Orientador: José Roberto Nunhez

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Processos comerciais de hidrotratamento (HDT) normalmente operam em regime de leito gotejante "Trickle bed" em concorrente com fluxos descendentes de gás e de líquido, sobre um leito de partículas de catalisador onde ocorrem as reações. É bem conhecido que a remoção de enxofre é fortemente...

Resumo: Processos comerciais de hidrotratamento (HDT) normalmente operam em regime de leito gotejante "Trickle bed" em concorrente com fluxos descendentes de gás e de líquido, sobre um leito de partículas de catalisador onde ocorrem as reações. É bem conhecido que a remoção de enxofre é fortemente inibida pelo efeito de adsorção competitiva de H2S nos sítios ativos do catalisador. Como consequência disso, é importante manter a concentração de H2S tão baixa quanto possível nestes processos durante a reação para obter um produto com baixo teor de enxofre na saída do reator. De acordo com Ancheyta et al.(2007), um perfil mais conveniente de concentração seria obtido com um reator operando em contracorrente,. Por exemplo, poderia se introduzir a carga na parte superior e o H2 na parte inferior do reator. Assim, na parte inferior do reator, a concentração de H2S é menor e a concentração do H2 é maior, promovendo taxas mais elevadas de reação. Os principais problemas da operação em contracorrente são uma menor eficiência de contato líquido-gás e dificuldade de prevenção de inundação do reator. Com o objetivo de estudar estes processos com mais detalhes, um estudo fluidodinâmico tridimensional do reator em regime de gotejamento "trickle bed" em contracorrente foi realizado com o uso de técnicas de CFD (Fluidodinâmica Computacional), com ênfase na determinação da perda de carga e da distribuição do hold-up de líquido no leito. Um modelo com o uso de CFD tridimensional baseado na abordagem Euleriana - Euleriana foi utilizado para modelar a hidrodinâmica do leito do reator de leito gotejante operando em contracorrente. Os termos de fechamento interfases foram estimados pelo modelo de balanço de forças apresentado por Attou, A et al. (1999), o qual foi usado e validado por Gunjal e Ranade (2007). O perfil de distribuição radial da porosidade foi estimado com o uso da distribuição de Klerk (2003). O modelo foi resolvido com o uso do software comercial ANSYS-CFX 13. Neste documento pode-se encontrar uma revisão bibliográfica do CFD aplicado a reatores de leito gotejante. Posteriormente são mostrados o desenvolvimento matemático e método numérico empregado, e finalmente os resultados dos casos de estudo, os quais forneceram informação de distribuição do líquido, perfis de velocidades, queda de pressão e hold-up do líquido para reatores isotérmicos de leito fixo em escala laboratório (0,0254 m de diâmetro e 0,3 m de comprimento) escoando concorrente e contracorrente

Abstract: Commercial HDT processes usually operate in a trickle-bed regime, with co-current downward flow of gas and liquid over a randomly fixed bed of catalyst particles while reactions take place. It is well known that sulfur removal is strongly inhibited by the competitive adsorption effect of...

Abstract: Commercial HDT processes usually operate in a trickle-bed regime, with co-current downward flow of gas and liquid over a randomly fixed bed of catalyst particles while reactions take place. It is well known that sulfur removal is strongly inhibited by the competitive adsorption effect of H2S at the sulfided active sites of the catalyst. As a consequence, it is important in these process to maintain the concentration of H2S as low as possible during the reaction to achieve a low sulfur content product at the outlet of reactor. According to Ancheyta et al. (2007), a more convenient profile of H2S concentration can be provided by operating the reactor in countercurrent mode, for instance, introducing the feed at the top and H2 at the bottom of the reactor. Thus, in the lower reactor, the H2S concentration is lower and H2 is greater, promoting higher reaction rates. The main problems of the operation counter are a lower efficiency of gas-liquid contact and difficulty in preventing flooding conditions. In order to investigate the above processes in more detail, a three-dimensional fluid-dynamic study of a countercurrent trickle bed reactor was carried out using CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques with emphasis on determining the pressure drop and the distribution of liquid hold-up in the bed. A computational fluid dynamics (CFD) tridimensional model based on an Eulerian - Eulerian multiphase approach was used to model the hydrodynamics of the pseudo two-phase flow in a trickle bed reactor (TBR) in counter-current operation. The closure terms for phase interactions have been addressed by adopting the fluid-fluid interfacial force balance concept (Attou et al. 1999), which was used and validated to simulate co-current HDT reactors by Gunjal e Ranade (2007). Radial variation of porosity was estimated using the Klerk (2003) distribution. Above set of model equations were implemented in commercial software ANSYS-CFX Release 13. In this document it could be found a literature review of CFD models applied to trickle bed reactors, later a mathematical modeling and numerical method to solve the transport equations and finally the results of study cases, which provided information about phase distribution, velocity profiles, pressure drop liquid hold up for a isothermal trickle bed reactor at laboratory scale (0.0254 m diameter and 0.3 length) in co-current and counter-current operation