Modeling and simulation of a composite palladium membrane system to analyze the change in position of a split in the permeate and sweep gas settings in the dehydrogenation of ethylbenzene

Orientador: Roger Josef ZempTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Na Intensificação de Processos, o estudo de diferentes configurações de reatores de membrana de paládio proporciona novos conhecimentos em processos envolvendo a transferência de hidrogênio, como melhorias em valores de conversão, seletividade e rendimento em reações de hidrogenação e/ou desidrogenação. O primeiro objetivo deste trabalho e que consiste em seu caráter inovador foi analisar o efeito de mudanças na geometria e na proporção do gás inerte de arraste (GIA) em um reator com membrana composta de paládio. Essas alterações consistiram na divisão da região do permeado em duas seções. Além disso, também foram feitas simulações para quatro configurações de escoamento do GIA: duplo concorrente, co/contracorrente, contra/concorrente e duplo contracorrente. Essas configurações se referem aos tipos de escoamento na primeira e na segunda seção do permeado, respectivamente. Foi observado o efeito da divisão no permeado, bem como a alteração da posição dessa divisão e diferentes proporções de GIA nas variáveis de conversão, seletividade e rendimento para a desidrogenação do etilbenzeno. Os resultados mostraram que para o sistema estudado tais modificações propostas não proporcionaram conversão e seletividade superiores aos casos convencionais (sem divisão). Porém para o rendimento, foi obtido um acréscimo, de 0,34 % quando se considerou a configuração de duplo concorrente, com a divisão no permeado em 0,4 m de um reator com 1 m de comprimento, tanto com o uso de GIA em 0,3 quanto em 0,4 da quantidade total para os casos convencionais, na primeira seção do permeado (PSP). O segundo objetivo deste trabalho foi aprofundar os conhecimentos experimentais sobre a fabricação de uma membrana composta de paládio, sobre um suporte de aço inoxidável poroso (PSS), para permeação de hidrogênio, seguida de simulação de um sistema de separação de hidrogênio. Na etapa de fabricação, foi descrita a produção de uma membrana composta de paládio, com tal camada depositada sobre um suporte de PSS, sendo posteriormente caracterizada em termos de sua permeação e seletividade. A membrana original (primeira membrana fabricada neste trabalho) teve uma diminuição de permeação de hidrogênio e aumento na permeação de hélio ao longo do período de análise. Essas variações de permeação proporcionaram uma diminuição na razão seletividade de 1651,5 para 254,6. Para melhorar o desempenho da membrana foram repetidas as etapas de ativação e deposição e se obteve a membrana reparada. A membrana reparada apresentou uma permeação relativamente estável e de seletividade infinita. Na posterior etapa de simulação comparou-se a vazão de saída do permeado teórica com a medida experimentalmente, 457 SCCM. Os valores teóricos ficaram entre 66 e 3 % acima do experimental quando consideradas diferentes temperaturas de entrada no permeado, variando de 25 a 450 °C, respectivamente. Conclui-se que as modificações propostas de geometria e de uso do GIA proporcionaram um resultado positivo em termos de rendimento para a reação e que o modelo conseguiu um resultado satisfatórioAbstract: In the Process Intensification, the study of different configurations of palladium membrane reactors provides new insights into processes involving the hydrogen transfer, as improvements in values of conversion, selectivity and yield in hydrogenation and/or dehydrogenation reactions. The first objective of this work and its innovative character is the analysis the effect of changes in geometry and proportion of inert sweep gas (GIA) in a composite palladium membrane reactor. These changes consisted in split the permeate region in two sections. Furthermore, four configurations of GIA flow were simulated in the divided permeate: double co-current, co/counter-current, counter/co-current and double counter-current. Those configurations refer to the flow in the first and second sections of permeate, respectively. The effect of the division in permeate was observed as well as the changes on its position and different proportions of GIA in values of conversion, selectivity and yield of the dehydrogenation of ethylbenzene. The results showed that, for the studied system, such proposed modifications did not provide higher values of conversion and selectivity than the conventional cases (no division). However, for the yield it was obtained a increase of 0.34 %, when it was considered the double co-current configuration, with the division in permeate at 0.4 m of a 1 m reactor length for both GIA in 0.3 as in 0.4 in the first permeate section (PSP). The second objective of this work was to deepen the experimental knowledge about the fabrication of a composite palladium membrane over a porous stainless steel support (PSS) for hydrogen permeation, followed by simulation of a hydrogen separation system. In the fabrication step, it was described the production of a composite palladium membrane, with the palladium layer deposited on a PSS support, being after that characterized in terms of its permeation and selectivity. The original membrane (the first fabricated membrane in this work) had a decrease in hydrogen permeation and an increase in helium permeation during the analysis. Those variations in permeation provided a decreasing in selectivity from 1651.5 to 254.6. To improve the membrane performance the activation and deposition steps were repeated and it was obtained a repaired membrane. The repaired membrane presented a relatively stable permeation and infinite selectivity. In the later stage of simulation one compared the theoretical permeate outlet flow rate with the experimental measurement of 457 SCCM. The theoretical values were between 66 and 3 % higher than the experimental when a range of different temperatures were considered in the permeate inlet, varying from 25 to 450 °C, respectively. It was concluded that the proposed modifications in geometry and in GIA provided a positive result in terms of yield for the reaction and that the model achieved a satisfactory resultDoutoradoSistemas de Processos Quimicos e InformaticaDoutor em Engenharia Química141100/2011-7000498/2013-00CNPQCAPE