A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto. / The gasification process uses the carbon and hydrogen content in a given solid or liquid feedstock to produce a gaseous mixture of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). This mixture can be used as a precursor in the synthesis of new products or directly as a fuel. The gasification can be used in the processing of a wide range of materials, regardless of its characteristics or physical state. The use of vinasse as a gasification feedstock has been increasingly explored and studied, since its appeal lies not only on the environmental sphere, but as well on economic and social scope. Vinasse is a byproduct of the ethanol/ sugar producing process and contains large concentrations of nutrients and carbon organic matter in its protein-rich composition. The use of this fluid is limited today to fertirrigation and isolated applications, that are not enough for the consumption of its growing production. The possibility of gasifying the vinasse would allow a more profitable use of the fluid. In the classical gasification, the moisture content of the product being gasified impairs the yield of the reaction. So, for liquid feedstock its use is not recommended. One viable alternative for this case would be the use of the supercritical water as a reaction medium, which results in constant yields regardless of the moisture content of the raw material. This work consists on the design of module for vinasse gasification in supercritical water, to be installed as a unit, attached to an alcohol/ sugar plant. It comprises the conceptual design and feasibility study of the module, including CAPEX and OPEX estimates, plus a sensitivity analysis. The study also presents the state of the art of the knowledge associated to SCWG technology, relating bottlenecks to be solved, as well as the intrinsic gains from conceptual design definition.

A gaseificação utiliza o conteúdo intrínseco de carbonos e hidrogênios das matérias primas sólidas ou líquidas na geração de uma mistura de hidrogênio (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Tal mistura pode ser utilizada como matéria prima na síntese de novos produtos ou como combustível. A gaseificação pode ser utilizada no processamento de uma gama variada de produtos, independentemente de suas características ou estado físico. A utilização de biomassa como insumo da gaseificação vem sendo cada vez mais explorada e estudada, já que apresenta benefícios não somente na esfera ambiental, mas também em âmbitos econômicos e sociais. A vinhaça é um subproduto do processo de produção de álcool, que contém grandes concentrações de nutrientes e matéria orgânica em sua composição. A sua utilização hoje está limitada a fertirrigação e a aplicações isoladas em biodigestão e outros, que não são suficientes para o consumo da produção anual crescente do resíduo. Seu uso na gaseificação permitiria o aproveitamento do conteúdo orgânico da mesma e a produção de gases de alto valor agregado. Como a umidade do insumo interfere negativamente na eficiência da gaseificação clássica, a aplicação da mesma para matérias primas com alto teor de líquidos não é recomendada. Uma alternativa viável seria a utilização do meio gaseificante supercrítico, que resulta em rendimentos constantes, independentemente da umidade da corrente de entrada do reator. O presente trabalho consiste no projeto de um módulo de gaseificação de vinhaça em água supercrítica, a ser instalado como uma unidade anexa a usinas de açúcar e álcool. Ele compreende o projeto conceitual e análise de viabilidade deste módulo, incluindo estimativas de CAPEX (Capital Expenditure) e OPEX (Operation Expenditure) e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O estudo apresenta ainda o estado da arte do conhecimento e da tecnologia de gaseificação com água supercrítica (SCWG), relacionando os gargalos a serem resolvidos, assim como os ganhos intrínsecos da definição conceitual do projeto. / The gasification process uses the carbon and hydrogen content in a given solid or liquid feedstock to produce a gaseous mixture of hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). This mixture can be used as a precursor in the synthesis of new products or directly as a fuel. The gasification can be used in the processing of a wide range of materials, regardless of its characteristics or physical state. The use of vinasse as a gasification feedstock has been increasingly explored and studied, since its appeal lies not only on the environmental sphere, but as well on economic and social scope. Vinasse is a byproduct of the ethanol/ sugar producing process and contains large concentrations of nutrients and carbon organic matter in its protein-rich composition. The use of this fluid is limited today to fertirrigation and isolated applications, that are not enough for the consumption of its growing production. The possibility of gasifying the vinasse would allow a more profitable use of the fluid. In the classical gasification, the moisture content of the product being gasified impairs the yield of the reaction. So, for liquid feedstock its use is not recommended. One viable alternative for this case would be the use of the supercritical water as a reaction medium, which results in constant yields regardless of the moisture content of the raw material. This work consists on the design of module for vinasse gasification in supercritical water, to be installed as a unit, attached to an alcohol/ sugar plant. It comprises the conceptual design and feasibility study of the module, including CAPEX and OPEX estimates, plus a sensitivity analysis. The study also presents the state of the art of the knowledge associated to SCWG technology, relating bottlenecks to be solved, as well as the intrinsic gains from conceptual design definition.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-08-29T13:43:45Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-08-29T14:13:25Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-29T14:13:25Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Lucas Clementino Mourão - 2018.pdf: 2137358 bytes, checksum: fb0f843e55d7839ce63dfaae63046a2b (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-07-19 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The great environmental concern, coupled with the risk of depletion of non-renewable raw material, has driven the search for new sustainable technologies with major concern to the reduction of pollutant emissions. Hydrogen, a chemical of enormous importance to industrial plants, stands out as a clean and renewable energy source. This chemical is commonly produced from non-renewable sources, such as natural gas reforming. Due to specific reaction conditions, the supercritical water gasification of wet biomass is a promising way for the production of hydrogen and others high added value fuel gases. Ethanol is an attractive material because it is renewable, has low toxicity compared to other resources and has high hydrogen content in its molecule. In order to become this technology viable, a decisive point is the development of a catalyst aiming at cost reductions and high selectivity to the products of interest. In this work, ethanol gasification was carried out in supercritical water with heterogeneous catalysts. The tests were performed on an Inconel Alloy 625 tubular reactor under the following operating conditions: temperatures of 400, 450, 500, 550, 600 and 650 ºC, pressure of 250 bar, 5 g loading of heterogeneous catalyst, reactor feed: ethanol/water molar ratio of 1:10 and mass flow rate of 5 g/min. The catalysts were synthesized by wet impregnation method using aqueous solutions of Cu, Co and Zn nitrates as precursors for the active phase and spherical pellets of Al 2 O 3 as catalytic support. The catalysts and the catalytic support were characterized by Thermogravimetry and Differential Thermal Analysis (TG/DTA), X-Ray Fluorescence (XRF), Scanning Electron Microscopy (SEM), textural analysis by Adsorption/Desorption Isotherms of N 2 at 77 K and X-Ray Diffraction (XRD). The gasification results indicated that H 2 production was mainly due to ethanol dehydrogenation. The catalysts showed higher conversions than observed for catalytic support only. The CuAl catalyst showed higher H 2 selectivity as well as higher H 2 molar flow at 650 °C. The CoZnAl catalyst showed a high tendency for C 2 H 4 formation at any reaction temperature, especially at 650 °C. / A grande preocupação ambiental, junto da possibilidade de insuficiência de matéria prima não renovável, tem estimulado a busca de novas tecnologias sustentáveis com maior atenção à emissão de poluentes. O hidrogênio, substância química de enorme importância nas industriais, destaca-se como uma fonte de energia limpa e renovável. Hidrogênio é comumente produzido a partir de fontes não renováveis, como na reforma à vapor do gás natural. Devido a características reacionais específicas, a gaseificação de biomassas úmidas em meio contendo água em condições supercrítica é um caminho promissor para a produção de hidrogênio e outros gases combustíveis com alto valor agregado. O etanol se mostra um material atraente pois é renovável, apresenta baixa toxicidade em comparação com outros recursos e possui alto teor de hidrogênio em sua molécula. Em busca de viabilizar tal tecnologia um ponto determinante é o desenvolvimento de catalisadores visando reduções de custo e aumento de seletividade aos produtos de interesse. Neste trabalho foram realizados testes de gaseificação de etanol em água supercrítica com catalisadores heterogêneos. Os testes foram executados em reator tubular feito de Inconel 625 sob as seguintes condições operacionais: temperaturas de 400, 450, 500, 550, 600 e 650 ºC, pressão de 250 bar, carga de 5 g de catalisador heterogêneo, alimentação do reator com razão molar de Etanol:Água de 1:10 e vazão mássica de alimentação de 5 g/min. Os catalisadores foram sintetizados a partir do método de impregnação de soluções aquosas dos nitratos precursores de Cu, Co e Zn com excesso de solvente e usando como suporte catalítico pellets esféricos de Al 2 O 3 . Os catalisadores e o suporte catalítico foram caracterizados por Termogravimetria e Análise Térmica Diferencial (TG/ATD), Fluorescência de Raios X (FRX), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), análise textural por Isotermas de Adsorção/Dessorção de N 2 a 77 K e Difração de Raios X (DRX). Os resultados de gaseificação indicaram que a produção de H2 se deu principalmente a partir da desidrogenação de etanol. Os catalisadores demonstraram conversões maiores ao observado apenas para o suporte catalítico. O catalisador CuAl apresentou maior seletividade a H 2 bem como maior vazão molar de H 2 à temperatura de 650 ºC. O catalisador CoZnAl apresentou elevada tendência a formação de C 2 H 4 em qualquer temperatura de reação, especialmente à temperatura de 650 ºC.

Submitted by Liliane Ferreira (ljuvencia30@gmail.com) on 2018-10-15T15:41:01Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Jarbas Almeida de Melo - 2018.pdf: 7287109 bytes, checksum: 8e33ba1a3ef2d679e03ecdb4e368b53c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-10-16T10:13:44Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Jarbas Almeida de Melo - 2018.pdf: 7287109 bytes, checksum: 8e33ba1a3ef2d679e03ecdb4e368b53c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-16T10:13:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Jarbas Almeida de Melo - 2018.pdf: 7287109 bytes, checksum: 8e33ba1a3ef2d679e03ecdb4e368b53c (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-09-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work the synthesis of catalysts was carried out with the objective of H2 production from gasification of ethanol in medium containing water under supercritical conditions. Based on reports from the literature, Cu, Ni and Mg were selected as components for the active phase, alumina (Al2O3) as catalysts support. The catalysts were prepared from aqueous solutions of nitrate salts precursors of Cu, Ni and Mg. The catalysts were characterized by X-ray fluorescence (FRX), scanning electron microscopy, thermogravimetric and thermal differential analysis (TG/ATD), X-ray diffraction (DRX) and textural analysis by N2 adsorption / desorption isotherms at -196 ° C. The TG/ATD analysis indicated that the calcination of the catalytic precursors was sufficient for the removal of water and decomposition of the nitrates of the metal salts precursors of the active phase. In the FRX analysis, the increase in the concentration of the metals in relation to the nominal values after the synthesis of the catalysts was characterized, with an increase of 20 to 40% depending on the metal due to the loss of water from the alumina support. The FRX analysis of the catalysts used in the catalytic tests shows that there was no significant leaching during the gasification process. DRX analysis have characteristic results that the metals are in amorphous form or dispersed in the form of small crystallites. Textural analysis of N2 adsorption / desorption isotherms indicated a reduction of approximately 60% in the specific surface area between the alumina and the calcined alumina and the specific area values between the alumina and the metal catalysts were kept close. The catalytic tests were performed at a pressure of 25 MPa and at temperatures of 400 to 650 ° C. A 10/1 molar water / ethanol solution was fed. In the catalytic tests H2, CH4, CO, CO2, C2H4, C2H6, C2H4O were obtained. The highest ethanol conversions were obtained at the temperature of 650 ° C for the catalysts NiO/Al2O3 and NiO-MgO/Al2O3, both 81%. The highest yield was 0.41 mol H2 / mol ethanol fed to the NiO / Al2O3 catalyst, at a temperature of 600 ° C. The highest selectivity at the temperature of 600 ° C was 39%, obtained by the NiO/Al2O3 catalyst. / Neste trabalho foi realizada a síntese de catalisadores com o objetivo da produção de H2 a partir da gaseificação de etanol em meio contendo água em condições supercríticas. A partir de relatos da literatura, foram selecionados Cu, Ni e Mg como componentes para a fase ativa e a alumina (Al2O3) como suporte dos catalisadores. Os catalisadores foram preparados a partir de soluções aquosas de sais de nitrato precursores de Cu, Ni e Mg. Os catalisadores foram caracterizados por fluorescência de raios X (FRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análises termogravimétrica e térmica diferencial simultânea (TG/ATD), difração de raios X (DRX) e análise textural por isotermas de adsorção/dessorção de N2 a -196°C. As análises de TG/ATD indicaram que a calcinação dos precursores catalíticos foi suficiente para a remoção da água e decomposição dos nitratos dos sais metálicos precursores da fase ativa. Nas análises de FRX ficou caracterizado o aumento da concentração dos metais em relação aos valores nominais, após a síntese dos catalisadores, com acréscimo de 20 a 40 % dependendo do metal, devido à perda de água do suporte de alumina. As análises FRX dos catalisadores utiilzados nos testes catalíticos mostraram que não houve lixiviação considerável durante o processo de gaseificação. Análises de DRX apresentaram resultados característicos de que os metais se encontram na forma amorfa ou dispersos na forma de pequenos cristalitos. Os resultados foram coerentes com as imagens de microscopia eletrônica de varredura. Análises textural por isotermas de adsorção/dessorção de N2 indicaram uma redução de aproximadamente 60% na área superficial específica entre a alumina e a alumina calcinada e mantiveram-se próximos os valores de área específica entre a alumina e os catalisadores metálicos. Os testes catalíticos foram realizados a uma pressão de 25 MPa e nas temperaturas de 400 a 650 °C. Foi alimentada uma solução de água/etanol na razão de 10/1 molar. Nos testes catalíticos foram obtidos H2, CH4, CO, CO2, C2H4, C2H6, C2H4O. As maiores conversões de etanol foram obtidas na temperatura de 650 °C para os catalisadores de NiO/Al2O3 e NiO-MgO/Al2O3, ambas 81 %. O maior rendimento obtido foi de 0,41 mol H2/mol etanol alimentado para o catalisador de NiO/ Al2O3, na temperatura de 600 °C. A maior seletividade na temperatura de 600 °C foi de 39 %, obtida pelo catalisador de NiO/Al2O3.