otimização do eletrolisador, a partir de um modelo surrogate, combinando os pacotes OMLT e Pyomo no Python, permitiu atingir uma conversão de CO2 de cerca de 86%, equilibrando intensidade energética e abatimento de CO2, com uma produção de 0,0042 mol/s de monóxido de carbono. Análises de sensibilidade nos reatores de Fischer-Tropsch demonstraram que, em ambos os casos, uma temperatura de entrada de 220 °C e uma razão molar H2:CO de 2:1 representaram o cenário ideal, com pressões entre 20 e 25 bar fornecendo os melhores resultados em termos de conversão, seletividade e equilíbrio térmico. Além disso, o reator de leito de lama mostrou-se superior ao de leito fixo em todos os aspectos avaliados, apresentando um rendimento médio de 16%, comparado a 8-10% do leito fixo. Por fim, um estudo de caso permitiu obter um aproveitamento de carbono inserido no sistema de cerca de 81,6%, mantendo uma produção de SAF (Sustainable Aviation Fuel) de 4000 kg por dia e um abatimento total de CO2 de aproximadamente 34 toneladas por dia, com um sistema de eletrolisadores demandando cerca de 30,8 MWh e um reator de lama de aproximadamente 4,8 m³. Com isso, os resultados obtidos indicam que há viabilidade para esta rota tecnológica e que, embora factível, também apresenta potencial para aprimoramentos, como o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes, células eletrolíticas de maior desempenho e a otimização das condições operacionais e variáveis de processo associadas à síntese de Fischer-Tropsch.