BR102017014430B1 - Hidroisomerização de resíduos pesados provenientes da síntese de fischer-tropsch usando catalisador bifuncional pt/al-sba-15 - Google Patents

Hidroisomerização de resíduos pesados provenientes da síntese de fischer-tropsch usando catalisador bifuncional pt/al-sba-15 Download PDF

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Elciane Regina Zanatta
Murilo Pereira Moisés
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Abstract

UTILIZAÇÃO DO CATALISADOR BIFUNCIONAL Pt/Al-SBA-15 NA HIDROISOMERIZAÇÃO DE RESÍDUOS PESADOS PROVENIENTES DA SÍNTESE DE FISCHER- TROPSCH. Este modelo de utilidade refere-se ao uso do catalisador bifuncional Pt/Al-SBA-15, na reação de hidroisomerização dos resíduos pesados (n-C16) provenientes da Síntese de Fischer ? Trospch. Estes produtos isomerizados servem como base para lubrificantes de última geração e alto desempenho. O desenvolvimento experimental comprovou eficiência no processo de obtenção de isômeros mono-ramificados centrais a cadeia de n-parafinas com elevada seletividade. O catalisador apresentou uma seletividade relativa ao isômero 7-metil-pentadecano de 43%, permanecendo praticamente constante com o tempo de reação. O catalisador Pt/Al-SBA-15 também apresenta uma seletividade pequena a produtos craqueados para baixas conversões, e desta forma maximiza produtos de alto valor agregado.

Description

[01] CAMPO DA INVENÇÃO
[02] O presente pedido de patente de invenção refere-se ao uso do catalisador bifuncional Pt/Al-SBA-15 no processo de hidroisomerização dos resíduos pesados provenientes da síntese de Fischer-Tropsch (SFT). O catalisador Pt/Al-SBA-15 é composto de sítios metálicos e sítios ácidos, que desempenham papel fundamental nos processos de refino do petróleo, especialmente na hidroisomerização de hidrocarbonetos de cadeia longa. Estes resíduos quando isomerizados servem como óleos base para lubrificantes de última geração e alto desempenho.
[03] FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO E ESTADO DA TÉCNICA
[04] Os documentos de patentes CN105582992 (A) e CN104815697 (A) relatam sobre o uso de catalisadores bifuncionais como Ni-Mo/MCM-41, Ni- Co/MCM-41, Ni-W/MCM 41, Ni-Mo/SBA-15, Ni-Co/SBA-15, Ni-W/SBA-15, no processo de hidroisomerização de óleos vegetais para fabricação de biolubrificantes e querosene de aviação, respectivamente. O documento de patente CN105032476 (A) divulga o processo de preparação do catalisador Al- MCM-41 impregnado com metais nobres e sua aplicação em processos de hidroconversão. Estes documentos de patentes não conflitam com o presente pedido de patente de invenção, uma vez que não são utilizados resíduos da SFT como matéria prima e não contemplam o processo de hidroisomerização com o objetivo de produzir isômeros monoramificados centrais à cadeia de n-parafinas.
[05] A patente KR101564404 (B1) relata sobre a aplicação do catalisador Pt/Al-SBA-15 em reações de hidrocraqueamento, portanto, não avaliando o uso deste catalisador em reações de hidroisomerização com objetivo de produzir isômeros monoramificados centrais à cadeia de n-parafinas, como requisitado neste pedido. O documento de patente US 4943672 (A) apresenta resultados para a hidroisomerização sobre catalisadores de alumina e metais do grupo VIII incorporados com auxílio de HCl e HF, portanto, diferentes do contemplado neste pedido. O documento de patente US 3917739 (A) discute sobre um catalisador de platina/paládio para a hidroisomerização de ceras C4 e C7, portanto, de tamanho inferior ao proposto neste pedido, ou seja, n-parafinas de cadeia longa.
[06] Contudo, os documentos de patentes supracitados não contemplam em suas reinvindicações o uso de catalisadores bifuncionais Pt/Al-SBA-15 e sua aplicação no processo de hidroisomerização dos resíduos pesados provenientes de SFT. Este uso justifica-se pela elevada seletividade a isômeros monoramificados centrais à cadeia das n-parafinas resíduos da SFT, quando utilizado o catalisador Pt/Al-SBA-15. Diante do exposto, vale a pena destacar que não foram encontrados documentos no estado da arte sobre a aplicação do catalisador Pt/Al-SBA-15 em reações de hidroisomerização de n-parafinas, fato que justifica o presente pedido de patente de invenção.
[07] DESCRIÇÃO DO PROBLEMA TÉCNICO E VANTAGENS DA INVENÇÃO
[08] A solicitação de proteção do uso deste catalisador ao processo de hidroisomerização justifica-se pela necessidade de produção de isômeros mono- ramificados, óleos base para fabricação de lubrificantes de última geração e alto desempenho a partir de n-parafinas provenientes da SFT. Este fato indica a relevância do presente pedido de patente de invenção, que tem como objetivo a proteção tecnológica quanto ao uso do catalisador Pt/Al-SBA-15 em reações de hidroisomerização dos resíduos pesados proveniente da SFT.
[09] É digno de nota destacar dentre as inúmeras vantagens do presente invento, a aplicação do catalisador Pt/Al-SBA-15 para reações envolvendo hidroisomerização, pois esta proporciona uma seletividade elevada para isômeros mono-ramificados. Entre os isômeros mono-ramificados obtidos ocorre predominância das ramificações na parte central da cadeia, formando, por exemplo, 2-metil-pentadecano em pouca quantidade, 3-metil-pentadecano, 4- metil-pentadecano, 5-metil-pentadecano em quantidade moderada e 7-metil- pentadecano em maior quantidade. O catalisador Pt/Al-SBA-15 também apresenta uma seletividade pequena a produtos craqueados, para baixas conversões, e, desta forma, maximiza produtos de alto valor agregado.
[010] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[011] Figura 1: Fluxograma da unidade multipropósito utilizada para calcinação, redução e passivação das amostras de catalisador. Na legenda encontra-se a descrição de todos os acessórios. A unidade multipropósito é composta por um reator U e um forno que pode ser acoplando a este reator. Três correntes de gases, nitrogênio, hidrogênio e uma mistura de 0,5% de oxigênio em 99,5% de nitrogênio. Também contém controladores de temperatura para o forno e o reator e válvulas que permitem o controle da vazão dos gases no reator. As indicações na Figura são: (01) Forno da unidade; (02) Reator tipo tubo em U; (03) Conjunto de temopares do reator e forno; (04) Cilindro de gás 0,5% de O2 em N2; (05) Cilindro de gás hidrogênio; (06) Cilindro de gás nitrogênio; (07) Válvula do cilindro de gás nitrogênio; (08) Válvula norgren de nitrogênio; (09) Válvula nitrogênio abre e fecha; (10) Válvula abre e fecha de gás 0,5% de O2 em N2; (11) Válvula abre e fecha de gás hidrogênio; (12) Válvula norgren de hidrogênio; (13) Válvula de controle de vazão dos gases no reator tipo tubo em U; (14) Primeira válvula cruzeta de acesso ao reator tipo tubo em U; (15) Segunda válvula cruzeta de acesso ao reator tipo tubo em U; (16) Entrada do reator tipo tubo em U; (17) Saída do reator tipo tubo em U; (18) Medidor de vazão dos gases no reator tipo tubo em U; (19) Linha de descarte externo; (20) Válvulas de acesso ao medidor de vazão dos gases do reator tipo tubo em U; (21) Controlador temperatura do forno.
[012] Figura 2: Fluxograma da unidade de reação de hidroisomerização de n-hexadecano, sendo que na legenda encontra-se a descrição de todos os acessórios que foram utilizados. A unidade de hidroisomerização utiliza o gás hidrogênio. O reator Parr possui controlador de temperatura, de pressão e de agitação, o que possibilita a manutenção das condições que forem estabelecidas para a reação. As indicações na Figura são: (01) Rotor do agitador; (02) Manômetro do reator Parr; (03) Conexão do cabo de pressão - conecta ao número 15; (04) Coletor de amostra com filtro; (05) Válvula de alívio de pressão; (06) Entrada de gás hidrogênio no reator Parr; (07) Termopar - conecta ao número 15; (08) Válvula de segurança do reator Parr; (09) Conexão com válvula para entrada de reagente do tanque pulmão; (10) Suporte universal para tanque pulmão e medidor de vazão do hidrogênio; (11) Medidor de vazão do hidrogênio; (12) Reservatório pulmão de reagente; (13) Cilindro de gás hidrogênio; (14) Válvula do cilindro de gás hidrogênio; (15) Painel de controle do reator Parr; (16) Tomada 220 Volts; (17) Entrada da água de refrigeração vinda do resfriador; (18) Saída da água de refrigeração; (19) Reciclo da água de resfriamento; (20) Reator Parr (21) Válvulas abre e fecha.
[013] Figura 03: Conversão global da molécula modelo n-hexadecano (n- C16) em função do tempo de reação para os catalisadores Pt/Al-SBA-15 sintetizados via procedimentos A, B e C. Pode-se observar que a percentagem de conversão de n-hexadecano para todas as amostras de catalisador aumentou com o tempo de reação, atingindo a conversão máxima de 100% do reagente no tempo de 30 horas de reação. As curvas mostram que o tempo de reação de 30 horas é suficiente para atingir a conversão máxima de n-C16 nas condições de reação utilizadas. As indicações na Figura são: (a) 280°C e 55 bar; (b) 290°C e 55 bar; (c) 300°C e 55 bar; Catalisador A (preto); Catalisador B (vermelho); Catalisador C (azul).
[014] Figura 04: Seletividade a mono-ramificados (metil-pentadecanos) versus o tempo de reação em horas obtida para os catalisadores Pt/Al-SBA-15 sintetizados via procedimentos A, B e C. Pode-se verificar que a porcentagem máxima de seletividade a metil-pentadecanos em relação a todos os produtos formados na reação apresentou um máximo no período compreendido entre 2 e 3 horas de reação. A partir da quarta hora de reação ocorre a redução da porcentagem de seletividade a mono-ramificados, para todos os catalisadores, devido às reações secundárias que favorecem a multi-ramificação do iso-C16 e sua posterior quebra em produtos menores. Isso pode ser explicado pelo mecanismo bifuncional clássico que reduz a quantidade de metal exposto no catalisador, e, assim, os intermediários olefínicos têm mais tempo de vida sobre os sitos ácidos antes de serem hidrogenados. As indicações na Figura são: (a) 280°C e 55 bar; (b) 290°C e 55 bar; (c) 300°C e 55 bar; Catalisador A (preto); Catalisador B (vermelho); Catalisador C (azul).
[015] Figura 05: Seletividade em porcentagem para os produtos multi- ramificados em função do tempo de reação em horas resultantes da reação de hidroisomerização do reagente n-hexadecano sob o catalisador sintetizado via procedimentos A, B e C. A máxima seletividade a produtos multi-ramificados ocorre em tempos diferentes para cada catalisador. O catalisador A apresenta máximo de seletividade a produtos multi-ramificados de 30% em um tempo de reação de 5 horas, enquanto os catalisadores B e C apresentam esse máximo de seletividade de 33% e 31% em torno de 14 horas de reação, respectivamente. Pode-se observar que o catalisador C é o mais seletivo a produtos multi- ramificados até um tempo de reação de 2,5 horas. A partir desse tempo de reação, a máxima seletividade a multi-ramificados é apresentada pelo catalisador A, até 5 horas de reação. A partir de 10 horas de reação, os catalisadores sintetizados via procedimentos B e C se destacam na seletividade a produtos multi-ramificados, enquanto o catalisador A se apresenta como o menos seletivo. O aumento dos produtos multi-ramificados com a conversão é confirmada e apresenta a forma vulcânica (REGALI et al., 2014). As indicações na Figura são: (a) 280°C e 55 bar; (b) 290°C e 55 bar; (c) 300°C e 55 bar; Catalisador A (preto); Catalisador B (vermelho); Catalisador C (azul).
[016] Figuras 06, 07 e 08: Seletividade relativa versus o tempo decorrido da reação, para a hidroisomerização direta da molécula modelo n-hexadecano sobre os catalisadores sintetizados via procedimentos A, B e C, em fração de produtos mono-ramificados para o 2-metil-pentadecano, 3-metil-pentadecano, 4 metil-pentadecano, 5-metil-pentadecano e 7-metil-pentadecano. Pode-se verificar que as amostras de catalisador bifuncional de Pt/Al-SBA-15 sintetizados via procedimentos A, B e C, mostram-se seletivas ao isômero 7-metil- pentadecano, com uma porcentagem de seletividade relativa de 43%, permanecendo praticamente constante com o tempo de reação. As indicações na Figura são: (a) 280°C e 55 bar; (b) 290°C e 55 bar; (c) 300°C e 55 bar; 2- metil-pentadecano (preto); 3-metil-pentadecano (vermelho); 4-metil- pentadecano (verde); 5-metil-pentadecano (azul escuro); 7-metil-pentadecano (azul claro).
[017] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[018] A utilização do catalisador Pt/Al-SBA-15 em reações de hidroisomerização segue os seguintes passos:
[019] Síntese do suporte: Para mostrar a versatilidade do catalisador Pt/Al- SBA-15, foram estudados neste invento três procedimentos distintos, denominados A, B e C.
[020] Procedimento A: Em um recipiente de Teflon com tampa dissolveram- se 4,0 gramas de Pluronic P123 (EO20PO70EO20) em 125 mL de uma solução de ácido clorídrico (2 mol L-1), por 12 horas, a temperatura ambiente. Após esse tempo, a temperatura foi elevada para 40°C por 4 horas e, então, adicionaram- se 8,5 gramas de TEOS (Tetraetilortosilicato C8H20O4Si) e agitou-se por mais 4 horas. Adicionou-se 0,85 gramas de isopropóxido de alumínio (C9H21AlO3) e agitou-se a 400 rpm por 20 horas. A suspensão foi transferida para autoclaves de inox revestidas de Teflon. As autoclaves foram mantidas em estufa a 100°C, por 48 horas. Após esse tempo, as autoclaves foram retiradas da estufa e resfriadas em banho de gelo. A solução resultante foi transferida para um béquer de Teflon, em que foi corrigido o pH da solução para 7,5 com hidróxido de amônio (NH4OH) concentrado. A suspensão foi colocada novamente nas autoclaves de inox, por mais 48 horas, a 100°C. O sólido obtido foi filtrado, lavado com 1000 mL de água deionizada e seco em estufa a 100°C, por 12 horas. A amostra obtida foi triturada em gral com pistilo e calcinadas em ar a 500°C, utilizando taxa de aquecimento de 5 °C min-1, com patamar de aquecimento de 6 horas.
[021] Procedimento B: Preparou-se primeiramente a solução 01: em um recipiente de Teflon com tampa foram dissolvidos o Pluronic P123 em 100 mL de ácido clorídrico (2 mol L-1), por 4 horas, a temperatura de 40°C. Paralelamente, uma segunda solução, a solução 02, foi preparada da seguinte maneira: em um béquer de Teflon adicionaram-se o TEOS, o isopropóxido de alumínio e 10 mL de ácido clorídrico (2 mol L-1), colocando-se sob agitação a 400 rpm, por 4 horas, a temperatura ambiente. Após, adicionou-se a solução 02 gota a gota na solução 01 e agitou-se a 400 rpm, por 20 horas, a 40 °C. Após as 20 horas, foi corrigido o pH para 7,5 com hidróxido de amônio (NH4OH) concentrado. A suspensão foi transferida para autoclaves de inox revestidas de Teflon. As autoclaves foram mantidas em estufa a 100°C, por 48 horas. O sólido obtido foi filtrado, lavado com 1000 mL de água deionizada e seco em estufa a 100°C, por 12 horas. A amostra obtida foi triturada em gral com pistilo e calcinada em ar, a 500°C, com taxa de aquecimento de 5°C min-1, por 6 horas.
[022] Procedimento C: Foram preparadas duas soluções: para a solução (1), em um recipiente de Teflon, foram misturados 0,85 gramas de isopropóxido de alumínio, 8,5 gramas de TEOS e 10 mL de solução de HCl (pH = 1,5). A mistura permaneceu sob agitação, a 400 rpm, por 3 horas, a temperatura ambiente. Para a solução (2) foram misturados 4,0 gramas de Pluronic P123 e 150 mL de solução de HCl (pH = 1,5). Esta solução (2), previamente agitada a 400 rpm, por 3 horas, a 40°C. A solução (1) foi adicionada à solução (2) gota a gota. A suspensão permaneceu sob agitação, a 400 rpm, por 4 horas. A mistura foi transferida para autoclaves de inox revestidas de Teflon, por 48 horas, a 100°C. O sólido obtido foi filtrado a vácuo, lavado com 1000 mL de água deionizada e seco em estufa a 100°C, por 12 horas A amostra seca foi triturada em pistilo e calcinada em ar a 550°C, com taxa de aquecimento de 1°C min-1, por 4 horas.
[023] Procedimento de impregnação de Pt nos suportes Al-SBA-15: Foi impregnado 0,5% em massa de platina ao suporte Al-SBA-15, a partir de uma solução 10% de Pt em massa (cloreto de tetraaminplatina (II), Pt(NH3)4Cl2) pelo método de impregnação incipiente (a seco). A massa de solução de platina foi calculada a partir da equação:
Figure img0001
[024] Em que: Csolução é a concentração da solução (mol cm-3); mprecursor é a massa do precursor metálico (Pt) (g); Mprecursor é a massa do sal precursor (g); Vp é o volume de poros do suporte (cm3); e msuporte é a massa do suporte (g).
[025] O volume de solução suficiente para que haja o preenchimento de todos os poros foi calculado a partir do volume específico de poros, determinado experimentalmente. A amostra impregnada, após secagem, foi calcinada em ar, a 500 °C, por 3 horas, com rampa de aquecimento de 1°C min-1.
[026] Aplicação do catalisador Pt/Al-SBA-15 na reação de hidroisomerização do reagente n-hexadecano:
[027] Para comprovar a eficiência da aplicação do catalisador Pt/Al-SBA- 15, ou seja, o objeto do presente pedido de patente de invenção, foi realizada a reação de hidroisomerização do reagente n-hexadecano, em batelada, avaliando-se a conversão e a seletividade a produtos mono-ramificados, conforme os seguintes passos:
[028] As amostras dos catalisadores sintetizadas via procedimentos A, B e C foram ativadas em batelada, seguindo-se as etapas de calcinação, redução e passivação, em uma unidade multipropósito, conforme ilustrado na Figura 1. Os procedimentos estão descritos detalhadamente abaixo: • O catalisador foi colocado sobre o suporte de vidro do reator tipo tubo em U (Figura 1 (2)), que foi cuidadosamente adaptado ao forno da unidade multipropósito (Figura 1 (1)); • A etapa de calcinação foi realizada iniciando com um pré-tratamento da amostra, por 30 minutos, com vazão de N2 de 50 mL min-1, a temperatura ambiente (Figura 1 (6)). Em seguida, a temperatura foi aumentada para 500°C, utilizando uma rampa de aquecimento de 1°C min-1, sendo mantida assim por 3 horas, sob uma vazão de N2 de 50 mL min-1. A amostra foi resfriada até a temperatura ambiente, com o mesmo fluxo de gás N2; • A etapa de reativação foi realizada por 3 horas a 500°C, com um vazão de H2 de 50 mL min-1(Figura 1 (5)), sendo utilizada uma rampa de aquecimento de 1 °C min-1. Após, a amostra foi resfriada até a temperatura ambiente com o mesmo fluxo de gás H2; • A etapa de passivação foi realizada por 8 horas a temperatura ambiente, com vazão de 2 mL min-1 de uma mistura 0,5% de O2 em 99,5% de N2 (Figura 1 (4)); • A etapa de reativação in situ do catalisador foi realizada por 1,5 hora a 150°C e por 6 horas a 300°C, com uma vazão de H2 de 100 mL min-1 e uma pressão de 5 bar aproximadamente (Figura 2 (20)); • No final da etapa de reativação in situ do catalisador, as válvulas de entrada e saída do hidrogênio para o reator foram fechadas (Figura 2 (6)), tomando-se o cuidado de deixar o reator com uma pressão em torno de 4 bar (Figura 2 (11)); • No procedimento de enchimento do cilindro de n-hexadecano, 50 mL do reagente foram carregados no cilindro de aço inox acoplado ao reator, com auxílio de uma seringa de 20 mL contendo agulha metálica longa (Figura 2 (22)). Depois de feito o carregamento do tanque pulmão (cilindro de n-hexadecano), foram realizadas dez purgas com hidrogênio, por pressurização deste cilindro a 75 bar. No final das purgas o reagente estava isento da presença de oxigênio e pronto para ser descarregado dentro do reator. O cilindro contendo o reagente foi pressurizado a 75 bar (Figura 2 (14)) e descarregado dentro do reator. Imediatamente, a agitação foi ligada e ajustada a 800 rpm, sendo, em seguida, a pressão do reator ajustada a 55 bar com H2(Figura 2 (2)). Quando atingiu-se uma temperatura na faixa de 270 e 300°C iniciou-se a contagem do tempo de reação. As alíquotas de amostras foram retiradas em tempos determinados, utilizando-se a válvula de retirada de amostra líquida (Figura 2 (4)); • Os produtos da reação foram analisados em um cromatógrafo a gás. Foram utilizados os métodos de normalização de área para o tratamento dos dados obtidos por cromatografia.
[029] REFERÊNCIAS • egali, F., Liottab, L. B., Veneziab, A. M., Montesc, V., Boutonneta, M., Jarasa, S., “Effect of metal loading on activity, selectivity and deactivation behavior of Pd/silica-alumina catalysts in the hydroconversion of n-hexadecane”. Catalysis Today, Vol. 223, p. 87 - 96, 2014. Documento de Patente CN 105582992 (A). Documento de Patente CN 104815697 (A). Documento de Patente CN 105032476 (A). Documento de Patente KR 101564404 (B1). Documento de Patente US 4943672 (A).

Claims (3)

1. HIDROISOMERIZAÇÃO DE RESÍDUOS PESADOS PROVENIENTES DA SÍNTESE DE FISCHER-TROPSCH USANDO CATALISADOR BIFUNCIONAL Pt/Al-SBA-15, caracterizado por ser realizada sobre catalisadores de Pt/Al- SBA-15, em batelada, com temperatura de reação na faixa de 270°C - 300°C, pressão de 55 bar, razão entre a massa de catalisador e a massa de reagente de 0,052, utilizando velocidade de agitação de 800 rpm.
2. HIDROISOMERIZAÇÃO DE RESÍDUOS PESADOS PROVENIENTES DA SÍNTESE DE FISCHER-TROPSCH USANDO CATALISADOR BIFUNCIONAL Pt/Al-SBA-15, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por apresentar um processo de calcinação, ativação e passivação em uma unidade multipropósito, sendo que a etapa de calcinação é realizada com um pré- tratamento da amostra, por 30 minutos, com vazão de N2 de 50 mL min-1, a temperatura ambiente, e, após, por 6 horas a 500°C, com uma vazão de N2 de 50 mL min-1, em que é utilizada uma rampa de aquecimento de 1°C min-1; a etapa de redução é realizada na sequência da etapa de calcinação, na mesma unidade multipropósito, com a etapa de ativação sendo realizada, por 6 horas, a 500°C, com uma vazão de H2 de 50 mL min-1, na qual é utilizada uma rampa de aquecimento de 1°C min-1, sendo resfriada na sequência até a temperatura ambiente, com a mesma vazão de gás H2, e, por fim, é realizada uma etapa de passivação a temperatura ambiente, por 8 horas, utilizando uma vazão de 2 mL min-1 de uma mistura gasosa contendo 0,5% de O2 em 99,5% de N2.
3. HIDROISOMERIZAÇÃO DE RESÍDUOS PESADOS PROVENIENTES DA SÍNTESE DE FISCHER-TROPSCH USANDO CATALISADOR BIFUNCIONAL Pt/Al-SBA-15, de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado por apresentar um processo de reativação in situ do catalisador, realizado a 150°C, por 1,5 h, sendo em seguida aquecido a 300°C e mantido por 6 h, sob uma vazão de 100 mL min-1 de H2, a uma pressão de 5 bar.
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