Modelagem matemática e simulação numérica de reatores de leito fluidizado borbulhante e incorporação em simulador de processos comercial

Orientador: Maria Teresa Moreira RodriguesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia QuímicaResumo: Reatores de leito fluidizado são muito importantes na indústria química, devido sua capacidade de gerenciamento de calor e outros aspectos. Porém, apesar da modelagem matemática e simulação numérica desses reatores terem sido feitos com relativo sucesso ao longo dos últimos cinquenta anos, há uma falta de bons modelos que permitam que sejam simulados em simuladores de processo. O objetivo desse trabalho é desenvolver um modelo matemático baseado na fluidização borbulhante, considerando escoamento não-ideal, transferência de calor e massa entre gás e partículas. O modelo também aborda reações químicas múltiplas e utiliza estratégia sequencial-modular para prover bons resultados e permitir que seja simulador de dentro de simuladores de processo comerciais. Primeiro, o comportamento fluidodinâmico da fluidização borbulhante foi analisado e o conjunto bolha-nuvem-emulsão foi tratado como um sistema em modo transiente, enquanto que a emulsão foi tratada como um escoamento de gás em estado estacionário. Em seguida, outras regiões dentro do reator também foram consideradas, como distribuidor, superfície livre e ciclones. Uma vez que o padrão de escoamento foi determinado, o sistema bolha-nuvem-emulsão é modelado como um modelo de compartimentos, no qual o gás em circulação fechada escoa entre tanques agitados catalíticos e leito fixo até o tempo de residência ser atingido. O modelo foi aplicado em um reator de leito fluidizado borbulhante industrial real como estudo de caso, um reator para síntese de anidrido ftálico via oxidação de naftaleno. Esse sistema tem modelos cinéticos desenvolvidos desde os anos 60 e baseados em hipóteses simplificadoras que não condizem com a realidade, então um modelo cinético de pseudo-primeira ordem foi ajustado à composição experimental da saída do reator com o propósito de obter um modelo cinético válido para as simulações realizadas posteriormente, e esse procedimento foi chamado de calibração do modelo. Resultados das simulações e suas análises permitiram concluir que o modelo proposto é fisicamente consistente e tem potencial de ser utilizado para outros processos químicos que utilizam reatores semelhantesAbstract: Fluidized Bed Reactors are very important in the chemical industry due to their capability of heat management and other features. However, although mathematical modeling and numerical simulation of such reactors have been done with relative success over the last fifty years, there is an absence of a good model to allow them to be accurately simulated into process flowsheets. The objective of this work is the development of a mathematical model based on bubbling fluidization, accounting for non-ideal flow, heat and mass transfer between gas and particles. The model also deals with multiple reactions and uses sequential modular strategy to provide good results and allow it to be simulated from within commercial process simulators. First, the fluid dynamic behavior of the bubbling fluidization was analyzed and the set bubble-cloud-wake was treated as a system under transient mode, while the emulsion was treated as a steady state flow of gas. Next, the other regions inside the reactor were also considered, such as distributor, freeboard and cyclones. Once the flow pattern was determined the system bubble-cloud-wake is modeled as a compartment model, as a closed loop gas flow between catalytic stirred tanks and packed bed until the residence time is achieved. The model was applied to a real industrial bubbling fluidized reactor as case study, a reactor for synthesis of phthalic anhydride via naphthalene oxidation. This system has kinetics models developed since the 1960¿s and based on simplifying hypothesis which do not match reality, so pseudo-first order kinetics model were fit to experimental exit reactor composition in order to obtain a kinetic model valuable for the simulations performed after, and this procedure was called model calibration. Results of simulations and its analysis allow the conclusion that the proposed model is physically consistent and has potential to be applied in other chemical processes which use similar reactorsDoutoradoEngenharia QuímicaDoutor em Engenharia Química140463/2015-1CNP