Several self-supported and metal oxide supported cobalt Fisher-Tropsch (FT) catalysts were prepared applying incipient wetness impregnation method. The catalysts were characterized by TPR, adsorption-desorption, XRD, TEM and SEM. The gas products were characterized by GC. The effect of support was investigated. The selfsupported 3D ordered macro-porous (3DOM) Fe-Co and self-supported 2D ordered mesoporous catalyst showed low or no activity under typical F-T reaction conditions. The 3DOM Al2O3 supported cobalt catalyst showed much higher CO conversion and C4+ selectivity than conventional Co/Gamma-Al2O3 catalyst. However, the 3DOM Co/Al2O3 prepared by incorporated method showed no activity. The supported Co/SBA-15 performed better CO conversion than the conventional Co/SiO2. The effects of temperature and time on 3DOM Co/Al2O3 and Co/SBA-15 system were coherent with traditional catalysts. The well-defined structure of 3DOM Al2O3 and SBA-15 may favor to the selectivity of C4+ hydrocarbons product.

Pretende-se estudar um caminho alternativo para a obtenção de biocombustíveis sintéticos, para uso veicular, utilizando-se para tal a rota tecnológica conhecida como Biomass-to-Liquids (BTL) que consiste na utilização da síntese Fischer-Tropsch para a construção de cadeias de hidrocarbonetos a partir de unidades monoméricas obtidas de uma mistura gasosa majoritariamente formada por monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H), conhecida como syngas quando proveniente de fontes energéticas fósseis como o carvão mineral ou o gás natural ou também biosyngas quando proveniente de matéria-prima carbonada renovável, como é o caso da biomassa. O presente trabalho visa abordar o começo dessa cadeia produtiva ao introduzir um conceito para biomassa e os meios para obtenção do biosyngas através do processo conhecido como gaseificação; é feita uma menção à obtenção bem sucedida de biosyngas nas dependências do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo. Segue-se com a utilização desse insumo na síntese Fischer-Tropsch largamente utilizada ao longo do século XX em países específicos para abastecimento da frota veicular local onde seu princípio fundamental é introduzido, assim como os principais mecanismos de formação de cadeias de hidrocarbonetos de diferentes pesos moleculares permitindo assim a obtenção de gasolina e óleo diesel. Essa dissertação apresenta conceitos para a palavra combustível, da mesma forma que introduz os combustíveis fósseis, seus importantes derivados e suas propriedades gerais para que seja possível, adiante, utilizá-los como comparativo com os biocombustíveis sintéticos; é apresentada a evolução histórica dessa tecnologia e são também abordadas a primeira e segunda gerações de biocombustíveis, para se trazer dados que indiquem as vantagens do óleo diesel Fischer-Tropsch quando comparado com seu equivalente oriundo da petroquímica convencional e por fim demonstrar sua superior qualidade sócio-ambiental como biocombustível sintético para o futuro da matriz energética mundial. / What is supposed to be on board of this study consists in an alternative way focused on vehicular use synthetic fuels obtaining, using as main process the technological route known as Biomass-to-Liquids (BTL), which one consists on Fischer-Tropsch synthesis use for hydrocarbons chain building starting from monomer units obtained from a gas mixture made up mostly by carbon monoxide (CO) and hydrogen (H), known as syngas from fossil energy sources such as coal or natural gas or also biosyngas from carbonaceous renewable raw materials, such as biomass. This paper aims to address the beginning of the production chain in order to introduce a concept for biomass and the biosyngas obtaining means through the process known as gasification, a reference is made to a successful biosyngas obtaining the dependencies at the Institute for Technological Research (IPT) from Sao Paulo. Then there is the use of that input in the Fischer-Tropsch synthesis widely used throughout the twentieth century, in specific countries, to supply the local vehicle fleet where its basic principle is introduced, as well as the main hydrocarbons chain formation mechanisms thus different molecular weights providing gasoline and diesel oil. This essay presents concepts for the word fuel, the same way that makes it for fossil fuels, their major products and their properties in order to use them as a comparison standard for synthetic biofuels, it was also presented the historical development of this technology and first and second generation of biofuels, in order to bring evidence to suggest the benefits of the Fischer-Tropsch diesel fuel once compared to its conventional equivalent come from the petrochemical and finally to demonstrate it as a socio-environmentally superior quality synthetic biofuel for the future of global energy matrix.

Neste trabalho, foram investigados diferentes catalisadores à base de ferro, desde aspectos relacionados à sua preparação e caracterização até o seu desempenho na Síntese de Fischer-Tropsch. A abordagem incluiu a preparação de diferentes grupos de catalisadores e o estudo do efeito da temperatura de reação, da influência de parâmetros de síntese e do efeito da adição de cobalto e cobre às amostras sobre o seu desempenho catalítico. Os testes foram conduzidos por 6 h em reator tubular de leito fixo, sob pressão de 0,18 MPa, em temperaturas entre 280 e 320°C, carga de 500 mg e vazão de alimentação de 10 mL.min-1 da mistura H2/CO (razão molar 2:1) diluída em 40 mL.min-1 de N2. Além de aumentar a atividade do catalisador, o aumento da temperatura da reação resultou em maior seletividade para CO2, maior razão olefina/parafina, maior formação de coque e menor tendência à formação de produtos mais pesados. Nas condições empregadas, observou-se que a adição de cobre a catalisadores Fe-Si aumenta a área específica e a atividade da reação, mas a tendência à desativação por deposição de coque é elevada e a distribuição dos produtos é prejudicada. Quanto aos parâmetros de síntese, o tempo de cristalização e o agente precipitante pouco influenciaram a performance dos catalisadores, mas esta foi comprometida pelo tratamento térmico em atmosfera estagnada. O estudo dos catalisadores Fe-Al e Mg-Fe mostrou que há uma elevação significativa da área específica e de sua atividade quando há adição de um terceiro metal (cobre e cobalto). Também se verificou um sensível deslocamento para formação de produtos com cadeias carbônicas mais longas e uma diminuição da seletividade a CO2. A ativação com H2 das amostras contendo Co e Cu resultou na sinterização destes metais, sendo o último o mais afetado devido à redução do cobre ocorrer em menor faixa de temperatura, conforme mostrado pelos perfis de TPR. Maiores teores de cobre prejudicaram tanto a seletividade como a atividade dos dois grupos de catalisadores. As amostras do grupo Fe-Al apresentaram distribuição de produtos mais interessante do que as do grupo Mg-Fe e maiores conversões de CO para as amostras auto-ativadas contendo Cu. No entanto, os catalisadores do grupo Fe-Al, por possuírem maior acidez, apresentaram maior tendência à desativação por deposição de coque. O catalisador do tipo Cu-Fe-Al submetido a ciclos de reação-regeneração consecutivos apresentou contínua perda de atividade, associada à sinterização e à oxidação incompleta do coque. O acompanhamento do sinal de O2 durante os ensaios de regeneração sugeriu uma deposição de coque mais pesado para regenerações mais recentes. / Aspects related to preparation, characterization and performance for Fischer- Tropsch synthesis of iron-based catalysts were investigated in this work. The approach included the preparation of different groups of catalysts and the study of the effect of reaction temperature, the influence of synthesis parameters and the effect of adding cobalt and copper to samples over its catalytic performance. Tests were performed for 6 h in a tubular fixed bed reactor on 0.18 MPa, temperature between 280 and 320°C, 500 mg of catalyst and H2/CO (2:1 molar ratio) with a flow rate of 10 mL.min-1 diluted to 40 mL.min-1 N2 stream. In addition to improving catalyst activity, the increase in reaction temperatures resulted in higher selectivity to CO2, higher olefin-to-paraffin ratio, higher coke formation and lower tendency to form heavier products. Under these reaction conditions, the addition of copper to Fe-Si catalysts increased the specific surface area and reaction activity, but enhanced the deactivation tendency due to coke formation and affected the products distribution. Evaluating the synthesis parameters, the crystallization time and the precipitating agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the thermal treatment on stagnant atmosphere. The study of Fe-Al and Mg-Fe catalysts showed a significant increase in specific surface area and in activity when a third metal (copper and cobalt) is added. A significant shift in selectivity towards higher chain length products and a lower selectivity to CO2 were also verified. H2 activation step of Co and Cu-containing samples resulted in sintering of these metals. The effect of sintering appeared to be more severe for Cu-containing catalyst once copper reduces in lower temperature range, as shown in TPR profiles. The increase of copper content had a detrimental effect over selectivity and activity of both catalyst groups. The Fe-Al catalysts showed more interesting product spectra distribution compared to Mg-Fe ones, and showed higher CO conversion for self-activated Cucontaining catalysts. Nevertheless, the Fe-Al group catalysts showed higher deactivation tendency due to coke deposition as they presented stronger acidity. The Cu-Fe-Al type catalyst submitted to consecutive reaction-regeneration cycles showed a continuous loss of activity associated to sintering and incomplete coke oxidation. The monitoring of O2 signal during regeneration tests suggested the formation of a heavier coke for earlier regeneration.

Neste trabalho, foram investigados diferentes catalisadores à base de ferro, desde aspectos relacionados à sua preparação e caracterização até o seu desempenho na Síntese de Fischer-Tropsch. A abordagem incluiu a preparação de diferentes grupos de catalisadores e o estudo do efeito da temperatura de reação, da influência de parâmetros de síntese e do efeito da adição de cobalto e cobre às amostras sobre o seu desempenho catalítico. Os testes foram conduzidos por 6 h em reator tubular de leito fixo, sob pressão de 0,18 MPa, em temperaturas entre 280 e 320°C, carga de 500 mg e vazão de alimentação de 10 mL.min-1 da mistura H2/CO (razão molar 2:1) diluída em 40 mL.min-1 de N2. Além de aumentar a atividade do catalisador, o aumento da temperatura da reação resultou em maior seletividade para CO2, maior razão olefina/parafina, maior formação de coque e menor tendência à formação de produtos mais pesados. Nas condições empregadas, observou-se que a adição de cobre a catalisadores Fe-Si aumenta a área específica e a atividade da reação, mas a tendência à desativação por deposição de coque é elevada e a distribuição dos produtos é prejudicada. Quanto aos parâmetros de síntese, o tempo de cristalização e o agente precipitante pouco influenciaram a performance dos catalisadores, mas esta foi comprometida pelo tratamento térmico em atmosfera estagnada. O estudo dos catalisadores Fe-Al e Mg-Fe mostrou que há uma elevação significativa da área específica e de sua atividade quando há adição de um terceiro metal (cobre e cobalto). Também se verificou um sensível deslocamento para formação de produtos com cadeias carbônicas mais longas e uma diminuição da seletividade a CO2. A ativação com H2 das amostras contendo Co e Cu resultou na sinterização destes metais, sendo o último o mais afetado devido à redução do cobre ocorrer em menor faixa de temperatura, conforme mostrado pelos perfis de TPR. Maiores teores de cobre prejudicaram tanto a seletividade como a atividade dos dois grupos de catalisadores. As amostras do grupo Fe-Al apresentaram distribuição de produtos mais interessante do que as do grupo Mg-Fe e maiores conversões de CO para as amostras auto-ativadas contendo Cu. No entanto, os catalisadores do grupo Fe-Al, por possuírem maior acidez, apresentaram maior tendência à desativação por deposição de coque. O catalisador do tipo Cu-Fe-Al submetido a ciclos de reação-regeneração consecutivos apresentou contínua perda de atividade, associada à sinterização e à oxidação incompleta do coque. O acompanhamento do sinal de O2 durante os ensaios de regeneração sugeriu uma deposição de coque mais pesado para regenerações mais recentes. / Aspects related to preparation, characterization and performance for Fischer- Tropsch synthesis of iron-based catalysts were investigated in this work. The approach included the preparation of different groups of catalysts and the study of the effect of reaction temperature, the influence of synthesis parameters and the effect of adding cobalt and copper to samples over its catalytic performance. Tests were performed for 6 h in a tubular fixed bed reactor on 0.18 MPa, temperature between 280 and 320°C, 500 mg of catalyst and H2/CO (2:1 molar ratio) with a flow rate of 10 mL.min-1 diluted to 40 mL.min-1 N2 stream. In addition to improving catalyst activity, the increase in reaction temperatures resulted in higher selectivity to CO2, higher olefin-to-paraffin ratio, higher coke formation and lower tendency to form heavier products. Under these reaction conditions, the addition of copper to Fe-Si catalysts increased the specific surface area and reaction activity, but enhanced the deactivation tendency due to coke formation and affected the products distribution. Evaluating the synthesis parameters, the crystallization time and the precipitating agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the thermal treatment on stagnant atmosphere. The study of Fe-Al and Mg-Fe catalysts showed a significant increase in specific surface area and in activity when a third metal (copper and cobalt) is added. A significant shift in selectivity towards higher chain length products and a lower selectivity to CO2 were also verified. H2 activation step of Co and Cu-containing samples resulted in sintering of these metals. The effect of sintering appeared to be more severe for Cu-containing catalyst once copper reduces in lower temperature range, as shown in TPR profiles. The increase of copper content had a detrimental effect over selectivity and activity of both catalyst groups. The Fe-Al catalysts showed more interesting product spectra distribution compared to Mg-Fe ones, and showed higher CO conversion for self-activated Cucontaining catalysts. Nevertheless, the Fe-Al group catalysts showed higher deactivation tendency due to coke deposition as they presented stronger acidity. The Cu-Fe-Al type catalyst submitted to consecutive reaction-regeneration cycles showed a continuous loss of activity associated to sintering and incomplete coke oxidation. The monitoring of O2 signal during regeneration tests suggested the formation of a heavier coke for earlier regeneration.

Neste trabalho, foram investigados diferentes catalisadores à base de ferro, desde aspectos relacionados à sua preparação e caracterização até o seu desempenho na Síntese de Fischer-Tropsch. A abordagem incluiu a preparação de diferentes grupos de catalisadores e o estudo do efeito da temperatura de reação, da influência de parâmetros de síntese e do efeito da adição de cobalto e cobre às amostras sobre o seu desempenho catalítico. Os testes foram conduzidos por 6 h em reator tubular de leito fixo, sob pressão de 0,18 MPa, em temperaturas entre 280 e 320°C, carga de 500 mg e vazão de alimentação de 10 mL.min-1 da mistura H2/CO (razão molar 2:1) diluída em 40 mL.min-1 de N2. Além de aumentar a atividade do catalisador, o aumento da temperatura da reação resultou em maior seletividade para CO2, maior razão olefina/parafina, maior formação de coque e menor tendência à formação de produtos mais pesados. Nas condições empregadas, observou-se que a adição de cobre a catalisadores Fe-Si aumenta a área específica e a atividade da reação, mas a tendência à desativação por deposição de coque é elevada e a distribuição dos produtos é prejudicada. Quanto aos parâmetros de síntese, o tempo de cristalização e o agente precipitante pouco influenciaram a performance dos catalisadores, mas esta foi comprometida pelo tratamento térmico em atmosfera estagnada. O estudo dos catalisadores Fe-Al e Mg-Fe mostrou que há uma elevação significativa da área específica e de sua atividade quando há adição de um terceiro metal (cobre e cobalto). Também se verificou um sensível deslocamento para formação de produtos com cadeias carbônicas mais longas e uma diminuição da seletividade a CO2. A ativação com H2 das amostras contendo Co e Cu resultou na sinterização destes metais, sendo o último o mais afetado devido à redução do cobre ocorrer em menor faixa de temperatura, conforme mostrado pelos perfis de TPR. Maiores teores de cobre prejudicaram tanto a seletividade como a atividade dos dois grupos de catalisadores. As amostras do grupo Fe-Al apresentaram distribuição de produtos mais interessante do que as do grupo Mg-Fe e maiores conversões de CO para as amostras auto-ativadas contendo Cu. No entanto, os catalisadores do grupo Fe-Al, por possuírem maior acidez, apresentaram maior tendência à desativação por deposição de coque. O catalisador do tipo Cu-Fe-Al submetido a ciclos de reação-regeneração consecutivos apresentou contínua perda de atividade, associada à sinterização e à oxidação incompleta do coque. O acompanhamento do sinal de O2 durante os ensaios de regeneração sugeriu uma deposição de coque mais pesado para regenerações mais recentes. / Aspects related to preparation, characterization and performance for Fischer- Tropsch synthesis of iron-based catalysts were investigated in this work. The approach included the preparation of different groups of catalysts and the study of the effect of reaction temperature, the influence of synthesis parameters and the effect of adding cobalt and copper to samples over its catalytic performance. Tests were performed for 6 h in a tubular fixed bed reactor on 0.18 MPa, temperature between 280 and 320°C, 500 mg of catalyst and H2/CO (2:1 molar ratio) with a flow rate of 10 mL.min-1 diluted to 40 mL.min-1 N2 stream. In addition to improving catalyst activity, the increase in reaction temperatures resulted in higher selectivity to CO2, higher olefin-to-paraffin ratio, higher coke formation and lower tendency to form heavier products. Under these reaction conditions, the addition of copper to Fe-Si catalysts increased the specific surface area and reaction activity, but enhanced the deactivation tendency due to coke formation and affected the products distribution. Evaluating the synthesis parameters, the crystallization time and the precipitating agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the agent had little influence over catalyst performance, but it was affected by the thermal treatment on stagnant atmosphere. The study of Fe-Al and Mg-Fe catalysts showed a significant increase in specific surface area and in activity when a third metal (copper and cobalt) is added. A significant shift in selectivity towards higher chain length products and a lower selectivity to CO2 were also verified. H2 activation step of Co and Cu-containing samples resulted in sintering of these metals. The effect of sintering appeared to be more severe for Cu-containing catalyst once copper reduces in lower temperature range, as shown in TPR profiles. The increase of copper content had a detrimental effect over selectivity and activity of both catalyst groups. The Fe-Al catalysts showed more interesting product spectra distribution compared to Mg-Fe ones, and showed higher CO conversion for self-activated Cucontaining catalysts. Nevertheless, the Fe-Al group catalysts showed higher deactivation tendency due to coke deposition as they presented stronger acidity. The Cu-Fe-Al type catalyst submitted to consecutive reaction-regeneration cycles showed a continuous loss of activity associated to sintering and incomplete coke oxidation. The monitoring of O2 signal during regeneration tests suggested the formation of a heavier coke for earlier regeneration.

La synthèse de Fischer-Tropsch (SFT) permet la transformation d'un mélange de gaz de synthèse, i.e. H2 et CO, issu des différentes matières premières (charbon, gaz naturel ou biomasse) en hydrocarbures synthétiques. Les catalyseurs généralement utilisés en SFT sont à base de fer ou de cobalt supporté sur alumine ou silice. Dans ce travail, le carbure de silicium (SiC) a été proposé comme nouveau support de remplacement pour la SFT. Les résultats obtenus ont montré que les catalyseurs à base de cobalt supporté sur du SiC, contenant essentiellement des mésopores, sont actifs et sélectifs pour la réaction de SFT par rapport aux catalyseurs traditionnels supportés sur alumine ou silice. L'activité en SFT peut être améliorée en utilisant de l'éthanol comme solvant d'imprégnation ou en ajoutant un promoteur tel que le ruthénium. Le dopage du support de départ par du Ti02 contribue également à une forte augmentation de l'activité en SFT grâce à la formation de petites particules de cobalt présentant une activité en SFT plus élevée. La forte interaction entre le Ti02 et le cobalt permet également d'améliorer d'une manière considérable la stabilité du catalyseur. / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) allows the transformation of a mixture of synthesis gas, i.e. H2 and CO, into valuable liquid hydrocarbons. The catalysts generally used in FTS are based on iron or cobalt supported on alumina or silica. ln the present work, silicon carbide (SiC) has been proposed as a replacement media to traditional supports. The results obtained indicate that the mesoporous SiC containing cobalt catalyst exhibits a good FTS activity and an extremely high selectivity towards liquid hydrocarbons compared to other FTS catalysts supported on alumina or silica. The FTS activity on the Co/SiC catalyst can be improved by changing the impregnation solvent or by promoting the cobalt phase with trace amount of noble metal. The doping of the SiC support with Ti02 phase also significantly improves the FTS activity keeping a similar high selectivity thanks to the formation of small cobalt particles in contact with the Ti02 phase.

Pretende-se estudar um caminho alternativo para a obtenção de biocombustíveis sintéticos, para uso veicular, utilizando-se para tal a rota tecnológica conhecida como Biomass-to-Liquids (BTL) que consiste na utilização da síntese Fischer-Tropsch para a construção de cadeias de hidrocarbonetos a partir de unidades monoméricas obtidas de uma mistura gasosa majoritariamente formada por monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H), conhecida como syngas quando proveniente de fontes energéticas fósseis como o carvão mineral ou o gás natural ou também biosyngas quando proveniente de matéria-prima carbonada renovável, como é o caso da biomassa. O presente trabalho visa abordar o começo dessa cadeia produtiva ao introduzir um conceito para biomassa e os meios para obtenção do biosyngas através do processo conhecido como gaseificação; é feita uma menção à obtenção bem sucedida de biosyngas nas dependências do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo. Segue-se com a utilização desse insumo na síntese Fischer-Tropsch largamente utilizada ao longo do século XX em países específicos para abastecimento da frota veicular local onde seu princípio fundamental é introduzido, assim como os principais mecanismos de formação de cadeias de hidrocarbonetos de diferentes pesos moleculares permitindo assim a obtenção de gasolina e óleo diesel. Essa dissertação apresenta conceitos para a palavra combustível, da mesma forma que introduz os combustíveis fósseis, seus importantes derivados e suas propriedades gerais para que seja possível, adiante, utilizá-los como comparativo com os biocombustíveis sintéticos; é apresentada a evolução histórica dessa tecnologia e são também abordadas a primeira e segunda gerações de biocombustíveis, para se trazer dados que indiquem as vantagens do óleo diesel Fischer-Tropsch quando comparado com seu equivalente oriundo da petroquímica convencional e por fim demonstrar sua superior qualidade sócio-ambiental como biocombustível sintético para o futuro da matriz energética mundial. / What is supposed to be on board of this study consists in an alternative way focused on vehicular use synthetic fuels obtaining, using as main process the technological route known as Biomass-to-Liquids (BTL), which one consists on Fischer-Tropsch synthesis use for hydrocarbons chain building starting from monomer units obtained from a gas mixture made up mostly by carbon monoxide (CO) and hydrogen (H), known as syngas from fossil energy sources such as coal or natural gas or also biosyngas from carbonaceous renewable raw materials, such as biomass. This paper aims to address the beginning of the production chain in order to introduce a concept for biomass and the biosyngas obtaining means through the process known as gasification, a reference is made to a successful biosyngas obtaining the dependencies at the Institute for Technological Research (IPT) from Sao Paulo. Then there is the use of that input in the Fischer-Tropsch synthesis widely used throughout the twentieth century, in specific countries, to supply the local vehicle fleet where its basic principle is introduced, as well as the main hydrocarbons chain formation mechanisms thus different molecular weights providing gasoline and diesel oil. This essay presents concepts for the word fuel, the same way that makes it for fossil fuels, their major products and their properties in order to use them as a comparison standard for synthetic biofuels, it was also presented the historical development of this technology and first and second generation of biofuels, in order to bring evidence to suggest the benefits of the Fischer-Tropsch diesel fuel once compared to its conventional equivalent come from the petrochemical and finally to demonstrate it as a socio-environmentally superior quality synthetic biofuel for the future of global energy matrix.

A reaÃÃo de sÃntese de Fischer-Tropsch, que pode ser compreendida como uma polimerizaÃÃo entre os gases monÃxido de carbono e hidrogÃnio, mistura conhecida por gÃs de sÃntese, com a formaÃÃo de hidrocarbonetos parafÃnicos e olefÃnicos, ocorre na presenÃa de catalisadores heterogÃneos, onde aqueles de cobalto aparecem como os mais promissores quando se deseja produzir fraÃÃes de hidrocarbonetos comercialmente mais favorÃveis, como gasolina, diesel e graxas. A reaÃÃo jà à encarada como alternativa ao petrÃleo, pois o gÃs de sÃntese à gerado a partir de outras fontes, notadamente o gÃs natural. O conhecimento da reaÃÃo ainda à fundamentalmente experimental, e nÃo existem mecanismos especÃficos que expliquem com exatidÃo a formaÃÃo dos produtos e sua distribuiÃÃo ao longo de uma faixa de hidrocarbonetos. Esse trabalho realiza inicialmente uma estimaÃÃo de parÃmetros, enquadrados em uma modelagem cinÃtica, que procuram explicar o desenvolvimento da reaÃÃo e a formaÃÃo das parafinas e olefinas em reatores tubulares de leito fixo com catalisadores de cobalto. De posse dos parÃmetros, procurou-se um modelo matemÃtico mais adequado à operaÃÃo do reator tubular, com a utilizaÃÃo de equaÃÃes para a transferÃncia de massa e de calor. Essas simulaÃÃes foram submetidas posteriormente a uma anÃlise estatÃstica para a determinaÃÃo de variÃveis mais significativas para a reaÃÃo. / In this work, the reaction of the Fischer-Tropsch synthesis, which may be understood as a polymerization between the gases carbon monoxide and hydrogen, mixture known as synthesis gas, with the formation of paraffinic and olefinic hydrocarbons, occurs under heterogeneous catalysis, where those of cobalt appear as the most promising when you want to produce hydrocarbon fractions commercially more favorable, such as gasoline, diesel and waxes. The reaction is already perceived as an alternative to petroleum, since the synthesis gas is generated from other sources, notably natural gas. The knowledge of the reaction is still essentially experimental, and there are no specific mechanisms that explain precisely the formation of the products and their distribution over a range of hydrocarbons. This work performs initial parameter estimation, framed in a kinetic modeling, which seek to explain the development of the reaction and the formation of paraffins and olefins in tubular fixed bed reactors with cobalt catalyst. In possession of the parameters, we tried to one better suited to reality modeling of reactor operation, with the use of equations for mass transfer and heat. These simulations were later subjected to a statistical analysis to determine the most significant variables for the reaction.

This thesis deals with converting a mixture of H2 and CO, also referred to as syngas or producer gas, to higher or mixed alcohols and other fuels through a process called Fischer Tropsch Synthesis (FTS). It is a beneficial pathway that minimizes the dependence on oil and similar fossil fuels which contribute to rapid climate change by releasing harmful greenhouse gases. The syngas used in FTS, is generally obtained through gasification of biomass to make the entire process renewable and to make the resulting fuel carbon neutral. The products are pure due to prior cleaning of syngas mixture to remove oxides of nitrogen, sulphur and other particulate matter, before the process, thereby drastically reducing the net exhaust gas emissions. The major objective of this project is to design a novel catalyst system and subject it to a series of experimentation for testing its selectivity towards alcohols. This is because the present catalytic systems are either very expensive to assemble or confer to a low yield. Two cobalt (Co) based catalysts, one without a promoter and the other which is promoted by zirconium (Zr), are prepared. The activity and selectivity of Co catalysts are finally compared with the existing Swedish Biofuels AB’s Iron (Fe) based catalyst promoted by copper (Cu) and chromium (Cr) along with characterization of the optimum reaction parameters like temperature, pressure, GHSV and syngas ratio for FTS. Aqueous incipient impregnation approach was adopted wherein the Co active metal and Zr promoter (only in second catalyst) are introduced step-wise on a ϒ-alumina support to synthesize the catalyst after which it is heat treated through drying, calcination and reduction to obtain the active Co metal catalyst. A high temperature FTS, was employed for the yield of alcohols and other gasoline derivatives according to literature. Finally, the liquid and gaseous products are analyzed through GC or GC/MS analysis techniques. The unpromoted Co catalyst’s activity is regarded as a failure due to satisfactory results. There were a few problems associated with the catalyst alone like poor mechanical stability that could be attributed to the use of an incorrect binder. Other problems included methanation due to haphazard temperature variations and inefficient catalyst reduction. For the promoted Co catalyst, the yield of alcohols and hydrocarbons was significantly higher than the unpromoted Co catalyst. A temperature of 300 °C, a GHSV of 360 h-1 , a pressure of 10 bar and a H2:CO ratio of 1.3:1 were the optimal background conditions for FTS. Higher temperature caused methanation and reduced the chain growth probability factor, α, that resulted in the formation of lower hydrocarbons only. Any increase in gas ratio and GHSV, also increased the rate of methane formation and caused diffusion limitations. For a one-stage setup with the reversal of exhaust gases, the conversion rates of CO and H2 were quite promising. This success can be attributed to a higher calcination temperature that increased the degree of reduction of Co due to formation of promoter oxides thereby enabling CO hydrogenation and H2 insertion. It helped to reduce CO2 formation as well. Even for the Fe catalyst, a low temperature, a low GHSV and low syngas ratio were preferred. But unlike its Co counterpart, a higher pressure favored an increase in yield of alcohols and other long chain hydrocarbons. Fe’s ability to support WGS reaction disturbed the molar ratio of CO and also released more CO2 that could affect the rate of syngas conversion. But, on the whole, Fe catalyst was efficient than Co catalyst for alcohol synthesis. The overall yield of alcohols was just 5% of the liquid products. Nearly 86% of the alcohol fraction comprised of C1, C2 and C3 alcohols alone and very few C4, C5 and C6 alcohols were obtained. / Denna avhandling behandlar omvandling av en blandning av H2 och CO, även kallad syngas eller producentgas, till högre eller blandade alkoholer och andra bränslen genom en process som kallas Fischer Tropsch Synthesis (FTS). Det är en bra väg som minimerar beroendet av olja och liknande fossila bränslen som bidrar till snabba klimatförändringar genom att släppa ut skadliga växthusgaser. Syngasen som används i FTS erhålls generellt genom förgasning av biomassa för att göra hela processen förnybar och för att göra det resulterande bränslet kolneutralt. Produkterna är rena på grund av föregående rengöring av syngasblandningen för att avlägsna kväveoxider, svavel och annat partikelformigt material före processen och därigenom drastiskt minska utsläppen av avgaserna. Huvudsyftet med detta projekt är att utforma ett nytt katalysatorsystem och utsätta det för en serie experiment för att testa dess selektivitet gentemot alkoholer. Detta beror på att de nuvarande katalytiska systemen antingen är mycket dyra att montera eller ge ett lågt utbyte. Två koboltbaserade (Co) -baserade katalysatorer, en utan en promotor och den andra som befordras av zirkonium (Zr), framställs. Aktiviteten och selektiviteten hos Co-katalysatorer jämförs slutligen med de befintliga Swedish Biofuels AB: s Iron (Fe) -baserade katalysator som främjas av koppar (Cu) och krom (Cr) tillsammans med karaktärisering av de optimala reaktionsparametrarna som temperatur, tryck, GHSV och syngasförhållande för FTS. Vattenhaltig begynnande impregneringsmetod användes där den Co-aktiva metallen och Zr-promotorn (endast i den andra katalysatorn) införs stegvis på ett ϒ-aluminiumoxidstöd för att syntetisera katalysatorn, varefter den värmebehandlas genom torkning, kalcering och reduktion för att erhålla aktiv Co-metallkatalysator. En hög temperatur FTS användes för utbytet av alkoholer och andra bensinderivat enligt litteratur. Slutligen analyseras de flytande och gasformiga produkterna genom GC- eller GC / MS-analystekniker. Den outpromoterade Co-katalysatorns aktivitet betraktas som ett misslyckande på grund av tillfredsställande resultat. Det fanns några problem associerade med katalysatorn ensam som dålig mekanisk stabilitet som kunde tillskrivas användningen av ett felaktigt bindemedel. Andra problem inkluderade metanering på grund av variationer i slumpmässiga temperaturer och ineffektiv katalysatorreduktion. För den befordrade Co-katalysatorn var utbytet av alkoholer och kolväten betydligt högre än den opromoterade Co-katalysatorn. En optimal temperatur på 300 ° C, en GHSV på 360 h-1, ett tryck av 10 bar och ett H2: CO-förhållande på 1,3: 1 var de optimala bakgrundsbetingelserna för FTS. Högre temperatur orsakade metanering och reducerade sannolikhetsfaktorn för kedjan tillväxt, a, vilket resulterade i bildandet av endast lägre kolväten. Varje ökning av gasförhållandet och GHSV, ökade också metanbildningshastigheten och orsakade diffusionsbegränsningar. För en inställning i ett steg med reversering av avgaser var omvandlingsgraden för CO och H2 ganska lovande. Denna framgång kan tillskrivas en högre kalcineringstemperatur som ökade graden av reduktion av Co på grund av bildning av promotoroxider och därigenom möjliggör CO-hydrering och H2-införing. Det hjälpte också till att minska koldioxidbildningen. Även för Fe-katalysatorn föredrog man en låg temperatur, ett lågt GHSV och lågt syngasförhållande. Men till skillnad från Co-motsvarigheten gynnade ett högre tryck en ökning av utbytet av alkoholer och andra långkedjiga kolväten. Fe: s förmåga att stödja WGS-reaktion störde det molära förhållandet CO och frigav också mer CO2 som kan påverka hastigheten på syngasomvandlingen. Men i stort sett var Fe-katalysator mer effektiv än Cokatalysator för alkoholsyntes. Det totala utbytet av alkoholer var bara 5% av de flytande produkterna. Nästan 86% av alkoholfraktionen bestod av C1-, C2- och C3-alkoholer enbart och mycket få C4-, C5- och C6-alkoholer erhölls.

Ce travail de doctorat s’inscrit dans le cadre de la recherche fondamentale inhérente à la réaction catalytique d’hydrogénation du CO, qui permet de produire du pétrole de synthèse à partir des autres ressources fossiles disponibles à l’état naturel (gaz naturel et charbon).<p>Les objectifs de ce travail s’articulent autour de deux méthodes originales, respectivement de préparation et de caractérisation des catalyseurs. La première permet la formation in situ de catalyseurs par voie oxalique, alors que la seconde est une méthode de cinétique transitoire chimique appliquée à la réaction CO + H2.<p><p>Dans un premier temps, la préparation de catalyseurs « modèles » de cobalt et de nickel a été réalisée en faisant intervenir un oxalate comme précurseur à la formation in situ du catalyseur. L’étude de cette méthode de préparation par « voie oxalique » nous a tout d’abord permis de discuter du mécanisme de formation de l’oxalate, que nous envisageons comme une polymérisation faisant intervenir des ligands oxalate tétradentates établissant des ponts entre les atomes métalliques.<p>La décomposition thermique de l’oxalate de cobalt a été étudiée dans un second temps. Nous nous somme penchés en particulier sur l’influence de l’atmosphère de la décomposition sur la nature du catalyseur obtenu in fine. Utiliser l’hydrogène comme gaz réducteur permet d’obtenir des catalyseurs purement métalliques développant une surface spécifique intéressante.<p><p>Ces catalyseurs ont été utilisés pour les études cinétiques transitoires chimiques de la réaction CO + H2. Les phénomènes transitoires observés ont permis de corréler les hypothèses formulées pour l’élaboration d’un mécanisme original initialement proposé par A. Frennet. En particulier, la dépendance des vitesses réactionnelles aux pressions partielles de CO et d’hydrogène permet d’envisager un mécanisme d’allongement de chaîne basé sur la réactivité d’un intermédiaire réactionnel avec les réactifs en phase gazeuse. Au vu des recouvrements de surface sous conditions réactionnelles ainsi que des phénomènes transitoires observés, cet intermédiaire est constitué de plusieurs atomes (carbone, oxygène et hydrogène), et est à l’origine de la formation des produits de la réaction (CH4 et alcanes à plus longues chaînes), dont la désorption en phase gazeuse suit un processus en deux étapes lors duquel l’influence de l’hydrogène est primordiale.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished