Acoplamento térmico das reações de desidratação do etanol e hidrodealquilação do tolueno em reator multifuncional

Abstract

Estudos sobre intensificação de processos, que visam transformar a estrutura das plantas químicas, tornando-as mais compactas, seguras, de maior eficiência energética e menor impacto ambiental, aumentam cada vez mais. Uma das propostas é a utilização de reatores multifuncionais, possibilitando realizar um acoplamento térmico, em que a energia necessária para a condução de uma reação endotérmica é obtida pela energia liberada em uma reação exotérmica, dispensando ou reduzindo o uso de utilidade. Neste trabalho, foi estudada a reação de desidratação do etanol acoplada termicamente com a hidrodealquilação do tolueno. Essa escolha se deveu à importância de etileno e benzeno, produtos dessas reações, na indústria petroquímica. Foi feita a modelagem matemática do reator, escrevendo-se o balanço material, de energia e a perda de carga no equipamento, admitindo-se um meio pseudo-homogêneo. As leis cinéticas foram tomadas da literatura e as análises feitas em regime permanente e transiente. A solução deste sistema foi realizada pelo software MATLab, por solução direta de EDO’s no estudo de regime permanente, em um problema de valor inicial para o escoamento paralelo, e por diferenças finitas para o estudo de escoamento contracorrente e em regime transiente. Com uma geometria definida, estudou-se um caso base e posteriormente avaliou-se a influência de alguns parâmetros de processo na conversão das reações, visando a otimização da produção de ambos produtos. Mostrou-se que o acoplamento sugerido é factível, com perfis controlados de temperatura no reator e baixa perda de carga, atingindo conversões superiores a 80% para as duas reações. A melhor condição obtida no escoamento paralelo foi simulada em escoamento contracorrente e foi possível aumentar a conversão do tolueno para 99%. O estudo em regime transiente apresentou o efeito de perturbações nas temperaturas e vazões de entrada, obtendo-se dinâmicas bastante rápidas, da ordem de décimos de segundo, nas variáveis de saída do problema

Studies on process intensification, which aim on transforming the structure of chemical plants, making them more compact, safer, energy efficient and less harmful to the environment, are increasing more and more. One of the proposals of this work is the use of multifunctional reactors, which, in addition to the reaction, combine another unit operation in the same equipment. With thermal coupling the energy required to carry out an endothermic reaction is supplied by the energy released in an exothermic one, reducing the use of utilities. In this work, ethanol dehydration coupled with hydrodealkylation of toluene was studied. This choice was due to the importance of ethylene and benzene, products of these reactions, in the petrochemical industry. The mathematical model of the reactor was based on material and energy balances and pressure drop in the reactor, considering a pseudo-homogeneous model. The kinetic laws were taken from the literature and the analyzes were done on a steady and transient state. The steady state model, constituted by a system of ODEs, was solved in MATLab, in an initial value problem for the parallel flow, whereas the countercurrent flow and dynamic one was analyzed by using the finite difference method. With a defined geometry, a base case was studied and the influence of some process parameters in the conversion of the reactions was evaluated, aiming the optimization of the production of both products. It was shown that the coupling suggested is feasible, with controlled temperature profiles in the reactor and low pressure drop, reaching conversions above 80% for both reactions. The best condition in the parallel flow was simulated in countercurrent flow increasing the toluene conversion to 99%. The transient study showed the effect of disturbances in the temperatures and inlet flow rates on outlet variables, with fast dynamics, in the order of tenths of a second