Modelagem de reator trickle bed empregado na hidrogenação seletiva de MAPD utilizando CFD

Abstract

A principal característica do reator de leito gotejante (TBR, do inglês Trickle Bed Reactor) ´e a presença de líquido e vapor fluindo através de um meio poroso (leito catalítico), no qual o vapor é uma fase contínua. Este modelo de reator ´e largamente utilizado para hidrogenação industrial, sendo uma de suas aplicações a eliminação do metil acetileno e propadieno (MAPD) presentes no propileno produzido por plantas de craqueamento térmico a vapor, a fim de atingir a especificação do propileno grau de polímero. A operação ótima deste sistema ´e fundamental para garantir a adequada eficiência energética da planta industrial e consequentemente sua competitividade. Na literatura aberta são raros os estudos sobre a modelagem deste reator, considerando conjuntamente os aspectos cinéticos e de distribuição de fluxo. Isto ´e particularmente importante para o TBR, muito sensível aos aspectos de transporte de massa e energia, o que limita a utilização de dados de reator laboratorial. Esta investigação tem como objetivo desenvolver um modelo computacional capaz de reproduzir o comportamento do reator trickle bed de uma planta petroquímica onde ocorre a hidrogenação seletiva de MAPD, visando estabelecer as condições ótimas para este processo. Para tanto, foi utilizada a dinâmica dos fluidos computacional (CFD, do inglês Computational Fluid Dynamics) como ferramenta para descrever o escoamento de massa e energia através do meio poroso (leito catalítico), acoplado aos modelos cinéticos e de transferência de massa entre fases. A regressão de parâmetros dos modelos cinéticos e sua validação foram realizadas com a utilização de dados operacionais do reator industrial e as simulações CFD foram conduzidas utilizando um software comercial (Ansys Fluent). Este estudo assumiu a condição de estado estacionário e a assunção de um meio poroso isotrópico. Com base nos modelos obtidos, foi possível construir uma superfície de respostas do sistema para as variáveis manipuláveis e definir o conjunto ótimo de parâmetros operacionais para alcançar o melhor desempenho do sistema analisado. Com isto, a aplicação dos parâmetros ótimos de processo no TBR estudado apresenta potencial de captura financeira superior a 1 milhão de Reais por ano. O modelo desenvolvido colabora no entendimento dos fenômenos que ocorrem no interior do TBR utilizado para hidrogenação de MAPD e deverá ser útil no projeto de novos reatores trickle bed para esta função e avaliação prévia de modificações de processo. ABSTRACT: The main feature of the Trickle Bed Reactor (TBR) is the presence of liquid and steam flowing through a porous medium (catalytic bed), in which the steam is a continuous phase. This reactor model is widely used for industrial hydrogenation, one of its applications being the elimination of methyl acetylene and propadiene (MAPD) ​​present in the propylene produced by steam thermal cracking plants, in order to reach the specification of polymer grade propylene. . The optimal operation of this system is fundamental to guarantee the adequate energy efficiency of the industrial plant and, consequently, its competitiveness. In the open literature, studies on the modeling of this reactor are rare, considering jointly the kinetic and flow distribution aspects. This is particularly important for TBR, which is very sensitive to aspects of mass and energy transport, which limits the use of laboratory reactor data. This investigation aims to develop a computational model capable of reproducing the behavior of the trickle bed reactor of a petrochemical plant where the selective hydrogenation of MAPD occurs, in order to establish the optimal conditions for this process. Therefore, computational fluid dynamics (CFD) was used as a tool to describe the flow of mass and energy through the porous medium (catalytic bed), coupled with kinetic and mass transfer models between phases. The regression of parameters of the kinetic models and their validation were performed using operational data from the industrial reactor and the CFD simulations were conducted using commercial software (Ansys Fluent). This study assumed the steady state condition and the assumption of an isotropic porous medium. Based on the models obtained, it was possible to build a system response surface for the manipulable variables and define the optimal set of operational parameters to achieve the best performance of the analyzed system. With this, the application of the optimal process parameters in the studied TBR presents a potential for financial capture of more than 1 million reais per year. The developed model contributes to the understanding of the phenomena that occur inside the TBR used for MAPD hydrogenation and should be useful in the design of new trickle bed reactors for this function and in the prior evaluation of process modifications.