A reação de transformação de MeOH em olefinas leves foi investigada sobre zeólitas HZSM-5 com razões SiO2/Al2O3 (SAR) iguais a 30, 80 e 280. As propriedades ácidas e texturais da amostra com SAR 30 foram modificadas por impregnação com ácido fosfórico. A caracterização físico-química das amostras foi realizada empregando-se as técnicas de FRX, fisissorção de N2, DRX, DTP de NH3 e IV com adsorção de piridina. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado tanto em condições reacionais similares (mesma T, pressão parcial de MeOH e WHSV) como em condições de isoconversão. Verificou-se, que quanto maior a SAR da zeólita, menor a densidade total e a força dos sítios ácidos presentes, sendo este efeito mais significativo para os sítios de Brönsted. O efeito do aumento da SAR favoreceu a estabilidade catalítica e a formação de olefinas leves, principalmente propeno. No caso das amostras contendo fósforo, foi observada uma redução linear na área específica BET e no volume de microporos com o aumento do teor de fósforo. Estes resultados, aliados aos obtidos por DRX, sugerem que a redução mais significativa na área específica e no volume de microporos pode ser associada à redução na cristalinidade e à formação de espécies amorfas contendo fósforo, que bloqueariam a estrutura porosa da zeólita. Não se observou alteração significativa na força dos sítios fracos, enquanto a força dos sítios fortes diminuiu significativamente. As amostras apresentando menor SAR e menor teor de fósforo foram mais ativas. Por outro lado, em condições de isoconversão de 916%, a amostra mais seletiva à formação de olefinas foi aquela com maior SAR. Dentre as amostras impregnadas, aquela contendo 4% de fósforo foi a mais seletiva a propeno, enquanto a que continha 6% foi mais seletiva a eteno. A amostra com SAR igual a 280 foi investigada variando-se a temperatura de reação (400, 500 e 540C) e a pressão parcial de metanol (0,038; 0,083 e 0,123 atm), através de um planejamento experimental do tipo Box-Benhnken (32). O rendimento otimizado em olefinas leves foi alcançado a 480C e 0,08 atm. O modelo proposto descreveu bem os dados experimentais e evidenciou a existência de uma faixa ótima de temperatura para maximização do rendimento em propeno e eteno, o qual foi também afetado pela pressão parcial de MeOH na faixa estudada. Palavras-chave: ZSM-5, olefinas, propeno, eteno, processo MTO, fósforo. / The MeOH transformation into light olefins was investigated over HZSM-5 zeolites with SiO2/Al2O3 (SAR) = 30, 80 and 280. The acidic and textural properties of the SAR 30 were modified by impregnation with orthophosphoric acid. Textural characterization and physiochemical like FRX, fisisorption of N2, DRX, DTP of NH3 and IR with pyridine adsorption were used. The catalytic performance of the samples evaluated and compared at both isoconversion and iso-operacional. It was verified, that the increase in SAR of the zeolite reduced acid site density and strenght of the acid sites, particularly for the Brönsted acid sites, favoring the catalytic stability and the formation of light olefins, mainly propene. The characterizations indicated a linearr reduction in the specific BET surface area and in the microporous volume with the increase of the phosphorous incorporation. These results, together with over obtained by DRX, suggest that the most significant reduction in the specific area and in the microporos volume can be associated to the reduction in the cristalinity as well as to the formation of amorphous species containing phosphorous, that would block the zeolite porous structure . No significant alteration was observed in the strenght of the weak sites, although the strong acid sites strenght significantly decreased. The low SAR and slow phosphorous incorporation ware more active. On the other hand, at isoconversion conditions (916), the most selective samples to olefins formation were those with high SAR. Among the impregnated samples, the one containing 4% of phosphorous was more selective to olefins. The sample with SAR equal to 280 was investigated under different reaction temperature (400, 500 and 540C) and methanol partial pressure (0,038; 0,083 and 0,123 atm), following Box-Benhnken (32) experimental planning type. The optimized light olefins yield was reached at 480C and 0,08 atm. The proposed model described well the experimental data and evidenced the existence of a range of temperature for maximization of the propene and ethene, which was also affected by the partial pressure of methanol in the studied range.

Catalisadores baseados em óxidos metálicos têm sido muito utilizados nos últimos anos para a desidrogenação oxidativa de alcanos leves. Dentre os principais catalisadores, estão os sistemas contendo V2O5, Nb2O5 e Al2O3. O processo de desidrogenação oxidativa do propano (DOP) representa uma via alternativa importante para a produção de propileno sob menores temperaturas, porém sua prática vem sendo limitada pela diminuição dos valores de seletividade ao propeno com o aumento da conversão do reagente. Metais alcalinos, dentre eles o potássio, são frequentemente utilizados como promotores em reações de oxidação seletiva com o objetivo de proporcionar melhores seletividades catalíticas aos mecanismos de reação, devido à redução da acidez e ao aumento da basicidade na superfície dos catalisadores. O projeto proposto tem como objetivo principal criar uma metodologia de síntese de novos suportes Nb2O5-Al2O3 e catalisadores V2O5-Nb2O5-Al2O3 dopados com potássio a serem utilizados em processos petroquímicos para a produção de olefinas leves. Para tanto, as seguintes técnicas de caracterização foram utilizadas: espectrometria de absorção atômica, espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES), volumetria de N2, difratometria de raios X (DRX) e redução à temperatura programada (RTP). As características ácidas e/ou básicas e a atividade catalítica dos suportes e catalisadores foram medidas pelas reações de decomposição do isopropanol e de desidrogenação oxidativa do propano, respectivamente. / Catalysts based on metal oxides have been extensively used in recent years for the oxidative dehydrogenation of light alkanes. Among the main catalysts, there are the systems containing V2O5, Nb2O5 e Al2O3. The oxidative dehydrogenation of propane (ODH) provides a potential low-temperature route for the synthesis of propylene, but its practice has been limited by a marked decrease in propene selectivity with increasing conversion of reactant. Alkali metals, such as potassium, are frequently used as promoters in selective oxidation reactions with the objective of providing higher selectivity in catalytic reaction mechanisms, due to the reduced acidity and increasing basicity of the catalysts surface. The considered project has as major objective create a new synthesis methodology of Nb2O5-Al2O3 supports and V2O5-Nb2O5-Al2O3 potassium-doped catalysts to be used in petrochemical processes for the production of light olefins. For in such a way, the following characterization techniques were used: atomic absorption spectrometry, inductively coupled plasma optic emission spectroscopy (ICP-OES), N2 volumetry, X-ray diffractometry (XRD) and temperature programmed reduction (TPR). The properties acid and/or basic and the catalytic activity of supports and catalysts were evaluated by the isopropanol decomposition and oxidative dehydrogenation of propane reactions, respectively.

Com o objetivo de aumentar o lucro de plantas químicas, a Otimização em Tempo Real (RTO) é uma ferramenta que busca determinar as condições ótimas operacionais do processo em estado estacionário, respeitando as restrições operacionais estabelecidas. Neste trabalho foi realizada a implementação prática de um ciclo RTO em um processo de destilação por recompressão de vapor (VRD), propileno-propano, da Refinaria de Paulínia (Petrobras S.A.), a partir de dados históricos da planta. Foram consideradas as principais etapas de um ciclo clássico de RTO: identificação de estado estacionário, reconciliação de dados, estimação de parâmetros e otimização econômica. Essa unidade foi modelada, simulada e otimizada em EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), um simulador de processos orientado a equações desenvolvido no Brasil. Foram analisados e comparados dois métodos de identificação de estado estacionário, um baseado no teste estatístico F e outro baseado em wavelets. Ambos os métodos tiveram resultados semelhantes e mostraram-se capazes de identificar os estados estacionários de forma satisfatória, embora seja necessário o ajuste de parâmetros na sua implementação. Foram identificados alguns pontos estacionários para serem submetidos ao ciclo RTO e foi possível verificar a importância de partir de um estado estacionário para a continuidade do ciclo, já que essa é uma premissa do método. A partir dos pontos analisados, os resultados deste estudo mostram que o RTO é capaz de aumentar o ganho econômico entre 2,5-24%, dependendo das condições iniciais consideradas, o que pode representar ganhos de até 18 milhões de dólares por ano. Além disso, para essa unidade, verificou-se que o compressor é um equipamento limitante no aumento de ganho econômico do processo. / In order to increase the profits of chemical plants, the Real-Time Optimization (RTO) is a tool that seeks to determine the steady-state optimal process operating conditions to maximize its profit under the operational restrictions. In this work, a practical implementation of a RTO cycle was implemented in a vapor recompression distillation (VRD) process, propylene-propane, from Paulínia Refinery (Petrobras S.A.), from historical plant data. The main steps of a classical RTO cycle are considered: steady-state identification, data reconciliation, parameter estimation and economical optimization. This unit was modeled, simulated and optimized in EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), which is an equation oriented simulator conceived and developed in Brazil. Two steady state identification methods were analyzed and compared, one based on a F-like test and other based on wavelets. Both methods had similar results and showed to be able to identify the stationary states satisfactorily, although parameter tuning is necessary in their implementation. Some stationary points were identified and submitted to the RTO cycle. It was possible to verify the importance of start from a steady-state to continue the cycle, since this is a premise of the method. From the points analyzed, the results of this study show that the RTO is able to increase the economic gain between 2.5- 24%, depending on the initial conditions that is considered, which may represent gains of up to 18 million dollar per year. Furthermore, for this unit, it was found that the compressor is a limiting equipment in increasing economical gain.

Catalisadores baseados em óxidos metálicos têm sido muito utilizados nos últimos anos para a desidrogenação oxidativa de alcanos leves. Dentre os principais catalisadores, estão os sistemas contendo V2O5, Nb2O5 e Al2O3. O processo de desidrogenação oxidativa do propano (DOP) representa uma via alternativa importante para a produção de propileno sob menores temperaturas, porém sua prática vem sendo limitada pela diminuição dos valores de seletividade ao propeno com o aumento da conversão do reagente. Metais alcalinos, dentre eles o potássio, são frequentemente utilizados como promotores em reações de oxidação seletiva com o objetivo de proporcionar melhores seletividades catalíticas aos mecanismos de reação, devido à redução da acidez e ao aumento da basicidade na superfície dos catalisadores. O projeto proposto tem como objetivo principal criar uma metodologia de síntese de novos suportes Nb2O5-Al2O3 e catalisadores V2O5-Nb2O5-Al2O3 dopados com potássio a serem utilizados em processos petroquímicos para a produção de olefinas leves. Para tanto, as seguintes técnicas de caracterização foram utilizadas: espectrometria de absorção atômica, espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES), volumetria de N2, difratometria de raios X (DRX) e redução à temperatura programada (RTP). As características ácidas e/ou básicas e a atividade catalítica dos suportes e catalisadores foram medidas pelas reações de decomposição do isopropanol e de desidrogenação oxidativa do propano, respectivamente. / Catalysts based on metal oxides have been extensively used in recent years for the oxidative dehydrogenation of light alkanes. Among the main catalysts, there are the systems containing V2O5, Nb2O5 e Al2O3. The oxidative dehydrogenation of propane (ODH) provides a potential low-temperature route for the synthesis of propylene, but its practice has been limited by a marked decrease in propene selectivity with increasing conversion of reactant. Alkali metals, such as potassium, are frequently used as promoters in selective oxidation reactions with the objective of providing higher selectivity in catalytic reaction mechanisms, due to the reduced acidity and increasing basicity of the catalysts surface. The considered project has as major objective create a new synthesis methodology of Nb2O5-Al2O3 supports and V2O5-Nb2O5-Al2O3 potassium-doped catalysts to be used in petrochemical processes for the production of light olefins. For in such a way, the following characterization techniques were used: atomic absorption spectrometry, inductively coupled plasma optic emission spectroscopy (ICP-OES), N2 volumetry, X-ray diffractometry (XRD) and temperature programmed reduction (TPR). The properties acid and/or basic and the catalytic activity of supports and catalysts were evaluated by the isopropanol decomposition and oxidative dehydrogenation of propane reactions, respectively.

Com o objetivo de aumentar o lucro de plantas químicas, a Otimização em Tempo Real (RTO) é uma ferramenta que busca determinar as condições ótimas operacionais do processo em estado estacionário, respeitando as restrições operacionais estabelecidas. Neste trabalho foi realizada a implementação prática de um ciclo RTO em um processo de destilação por recompressão de vapor (VRD), propileno-propano, da Refinaria de Paulínia (Petrobras S.A.), a partir de dados históricos da planta. Foram consideradas as principais etapas de um ciclo clássico de RTO: identificação de estado estacionário, reconciliação de dados, estimação de parâmetros e otimização econômica. Essa unidade foi modelada, simulada e otimizada em EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), um simulador de processos orientado a equações desenvolvido no Brasil. Foram analisados e comparados dois métodos de identificação de estado estacionário, um baseado no teste estatístico F e outro baseado em wavelets. Ambos os métodos tiveram resultados semelhantes e mostraram-se capazes de identificar os estados estacionários de forma satisfatória, embora seja necessário o ajuste de parâmetros na sua implementação. Foram identificados alguns pontos estacionários para serem submetidos ao ciclo RTO e foi possível verificar a importância de partir de um estado estacionário para a continuidade do ciclo, já que essa é uma premissa do método. A partir dos pontos analisados, os resultados deste estudo mostram que o RTO é capaz de aumentar o ganho econômico entre 2,5-24%, dependendo das condições iniciais consideradas, o que pode representar ganhos de até 18 milhões de dólares por ano. Além disso, para essa unidade, verificou-se que o compressor é um equipamento limitante no aumento de ganho econômico do processo. / In order to increase the profits of chemical plants, the Real-Time Optimization (RTO) is a tool that seeks to determine the steady-state optimal process operating conditions to maximize its profit under the operational restrictions. In this work, a practical implementation of a RTO cycle was implemented in a vapor recompression distillation (VRD) process, propylene-propane, from Paulínia Refinery (Petrobras S.A.), from historical plant data. The main steps of a classical RTO cycle are considered: steady-state identification, data reconciliation, parameter estimation and economical optimization. This unit was modeled, simulated and optimized in EMSO (Environment for Modeling, Simulation and Optimization), which is an equation oriented simulator conceived and developed in Brazil. Two steady state identification methods were analyzed and compared, one based on a F-like test and other based on wavelets. Both methods had similar results and showed to be able to identify the stationary states satisfactorily, although parameter tuning is necessary in their implementation. Some stationary points were identified and submitted to the RTO cycle. It was possible to verify the importance of start from a steady-state to continue the cycle, since this is a premise of the method. From the points analyzed, the results of this study show that the RTO is able to increase the economic gain between 2.5- 24%, depending on the initial conditions that is considered, which may represent gains of up to 18 million dollar per year. Furthermore, for this unit, it was found that the compressor is a limiting equipment in increasing economical gain.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul / Propylene is a chemical compound with high value added, widely used in the industry and usually obtained from petroleum. However, there is the need of the development of alternative routes for the production of this compound from renewable sources. The use of acetone for the production of propylene is a good option, because this oxygenated compound can be obtained by biomass conversion. The use of a one step process also adds an advantage to the propylene production from acetone, uniting in a single reactor two consecutive reactions: acetone hydrogenation, followed by dehydration of the formed isopropanol. For this, there are necessary two catalysts with distinct properties, one containing metallic sites, for hydrogenation, and another where there are acidic sites, for dehydration. The main objective of this work is to obtain propylene from acetone in one single step, using Cu/Zn/Al mixed oxide derived from hydrotalcite-like compounds and acid form of Beta zeolite as catalysts. For that, the catalysts were obtained by the coprecipitation method at variable pH followed by calcination, for the mixed oxide, and by hydrothermal synthesis, for the zeolite. The catalysts were also characterized as their with distinct properties. The hydrogenation and dehydration reactions have been studied individually and together by varying the catalyst or mixture of catalysts employed and the composition and flow rate of the feed. First, they were evaluated the thermodynamic boundaries of the reaction systems in which was observed that the acetone hydrogenation is strongly limited by the equilibrium and which are the preferential products of each reaction. For the reaction test, it was used the factorial experimental design, where the feeding conditions and reaction temperature were varied, and as response variables it was obtained the composition of the organic fraction at the reactor outlet. In the hydrogenation reaction, only isopropanol was obtained and the acetone conversion was close to that of equilibrium. In the dehydration reaction of isopropanol, propylene was preferably formed, with only small concentrations of diisopropyl ether at low temperatures, being obtained complete alcohol conversion in some experimental conditions. The complete process of acetone conversion into propylene was carried out at eleven distinct experimental conditions and the olefin fraction was up to 65 % of the organic fraction. It was possible the parameters estimation of simplified kinetic models, considering the Langmuir-Hinshelwood hypothesis, appropriate to the prediction of the molar fractions of the compounds in the organic fraction for both individual as simultaneous reactions. The kinetic models were used to the analysis of the effect of process variables on the reaction products in the three reaction systems considered. / O propeno é um composto químico de alto valor agregado, largamente empregado na indústria e obtido, geralmente, a partir do petróleo. Entretanto, há a necessidade do desenvolvimento de rotas alternativas para a produção deste composto a partir de fontes renováveis. A utilização de acetona para a produção de propeno é uma boa opção, pois este composto oxigenado pode ser obtido através de conversão da biomassa. A utilização de processo em uma única etapa acrescenta, ainda, mais uma vantagem à produção de propeno a partir de acetona, unindo em um único reator duas reações consecutivas: hidrogenação de acetona, seguida da desidratação do isopropanol formado. Para tanto, são necessários dois catalisadores com propriedades distintas, um deles contendo sítios metálicos, para a hidrogenação, e outro onde haja sítios ácidos, para a desidratação. O objetivo principal deste trabalho é a obtenção de propeno a partir de acetona em uma única etapa, utilizando óxido misto de Cu/Zn/Al derivado de material do tipo hidrotalcita e forma ácida da zeólita Beta como catalisadores. Para isso, os catalisadores foram obtidos pelo método de coprecipitação a pH variável seguido de calcinação, para o óxido misto, e pela síntese hidrotérmica, para a zeólita. Os catalisadores foram, ainda, caracterizados quanto às suas propriedades físicoquímicas. As reações de hidrogenação e desidratação foram estudadas individualmente e em conjunto variando-se o catalisador ou mistura de catalisadores empregados e a composição e vazão da alimentação. Primeiramente, foram avaliados os limites termodinâmicos dos sistemas reacionais, em que se observou que a hidrogenação de acetona é fortemente limitada pelo equilíbrio e quais são os produtos preferenciais de cada reação. Para os testes reacionais foi utilizado planejamento de experimentos fatorial, onde as condições de alimentação e temperatura de reação foram variadas, e como variáveis resposta obteve-se a composição da fração orgânica na saída do reator. Na reação de hidrogenação, apenas isopropanol foi obtido e a conversão de acetona foi próxima daquela de equilíbrio. Na reação de desidratação de isopropanol, o propeno foi formado preferencialmente, com apenas pequenas concentrações de éter di-isopropílico a baixas temperaturas, sendo obtidas conversões completas do álcool em algumas condições experimentais. O processo completo de conversão de acetona em propeno foi realizado em onze condições experimentais distintas e a fração de olefina foi de até 65 % da fração orgânica. Foi possível a estimação dos parâmetros de modelos cinéticos simplificados, considerando as hipóteses de Langmuir-Hinshelwood, adequados à predição das frações molares dos compostos na fração orgânica tanto para as reações individuais como simultâneas. Os modelos cinéticos foram utilizados para a análise do efeito das variáveis de processo sobre os produtos de reação nos três sistemas reacionais considerados.