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.

Abstract: The industrial hydrogen generation has an increasing focus in the national and international industrial scene due to its increasing demand in processes such as hydrotreatment for higher quality fuel production. In this context, the hydrogen generation process has an increasing importance and its technology know how became fundamental to the process optimization. The water gas shift reactor, an intermediate step in the hydrogen generation unit, has the role of converting the carbon monoxide from the synthesis gas into carbon dioxide and hydrogen, is a reacting system whose kinetic behavior prediction ability can be very useful. An extensive review of the kinect expressions with the correction factors required to compensate the pore diffusion phenomena in the catalyst, age of the calalyst, pressure, order of reaction to model a high temperature industrial fixed bed shift reactor, using commercial Fe-Cr catalyst promoted by Cu. Previous to the modeling step, the industrial data quality and consistency were evaluated, a statistical multivariable model with the main variables as inputs and the CO conversion as output was developed, finding a correlation factor of 0,75. An evaluation of the approach to the reaction thermodynamic equilibrium of the industrial data was calculated. The molar and energy differential equation balance were stated and solved using a computational tool. The parameters were estimated and the model validated using industrial data, the final model correlation is 0,77. Finally, the model utility is demonstrated by a case study of optimal reactor feed temperature search, validated with an industrial reactor test. In the second case study, many simulations were generated to explain some aspects of a historical behavior of an industrial water gas shift reactor. A control loop is proposed to the reactor conversion optimization.