Uma formulação implícita para o método Smoothed Particle Hydrodynamics

Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.

Conversão do metanol em olefinas catalisada por zeólitas com diferentes características ácidas e estruturais

A reação de transformação de metanol em olefinas leves foi investigada sobre as peneiras moleculares HZSM-5, HFER, SAPO-34 e HMCM-22. A caracterização físico-química das amostras foi realizada através das técnicas de FRX, DRX, fisissorção de nitrogênio, MEV, espectrometria no IV com adsorção de piridina e TPD de NH3. O desempenho catalítico das mesmas foi comparado em condições de isoconversão inicial de 755%. Verificou-se que as características ácidas e estruturais exerceram forte influência sobre o desempenho catalítico quanto à atividade, estabilidade e seletividade aos produtos da reação. A amostra mais estável foi a HZSM-5 que apresentou maior densidade de sítios fortes e uma estrutura porosa que permite uma circulação tridimensional das moléculas. Já a menos estável, SAPO-34, apresentou a menor concentração de sítios ácidos fortes dentre os materiais estudados e uma estrutura com cavidades com aberturas estreitas (4Å) que oferecem restrições ao acesso dos reagentes aos sítios ácidos do catalisador. Quanto à seletividade a olefinas, a primeira foi mais seletiva a propeno e a segunda, a eteno. A ferrierita não se mostrou seletiva às olefinas leves tendo apresentado, no entanto, comportamento promissor quanto a formação de DME a partir do metanol. Já a HMCM-22 foi seletiva às olefinas leves e aos hidrocarbonetos com 4, 5 e 6 ou mais átomos de carbono. A influência da temperatura no desempenho catalítico foi investigada variando-se a temperatura de reação (300, 400 e 500C). Verificou-se que para a HZSM-5 e HMCM-22, perda da atividade catalítica foi intensificada a partir de 400C. Quanto à seletividade a olefinas leves, apenas a SAPO-34 não se mostrou sensível a variações na temperatura, efeito este que foi nitidamente observado nos outros três catalisadores: um aumento na temperatura promoveu um aumento na seletividade a olefinas leves no caso da HZSM-5 e da HMCM-22 e queda nesse valor para a HFER

Transformação de metanol em olefinas leves catalisada por zeólitas HZSM-5

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.