Modelagem e simulação de reatores cataliticos de leito fixo : avaliação de diferentes configurações para o fluido refrigerante
Edvaldo Rodrigo de Morais
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP M792m
Campinas, SP : [s.n.], 2004.
202p. : il.
Orientadores: Rubens Maciel Filho, Coselli Vasco de Toledo
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica
Resumo: Os reatores catalíticos de leito fixo são um dos equipamentos mais importantes dentro da indústria química e petroquímica. Portanto existe um grande incentivo para se projetar reatores de alto desempenho desde que estes possam levar a altas taxas de
produção, ao rendimento e a seletividade... Ver mais Resumo: Os reatores catalíticos de leito fixo são um dos equipamentos mais importantes dentro da indústria química e petroquímica. Portanto existe um grande incentivo para se projetar reatores de alto desempenho desde que estes possam levar a altas taxas de
produção, ao rendimento e a seletividade quase total, garantindo ainda uma operação segura. Em reatores onde ocorram reações fortemente exotérmicas uma das principais características é o surgimento do ponto quente ou ¿hot spot¿, o qual é normalmente
localizado perto da entrada do reator e que eleva repentinamente a temperatura do reator em direção a um máximo. Conseqüentemente, esses pontos devem ser mantidos dentro de certos limites, pois podem levar a conseqüências indesejáveis, tais como a queda de seletividade no caso de reações competitivas, desativação do catalisador e especialmente o perigo do descontrole da temperatura do reator (¿runaway¿). Com um modelo matemático suficientemente representativo do processo é possível propor configurações alternativas de refrigeração alcançando assim um alto desempenho. Esse é o objetivo deste trabalho, explorar os benefícios das formas convencionais de refrigeração, denominadas co e contra-corrente, para projetar uma nova configuração de refrigeração, utilizando ambas as formas convencionais simultaneamente. Desta forma, espera-se aproveitar as vantagens que cada uma das configurações convencionais de refrigeração tem a oferecer. Para o estado estacionário os modelos pseudo-homogêneos bidimensionais de reatores catalíticos de leito fixo, os quais incorporam as capacidades térmicas do fluido e do sólido, ( ?Cp)f e ( ?Cp)s, respectivamente, foram utilizados. Como caso de estudo, foi considerada a reação de oxidação do etanol a acetaldeído tanto sobre catalisador de Fe-Mo quanto de Cobre Oxidado. Ambas são reações fortemente exotérmicas, e representam uma importante classe dentro dos processos industriais. Dando seqüência ao trabalho foi realizado um estudo de otimização para as quatro configurações do fluido refrigerante propostas a fim de identificar as melhores condições de refrigeração e propriedades do fluido refrigerante para reduzir os custos energéticos. As análises foram realizadas considerando algumas restrições para os parâmetros operacionais e de projeto do fluido refrigerante, de forma a avaliar seus efeitos sobre o desempenho do reator. Finalmente para o regime transiente foram considerados os modelos pseudohomogêno e heterogêneo, com o fluido refrigerante escoando em co-corrente e contracorrente, visando observar o deslocamento do ponto quente ao longo do tempo, e analisar a influência da alteração do fluxo de refrigeração sobre o comportamento dinâmico do reator Ver menos
produção, ao rendimento e a seletividade... Ver mais Resumo: Os reatores catalíticos de leito fixo são um dos equipamentos mais importantes dentro da indústria química e petroquímica. Portanto existe um grande incentivo para se projetar reatores de alto desempenho desde que estes possam levar a altas taxas de
produção, ao rendimento e a seletividade quase total, garantindo ainda uma operação segura. Em reatores onde ocorram reações fortemente exotérmicas uma das principais características é o surgimento do ponto quente ou ¿hot spot¿, o qual é normalmente
localizado perto da entrada do reator e que eleva repentinamente a temperatura do reator em direção a um máximo. Conseqüentemente, esses pontos devem ser mantidos dentro de certos limites, pois podem levar a conseqüências indesejáveis, tais como a queda de seletividade no caso de reações competitivas, desativação do catalisador e especialmente o perigo do descontrole da temperatura do reator (¿runaway¿). Com um modelo matemático suficientemente representativo do processo é possível propor configurações alternativas de refrigeração alcançando assim um alto desempenho. Esse é o objetivo deste trabalho, explorar os benefícios das formas convencionais de refrigeração, denominadas co e contra-corrente, para projetar uma nova configuração de refrigeração, utilizando ambas as formas convencionais simultaneamente. Desta forma, espera-se aproveitar as vantagens que cada uma das configurações convencionais de refrigeração tem a oferecer. Para o estado estacionário os modelos pseudo-homogêneos bidimensionais de reatores catalíticos de leito fixo, os quais incorporam as capacidades térmicas do fluido e do sólido, ( ?Cp)f e ( ?Cp)s, respectivamente, foram utilizados. Como caso de estudo, foi considerada a reação de oxidação do etanol a acetaldeído tanto sobre catalisador de Fe-Mo quanto de Cobre Oxidado. Ambas são reações fortemente exotérmicas, e representam uma importante classe dentro dos processos industriais. Dando seqüência ao trabalho foi realizado um estudo de otimização para as quatro configurações do fluido refrigerante propostas a fim de identificar as melhores condições de refrigeração e propriedades do fluido refrigerante para reduzir os custos energéticos. As análises foram realizadas considerando algumas restrições para os parâmetros operacionais e de projeto do fluido refrigerante, de forma a avaliar seus efeitos sobre o desempenho do reator. Finalmente para o regime transiente foram considerados os modelos pseudohomogêno e heterogêneo, com o fluido refrigerante escoando em co-corrente e contracorrente, visando observar o deslocamento do ponto quente ao longo do tempo, e analisar a influência da alteração do fluxo de refrigeração sobre o comportamento dinâmico do reator Ver menos
Abstract: Fixed bed catalytic reactors are one of the most important kinds of piece of equipment in the chemical and petrochemical industries. Therefore, it is a large incentive for the design of high performance reactors, since this may lead to large production rate,
almost total yield and... Ver mais Abstract: Fixed bed catalytic reactors are one of the most important kinds of piece of equipment in the chemical and petrochemical industries. Therefore, it is a large incentive for the design of high performance reactors, since this may lead to large production rate,
almost total yield and selectivity while ensuring safe operation. In reactors where strong exothermic reactions occurs one of the principal characteristics are the occurrence of the hot spot, which normally is located near to the entrance of reactor and which suddenly
raises the temperature of the reactor in direction to a maximum. Consequently, these points must be inside of certain limits, because it takes to undesirable consequences, such as decrease of selectivity in the case of competitive reactions, deactivation of catalyst and
especially the appearance of the temperature runaway of the reactor. With a suitable process representation it is possible to propose alternative configurations so that high performance can be achieved. This is the scope of this work, which explores the benefits of both conventional cooling modes, namely co and countercurrent, to design a new fixed bed catalytic reactor using both conventional modes of
refrigeration simultaneously, so that it is possible to take advantage of the positive features of each cooling mode. For the steady state, a pseudo-homogeneous model which incorporates the thermal capacities of the fluid and the solid, ( ?Cp)f and ( ?Cp)s, respectively, was used. As a case study, the catalytic oxidation of ethanol to acetaldehyde over Fe-Mo and Oxidated Copper catalyst were considered. It is a strongly exothermic reaction, representative of an important class of industrial processes. In the sequence of the work, an optimization was performed using the proposed coolant designs to identify the best operating conditions and coolant properties in order to achieve lower energy costs. Analyses were carried out with some regards to the operating and designs parameters of the coolant, in order to evaluate their effects on the performance of the reactor. Finally, the dinamic state for both models were considered (pseudo-homogenous and heterogeneos) with the coolant flow in co-current and counter-current modes, the objective was to analyze the displacement of the hot spot along the time as well as the influence change in the coolant flow over the dinamic behaviour of the reactor Ver menos
almost total yield and... Ver mais Abstract: Fixed bed catalytic reactors are one of the most important kinds of piece of equipment in the chemical and petrochemical industries. Therefore, it is a large incentive for the design of high performance reactors, since this may lead to large production rate,
almost total yield and selectivity while ensuring safe operation. In reactors where strong exothermic reactions occurs one of the principal characteristics are the occurrence of the hot spot, which normally is located near to the entrance of reactor and which suddenly
raises the temperature of the reactor in direction to a maximum. Consequently, these points must be inside of certain limits, because it takes to undesirable consequences, such as decrease of selectivity in the case of competitive reactions, deactivation of catalyst and
especially the appearance of the temperature runaway of the reactor. With a suitable process representation it is possible to propose alternative configurations so that high performance can be achieved. This is the scope of this work, which explores the benefits of both conventional cooling modes, namely co and countercurrent, to design a new fixed bed catalytic reactor using both conventional modes of
refrigeration simultaneously, so that it is possible to take advantage of the positive features of each cooling mode. For the steady state, a pseudo-homogeneous model which incorporates the thermal capacities of the fluid and the solid, ( ?Cp)f and ( ?Cp)s, respectively, was used. As a case study, the catalytic oxidation of ethanol to acetaldehyde over Fe-Mo and Oxidated Copper catalyst were considered. It is a strongly exothermic reaction, representative of an important class of industrial processes. In the sequence of the work, an optimization was performed using the proposed coolant designs to identify the best operating conditions and coolant properties in order to achieve lower energy costs. Analyses were carried out with some regards to the operating and designs parameters of the coolant, in order to evaluate their effects on the performance of the reactor. Finally, the dinamic state for both models were considered (pseudo-homogenous and heterogeneos) with the coolant flow in co-current and counter-current modes, the objective was to analyze the displacement of the hot spot along the time as well as the influence change in the coolant flow over the dinamic behaviour of the reactor Ver menos
Maciel Filho, Rubens, 1958-
Orientador
Toledo, Coselli Vasco de
Coorientador
Giudici, Reinaldo
Avaliador
Guirardello, Reginaldo, 1961-
Avaliador
Modelagem e simulação de reatores cataliticos de leito fixo : avaliação de diferentes configurações para o fluido refrigerante
Edvaldo Rodrigo de Morais
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