Estudo do comportamento estacionário e dinâmico de reactores catalíticos de leito fixo com convecção intraparticular

Abstract

A presente dissertação aborda a simulação computacional do comportamento de catalisadores de poros largos, onde o fluxo de massa por convecção não é desprezável face ao transporte por difusão, e do reactor catalítico de leito fixo constituído por este tipo de partículas. Sendo o processo em estudo - a oxidação parcial do orto-xileno a anidrido ftálico – caracterizado por um sistema de reacções múltiplas, examinou-se o efeito do fluxo convectivo intraparticular na selectividade e rendimento da operação estacionária do reactor. Muito embora a convecção possa localmente acelerar as reacções parasitas, em termos globais, a sua influência exerce-se de forma positiva, podendo mesmo conduzir a um aumento significativo do rendimento global do processo. Foi também efectuado um estudo exaustivo sobre a influência da convecção intraparticular na multiplicidade de estados estacionários de partículas isotérmicas com gradientes mássicos e térmicos externos. Enquanto que a convecção produz multiplicidade para condições operatórias mais brandas, a difusão origina soluções múltiplas em zonas de operação mais severas, resultando padrões de multiplicidade complexos quando ambos os mecanismos são importantes. Os aspectos de natureza numérica abordados neste trabalho envolveram o cálculo dos perfis axiais de concentração e temperatura para a situação de startup do reactor pelo método das linhas. Confrontaram-se os resultados obtidos discretizando a coordenada axial do reactor por colocação ortogonal em elementos finitos e por diferenças finitas e testou-se, em paralelo, uma estratégia de divisão do reactor em secções, que possibilitou uma redução significativa nos tempos de cálculo. Desta análise, destacou-se o melhor desempenho da colocação ortogonal em elementos finitos. Compararam-se também as previsões de diferentes modelos matemáticos para avaliar a viabilidade da utilização de modelos mais simples que sejam capazes de reproduzir as principais características dos modelos mais complexos. A parte final deste trabalho incidiu sobre o estudo da resposta dinâmica do reactor a diferentes tipos de perturbações nas principais variáveis operatórias, merecendo uma atenção especial o estudo do impacto da convecção intraparticular no comportamento de resposta inversa.