Orientador: Maria Teresa Moreira Rodrigues

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O processo de síntese de amônia completou 100 anos em 2013. Esta foi uma das maiores invenções do século XX. Além disso, este processo possui uma elevada gama de temperaturas e pressões, indo de 1 atm a 300 atm e de 200 K até 800 K (na qual a reação pode ocorrer). A produção de amônia...

Resumo: O processo de síntese de amônia completou 100 anos em 2013. Esta foi uma das maiores invenções do século XX. Além disso, este processo possui uma elevada gama de temperaturas e pressões, indo de 1 atm a 300 atm e de 200 K até 800 K (na qual a reação pode ocorrer). A produção de amônia acontece em reatores de 150 a 300 atm e de 600 a 810 K, com 30 % de conversão por passe, pois a reação é altamente exotérmica. Mais ainda, a amônia é um gás polar e hidrogênio é um gás quântico nessas condições. Logo, a predição de composição, temperatura e de pressão dentro de reatores de amônia usando modelos apropriados se faz importante. Muitas leis de reação foram propostas. Porém, muitas dessas expressões usavam atividade química sem computar interações entre os componentes. Dessa forma, a modelagem de reatores de amônia utilizando um modelo termodinâmico rigoroso foi proposta neste trabalho. As expressões de Peng e Robinson e de Soave Redlich Kwong foram usadas na taxa de reação proposta por Singh e Saraf. Dois modos de operação foram modelados: adiabático (no qual a reação não troca calor com a vizinhança) e autotérmico (operando não isotermicamente). A atividade catalítica foi ajustada a modelagem por equações de estado. Os dois modelos de reatores foram comparados com dados de planta reais e apresentaram boa concordância. O modelo adiabático apresentou um erro máximo relativo de 1.6 % com a temperatura e de 11.4 % com a conversão. Por outro lado, o modelo autotérmico teve um erro máximo de 2.7 % com a temperatura. Posteriormente uma análise de sensitividade foi realizada em variáveis de entrada de ambos os modelos. A operação adiabática se mostrou mais sensível à variação de pressão e temperatura, enquanto a autotérmica apresentou maiores conversões e melhor remoção de energia. Na parte final, uma estimativa de propriedades na camada limite mássica foi realizada. Os valores de difusão mássica foram pequenos devido à elevada pressão, contudo a resistência externa à transferência de massa se mostrou significativa. Mesmo assim, a maior resistência no reator de síntese de amônia é interna a partícula catalítica

Abstract: Ammonia synthesis process completed 100 years in 2013. It was one of the most important inventions in 20th century. Moreover, the process has a variety of temperatures and pressures, going from 1 atm to 300 atm, and from 200 K to 810 K. The ammonia production takes place in reactors from...

Abstract: Ammonia synthesis process completed 100 years in 2013. It was one of the most important inventions in 20th century. Moreover, the process has a variety of temperatures and pressures, going from 1 atm to 300 atm, and from 200 K to 810 K. The ammonia production takes place in reactors from 150 to 300 atm and 600 to 800 K with 30 % of conversion, because it is highly exothermic. Besides, ammonia is a polar gas and hydrogen is a quantic gas in these conditions. Therefore, the prediction of composition, temperature and pressure inside ammonia converters using appropriate models is important. Furthermore, many reaction rates were proposed for ammonia synthesis. However, most of the expressions used chemical activity without computing compositional interactions between components. So, the modeling of reactors using a rigorous thermodynamic model was proposed. The Peng Robinson and Soave Redlich Kwong expressions were used in Singh and Saraf rate expression. Two modes of operations were modeled: adiabatic (which reaction releases heat without removal) and autothermal (non isothermal operation). The catalyst activity was fitted to EoS modeling. Both models were validated with plant data and they presented good reliability. The adiabatic model presented maximum error of 1.6 % with temperature and 11.4 % with conversion. On the other hand, autothermal model presented maximum error of 2.7 % with temperature. Moreover, the sensitivity analysis of input variables was proposed in both models. The adiabatic operation showed more sensitive to inlet pressure and temperature variations, while the autothermal reactor presented higher conversions and better energy removal. In final part, the estimation of properties in mass boundary layer were made. The values of mass diffusion were low due to high pressure and external resistance was significant. However, when it was compared to internal resistance, the resistance computed by effectiveness factor was dominant in ammonia synthesis reactor

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