Estudo comparativo de reatores PFR na hidrogenação de metanol: abordagem em fluidodinâmica computacional com leito empacotado peletizado e catalisador estruturado honeycomb.

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Veroneze, Rafael
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertacoes da USP; Universidade de São Paulo; Escola Politécnica
• Palavras-chave em Português: Reatores químicos; Metanol; Dióxido de carbono; Dinâmica dos fluídos computacional; Catálise; Computational fluid dynamics (CFD); Chemical reactors; Catalisis; Methanol; Carbon dioxide
• Link de acesso: https://teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-17042026-095205/

A hidrogenação do dióxido de carbono para metanol é uma etapa crucial no ciclo da economia circular do dióxido de carbono, sendo este um reagente importante para diversos produtos químicos, tais como: gasolina, ácido acético, éter dimetílico (DME), formaldeído, entre outros. Estima-se que esse mercado crescerá a uma taxa de 4,2% ao ano, totalizando uma receita de 38 bilhões de dólares até 2028 (Markets and Markets, 2023). Embora a hidrogenação do dióxido de carbono para metanol seja termodinamicamente favorável, esse processo requer um sistema de catálise heterogênea e, devido a fatores cinéticos intrínsecos, ocorre apenas na superfície catalítica. No presente trabalho, a liga catalítica à base de Cu/ZnO/AlO foi escolhida devido à sua aplicação comercial já estabelecida na forma de pellets, uma geometria que tende a apresentar eficiência catalítica reduzida devido à sua baixa razão entre área de superfície e volume. Consequentemente, visando melhorar a eficiência desse processo, foi realizado um estudo comparativo utilizando dinâmica dos fluidos computacional (CFD) entre reatores PFR (Plug Flow Reactor) tridimensionais equipados com leito fixo de pellets ou catalisador estruturado em formato honeycomb. Aspectos relacionados à transferência de calor, momento e massa foram comparados para ambas as configurações catalíticas. O estudo comparativo utilizando CFD apresentado neste trabalho foi conduzido em diferentes etapas, baseando-se na curva de aprendizado do software utilizado. Inicialmente, o estudo do Índice de Convergência de Malha (GCI) e os estudos fluidodinâmicos preliminares foram realizados em fluxo não reativo e em geometrias simplificadas, as quais são frações das geometrias completas; e em seguida, foram realizadas as simulações finais utilizando os catalisadores completos e fluxo reativo. Os termos cinéticos das reações usados nas simulações foram definidos com base nos resultados publicados por Izbassarov et al. (2021), que empregaram o mecanismo cinético completo de Langmuir-Hinshelwood (LHHW) em suas simulações CFD bidimensionais. Observou-se que o desempenho do catalisador estruturado em colmeia, em termos de homogeneização da temperatura ao longo do leito do reator, foi superior ao do leito fixo de pellets, atingindo uma temperatura média na superfície do catalisador 26% superior à encontrada nos pellets. Ao comparar as frações molares médias obtidas na saída do reator, o valor para a colmeia foi 124% maior do que o encontrado para o reator com pellets. Quando comparado aos resultados reportados por Izbassarov et al. (2021) sob condições operacionais semelhantes, a abordagem tridimensional para os pellets exibiu uma fração mássica média de metanol na saída do reator duas vezes maior do que a relatada na literatura. Consequentemente, o catalisador em formato de colmeia alcançou um aumento de quatro vezes na fração mássica de metanol em relação aos valores da literatura.