Simulação Numérica de Reatores Catalíticos Heterogêneos Aplicados à Síntese de Fischer-Tropsch

Abstract

O processo Fischer-Tropsch (FT) revolucionou a produção de hidrocarbonetos líquidos a partir do gás de síntese. Apesar dos desafios históricos em investimentos focados à pesquisa/infraestrutura, o processo FT é alvo de pesquisa contínua. Seu potencial para contribuir com energia e produtos químicos sustentáveis na atual transformação energética impulsiona o desenvolvimento. A síntese FT é conduzida em uma variedade de reatores, cada qual possuindo características e aplicações específicas. Entre os diversos tipos existentes, destaca-se o reator de leito fixo como um dos mais relevantes pela ampla janela de operação. No entanto, uma das principais dificuldades está relacionada à gestão do calor gerado durante as reações exotérmicas no leito catalítico. O aumento da temperatura pode impactar a seletividade e a atividade do catalisador, influenciando a formação dos produtos desejados. Além disso, o leito fixo pode enfrentar problemas de fluxo e distribuição desigual dos reagentes e produtos, o que pode reduzir a eficiência e a conversão. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo analisar o efeito da temperatura no escalonamento de reatores de leito fixo com baixa razão de diâmetro tubo-partícula (N) por meio de técnicas de fluidodinâmica computacional na síntese de hidrocarbonetos líquidos no processo de FT. A metodologia utilizada envolve a combinação de Dinâmica de Corpos Sólidos (DCS) para a criação da geometria do leito e de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para a análise fenomenológica. No processo de geração da geometria, foram avaliados parâmetros como porosidade média, porosidade média radial e tortuosidade em leitos com diferentes valores de N. No âmbito da análise fenomenológica, foram consideradas variações na temperatura da parede, e os resultados foram analisados considerando a conversão e a seletividade para hidrocarbonetos com mais de cinco carbonos, usando dados simulados provenientes da literatura como base para comparação. Por um lado, os resultados demostraram que a partir do enfoque da DCS é possível obter diferentes graus de compactação do leito e das onze correlações avaliadas, dez tiveram um desvio médio percentual menor que 10% da porosidade média, do mesmo modo a porosidade radial e a tortuosidade concordam com os dados experimentais da literatura. Se reportou que para N = 5, os desvios percentuais no modelo 3D em relação aos dados da literatura aumentavam, ao tempo em que a temperatura de parede diminuía; caso contrário para N = 3 e N = 4, alcançando um desvio máximo de 22% e 35%, respectivamente. A associação que se realiza é que esses desvios estão associados à forma de empacotamento do leito que modifica as frações de vazios no leito. Por outro lado, a abordagem probabilística sugere operar o reator a baixas temperaturas e com uma razão de alimentação de pelo menos 2 para evitar a saturação do sistema com altas concentrações de reagentes. A preferência é por uma relação de H2 /CO = 1 para temperaturas abaixo de 220 °C, e uma relação de 3 quando a temperatura é maior para manter uma alta probabilidade de crescimento de hidrocarbonetos líquidos. No entanto, os altos valores da probabilidade de crescimento de cadeia (α) e seletividade serão limitados pelos níveis de conversão. Somente sob as condições de temperatura de parede de 500 °C e uma concentração de alimentação de 25 mol/m³ é possível permanecer dentro da faixa operacional do processo de Fischer-Tropsch em Baixa Temperatura (FTBT), assegurando um valor de α superior a 85%.

Abstract: The Fischer-Tropsch (FT) process, developed by Franz Fischer and Hans Tropsch in the 1920s, revolutionized the production of liquid hydrocarbons from synthesis gas. Despite historical challenges related to optimizing selectivity, catalytic activity, and infrastructure investments, ongoing research is driven by FT process potential to contribute to sustainable energy and chemical production in the current energy transformation. FT synthesis is conducted in various reactors, each with specific characteristics and applications. Among these, the fixed-bed reactor stands out as one of the most relevant due to its wide operating range. However, managing the heat generated during exothermic reactions in the catalytic bed is a significant challenge. Temperature increases can impact catalyst selectivity and activity, affecting product formation. Additionally, fixed beds may face issues related to uneven reactant and product distribution, potentially reducing efficiency and conversion. This study aims to analyze the temperature effect on scaling fixed-bed reactors with a low tube-to-particle diameter ratio (N) using computational fluid dynamics (CFD) techniques in liquid hydrocarbon synthesis via FT. The methodology combines Rigid Body Dynamics (RBD) for bed geometry creation and Computational Fluid Dynamics (CFD) for phenomenological analysis. Parameters such as average porosity, radial average porosity, and tortuosity were evaluated for beds with different N values during geometry generation. In terms of phenomenological analysis, wall temperature variations were conducted, and the results were analyzed based on conversion and selectivity for hydrocarbons with more than five carbon atoms in the chain, using simulated data from the literature for comparison. Results showed that, from an RBD perspective, different bed compaction levels can be obtained, and out of the eleven evaluated correlations, ten had a mean percentage deviation of less than 10% from the average porosity. Similarly, radial porosity and tortuosity agreed with literature experimental data. For N = 5, percentage deviations in the 3D model increased as wall temperature decreased. Conversely, for N = 3 and N = 4, deviations reached a maximum of 22% and 35%, respectively. These deviations were associated with the bed's packing, which modified void fractions in the bed. On the probabilistic approach side, it is suggested to operate the reactor at low temperatures with a feed ratio of at least 2 to avoid saturating the system with high reactant concentrations. A preference is given to an H2/CO = 1 for temperatures below 220 °C and a ratio of 3 for higher temperatures to maintain a high probability of liquid hydrocarbon growth. However, high values of chain growth probability (a) and selectivity are limited by conversion levels. Only under the conditions of a wall temperature of 500°C and a feed concentration of 25 mol/m³ is it possible to stay within the operational range in the Low-Temperature Fischer-Tropsch process (FTBT), ensuring an a parameter value greater than 85%.