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O Processo de Fischer Topsch

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O processo de Fischer-Tropsch (FT) é um processo químico para produção de hidrocarbonetos líquidos (gasolina, querosene, gasóleo e lubrificantes) a partir de gás de síntese (CO e H2). Foi inventado pelos alemães Franz Fischer e Hans Tropsch na década de 1920.

Reações fundamentais

CH_4 + \begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix}O_2 \rarr 2 H_2 + CO
(2n+1)H_2 + nCO \rarr C_nH_{2n+2} + nH_2O

Química

Reações

As reações principais são:

n CO + (2n+1) H_2 \overrightarrow \leftarrow C_n H_{2n+2} + n H_2O (Produção de parafinas)
n CO + (2n) H_2 \overrightarrow \leftarrow C_n H_{2n} + n H_2O (Produção de olefinas)

Se trata em ambos os casos de reações muito exotérmicas, ou seja, que liberam uma grande quantidade de calor.

Reações secundárias, indesejadas:

CO + 3 H_2 \overrightarrow \leftarrow CH_4 + H_2O (Produção de metano)
n CO + (2n) H_2 \overrightarrow \leftarrow C_n H_{2n+1}OH + (n-1) H_2O (Produção de álcoois)
2 CO \overrightarrow \leftarrow C(s)+ CO_2 (Deposição de carbono sólido)

A reação se leva a cabo sobre catalisadores de cobalto ou ferro. Para um bom rendimento se requer alta pressão (tipicamente 20 - 30 bar) e temperatura (200 - 350ºC). Acima dos 400ºC a formação de metano resulta excessiva.

Cinética

As reações principales de Fischer-Tropsch são na realidade reações de polimerização, consistentes em cinco passos básicos:

  1. Adsorção de CO sobre a superfície do catalisador
  2. Início de polimerização mediante formação de radical metilo (por dissociação do CO e hidrogenação)
  3. Polimerização por condensação (adição de CO e H2 e liberação de água)
  4. Terminação
  5. Desorção do produto

A velocidade de reação está limitada pela cinética e em particular pelo passo de polimerização por condensação.

A distribuição de pesos moleculares no produto pode ser predita aproximadamente pelo

modelo de Anderson-Schulz-Flory:

\ W_n = n (1-a)^2 a^{(n-1)}

onde Wn é a fração em peso de produto com n átomos de carbono e a é a probabilidade de crescimiento de cadeia, função das condições de reação (catalisador, temperatura, pressão e composição do gás).

Produtos

O produto obtido à saída de um reator de Fischer-Tropsch consiste em uma mistura de hidrocarbonetos com uma distribuição muito ampla de pesos moleculares, que vão desde os gases até às ceras passando pela gasolina, o querosene e o gasóleo. A natureza e proporção dos produtos depende do tipo de reator e de catalisador. Em geral os processos que operam a alta temperatura produzem uma maioria de gasolinas olefínicas enquanto que os de baixa temperatura dão sobretudo gasóleos parafínicos.

Sempre é necessária uma etapa ulterior de hidrotratamento para que os produtos alcancem a qualidade exigida pelo mercado.

Reatores

Ao longo da história se tem utilizado quatro tipos principais de reatores industriais para desenvolever as reações FT:

  • Reator tubular em leito fixo. Sasol denomina Arge a seu reator deste tipo e o opera a 220-260ºC e 20-30 bar.
  • Reator de leito circulante (chamado Synthol por Sasol), operado a 350ºC e 25 bar. Produz sobretudo gasolina olefínica.
  • Reator de leito fluidizado (Sasol Advanced Synthol), similar em operação ao Synthol mas de menor tamanho para mesma capacidade de produção.
  • Reator "slurry", em que o catalisador se encontra em suspensão em um líquido (normalmente ceras produzidas pela própria reação) no qual se borbulha o gás de síntese. Normalmente estes reatores trabalham a baixa temperatura para produzir o máximo de produtos de alto peso molecular.
 

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