GISELE MILANELLO DO AMARAL Modelagem matemática de

102 Pages·2007·0.74 MB·Portuguese

GISELE MILANELLO DO AMARAL

Modelagem matemática de reator para produção de álcoois graxos etoxilados

São Paulo
2007
GISELE MILANELLO DO AMARAL

Modelagem matemática de reator para produção de álcoois graxos etoxilados

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do título
de Mestre em Engenharia

Área de Concentração: Engenharia Química
Orientador: Prof. Dr. Reinaldo Giudici

São Paulo
2007
FICHA CATALOGRÁFICA

Amaral, Gisele Milanello do

Modelagem matemática de reator para produção de álcoois
graxos etoxilados / G.M. do Amaral. -- São Paulo, 2007.
101 p.

Dissertação (Mestrado) - Escola Po litécnica da Universidade
de São Paulo. Departamento de Engenharia Química.

1.Polimerização 2.Transporte de massa 3.Modelagem mate-
mática 4.Reatores químicos I.Universidade de São Paulo. Escola
Politécnica. Departamento de Engenha ria Química II.t.
AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Reinaldo Giudici, pela atenção e orientação no trabalho.

Ao Prof. Dr. Roberto Guardani, pela sua ajuda na definição no trabalho.

À Oxiteno S.A., pela oportunidade de realização do curso de mestrado, pela disponibilização
de dados e pelo incentivo ao trabalho.

Aos meus pais, José Luiz e Olívia, responsáveis por minha educação. Aos meus irmãos,
Marina e Danilo, por sempre me apoiarem. E ao meu querido Márcio, grande incentivador
deste trabalho.

i
RESUMO

AMARAL, G. M. Modelagem matemática de reator para produção de álcoois graxos
etoxilados. 2007. 101f. Dissertação (Mestrado). – Escola Politécnica, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2007

Foi desenvolvido modelo matemático para o processo de produção de álcoois
etoxilados em um reator batelada com spray da fase líquida na fase gasosa. O modelo
considera a cinética da polimerização iônica e a transferência de massa de óxido de eteno
entre as fases gasosa e líquida. A cinética foi estudada a partir de dados previamente obtidos
em laboratório. Para modelagem da transferência de massa, foram utilizados dados de
bateladas industriais. Foram testados vários modelos de transferência de massa encontrados
na literatura, sendo que o modelo que se mostrou mais adequado para este reator industrial foi
o de gotas com circulação interna. A partir do modelo obtido da cinética e da transferência de
massa, foi analisada a influência de parâmetros de projeto, como a vazão de recirculação de
líquido, a relação entre a altura e o raio do reator e o tipo de spray na produtividade deste.
Observou-se que a maior vazão de recirculação aumenta a produtividade do reator, assim
como o aumento da altura do reator. O tipo e o diâmetro da gota do spray também
influenciam a produtividade do reator.

Palavras-chave: modelo matemático, reator spray com recirculação, óxido de eteno,
surfactante, álcool graxo etoxilado

ii
ABSTRACT

AMARAL, G. M. Mathematical modeling of the ethoxylated alcohols reactor. 2007. 101f.
Dissertation (Master). – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007

A mathematical model for the production of ethoxylated alcohols in a spray tower
loop reactor was developed. The model considers the reaction as an ionic polymerization and
the ethylene oxide mass transfer from the vapor phase to the liquid phase. The kinetics was
obtained from a laboratory scale reactor data. The mass transfer model was obtained from the
industrial reactor data. Several models for the mass transfer of ethylene oxide from gas phase
to the liquid droplets were tested, and it was found that the most appropriate mass transfer
model for this industrial reactor was the internally well-mixed drop model. From the kinetics
and the mass transfer model, the influence of the pump recirculation flow rate, the ratio
between the reactor height and radius and the spray performance was analyzed. The results
show that higher reactor productivity can be obtained using higher recirculation flow and
higher reactor height. The spray nozzle performance and the drop diameter also influence the
reactor productivity.

Keywords: mathematical model, spray tower loop reactor, ethylene oxide, surfactant,
ethoxylated fatty alcohol
iii
LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Tipos de reatores de etoxilação – A: com agitação, B: resfriamento 10
externo e spray da fase líquida, C: Venturi

Figura 3.1. Esquema da instalação experimental 29

Figura 3.2. Reator PARR 29

Figura 3.3. Cilindro de dosagem de óxido de eteno 30

Figura 3.4. Comparação dos parâmetros cinéticos da equação de Arrhenius 35

Figura 3.5. Comparação entre a distribuição de adutos experimental e calculada 36
para T=145ºC, a t=39 min

Figura 3.6. Comparação entre a distribuição de adutos experimental e calculada 37
para T=145ºC, a t=44 min

Figura 3.7. Comparação entre a distribuição de adutos experimental e calculada 37
para T=130ºC, a t=75 min

Figura 3.8. Comparação entre a distribuição de adutos experimental e calculada 38
para T=160ºC, a t=27 min

Figura 3.9. Comparação entre a distribuição de adutos experimental e calculada 38
para T=180ºC, a t=17 min

Figura 4.1. Esquema do reator tipo spray (SANTACESARIA et al, 1999) 43

Figura 4.2. Balanço de movimento da gota 46

Figura 4.3. Algoritmo de modelagem do reator de etoxilação 54

Figura 4.4 a, b e c. Pressão do reator durante as bateladas 1, 2 e 3 57

Figura 4.5 a, b e c. Temperaturas parametrizadas no reator durante as bateladas 1, 2 e 59
3 (T (+),T (*), T real (o), T modelo (x))
i i,spray b b

Figura 4.6 a, b e c. Vazão de óxido de eteno parametrizada durante as bateladas 1, 2 61
e 3 (m& real (o), m& modelo (x))
OE OE

iv
Figura 4.7 a, b e c. Relação entre a quantidade de óxido de eteno adicionada ao 62
reator e a quantidade total durante as bateladas 1, 2 e 3 (m real
OE

(o), m modelo (x))
OE

Figura 4.8 a, b e c. Concentração de óxido de eteno no reator durante as bateladas 1,
64
2 e 3 (C* (x), CT (o), CB (+)
OE OE OE

Figura 4.9 a, b e c. Percurso da gota e tempo de queda da gota durante as bateladas 66
1, 2 e 3

Figura 4.10. Tendência das principais variáveis no reator de etoxilação (m& (x), 69
OE

P (o), T (+), t (*))
OE b fm

Figura 4.11. Concentrações de óxido de eteno no reator de etoxilação, considerando 70
a concentração na superfície calculada pelo reator PFR pseudo-
estacionário (C* (x), CT (o), CB (+))
OE OE OE

Figura 4.12. Comparação dos modelos de transferência de massa testados para
modelagem do reator de etoxilação (calculado na superfície (o), 71
turbulento (+), estagnado (x), Amokrane (•), Ângelo (*))

Figura 4.13. Pressão no reator calculada pelo modelo do reator de etoxilação (real
(o), modelo (x)) 73

Figura 4.14. Trajetória da concentração de óxido de eteno na superfície e da vazão de
óxido de eteno durante a batelada 74

Figura 5.1. Efeito da variação da vazão de recirculação na vazão de óxido de eteno
(parametrizada com o caso base) 78

Figura 5.2. Efeito da variação do h/r na vazão de óxido de eteno (parametrizada com
o caso base) 79

Figura 5.3. Efeito da variação do h/r do reator no tempo de queda da gota (tempo de
queda da gota com h/r base (o), tempo de queda da gota com h/r 20% 80
maior (x))

Figura 5.4. Efeito da variação de h/r nas concentrações de óxido de eteno
(concentração de equilíbrio em h/r base (x), concentração de equilíbrio 80
em h/r 20% maior (>), concentração na superfície em h/r base (o),
concentração na superfície em h/r 20% maior (*), concentração no fundo
em h/r base (+), concentração no fundo em h/r 20% maior (<))

Figura 5.5. Comparação da vazão de óxido de eteno real com a de sem limitação de
tempo de contato (caso base (o), caso h/r→∞ (x)) 81

Figura 5.6. Efeito da variação do diâmetro médio da gota na vazão de óxido de eteno
(parametrizada com o caso base) 82
v
LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Dados de entrada no modelo cinético 31

Tabela 3.2 – Parâmetros da cinética de etoxilação de álcool laurílico 36

Tabela 3.3 – Comparação das velocidades de reação calculadas pelos
parâmetros da equação de Arrhenius obtidos do modelo cinético 39
experimental e da literatura (SANTACESARIA et al, 1992) (k
em cm3/mol.s e T em oC)

vi
LISTA DE SÍMBOLOS

a aceleração da gota (m/s2)
a área superficial média da gota (m2)
lm
A área exposta a transferência de calor (m2)
l
A área superficial do líquido (m2)
TM,sup
B concentração de catalisador (kmol/m3)
0
C concentração do aduto i (kmol/m3)
i
C coeficiente de atrito (adimensional)
D
C concentração de óxido de eteno (kmol/m3)
OE
CB concentração de óxido de eteno no bico spray (kmol/m3)
OE
Cr concentração de óxido de eteno na esfera (kmol/m3)
OE
Cr concentração inicial de óxido de eteno na esfera (kmol/m3)
OE,0
CT concentração de óxido de eteno ao final do tempo de queda da gota (kmol/m3)
OE
C* concentração de óxido de eteno em equilíbrio (kmol/m3)
OE
c calor específico de líquido (kJ/kg.oC)
p
c calor específico do óxido de eteno (kJ/kg.oC)
p,OE
d diâmetro médio da gota (m)
32
d diâmetro médio da gota de água (m)
32,agua
d diâmetro da gota i (m)
i
D difusividade do gás (m2/s)
OE
vii