Modelagem e simulação de um reator industrial em uma unidade de geração de hidrogênio

Abstract

Resumo: A geração de hidrogênio na indústria de processos tem adquirido cada vez maior destaque no cenário nacional e internacional devido à grande tendência de aumento de seu consumo, para sua utilização em processos nobres, por exemplo, no hidrotratamento de combustíveis, buscando produtos de maior qualidade. Dentro deste contexto, ganha importância o processo de geração de hidrogênio, onde o domínio de sua tecnologia torna-se fundamental para a sua otimização. O reator de shift na unidade de geração de hidrogênio, etapa intermediária e responsável por converter o monóxido de carbono do gás de síntese a dióxido de carbono e hidrogênio, constitui um sistema reacional cuja predição de seu comportamento cinético, utilizando-se um modelo adequado pode ser bastante útil. Foi realizado extenso levantamento de modelo cinético fenomenológico com as devidas correções requeridas em termos de fenômenos de difusão nos poros de um catalisador em formato de pellet, desativação catalítica, pressão e ordem aparente da reação, para a modelagem de um reator de shift industrial de leito fixo de alta temperatura, utilizando catalisadores comerciais do tipo Fe-Cr promovidos por Cu. Previamente à etapa de modelagem, a consistência e qualidade dos dados industriais disponíveis foram avaliadas, onde um modelo estatístico entre as principais variáveis de entrada e a conversão de CO, foi desenvolvido, encontrando-se uma correlação de 0,75. Foi realizado um estudo da termodinâmica de equilíbrio deste conjunto de dados. As equações diferenciais de balanço molar e energético deste sistema foram propostas, e solucionadas por uma ferramenta computacional adequada. O modelo é ajustado e validado utilizando-se dados de operação de um reator industrial, obtendo-se um coeficiente de correlação de 0,77. Finalmente, demonstra-se a utilidade do modelo apresentando-se um estudo de caso de pesquisa de temperatura de alimentação ótima do reator, validada pela realização de um teste em reator industrial. Em um segundo estudo de caso, diferentes simulações são realizadas para se explicar determinados aspectos relevantes do comportamento histórico operacional de um reator de shift industrial. Uma malha de controle é proposta para a otimização da conversão do reator.