Otimização de um reator de síntese de amônia do tipo PBR-TVA-IDCR utilizando a função barreira extrema

Abstract

RESUMO: Amônia é considerada um dos principais compostos químicos produzidos no mundo, sendo destinada principalmente para fabricação de fertilizantes nitrogenados utilizados na agricultura. Na maioria das indústrias, sua síntese é realizada por meio do processo Haber-Bosch, tendo por base uma reação exotérmica reversível, com os reagentes nitrogênio e hidrogênio, que ocorre a altas temperaturas e altas pressões com catalisador de ferro. Existem diversos tipos de reatores utilizados neste processo, os quais são classificados de acordo com o fluxo dos gases, trocador de calor integrado e emprego de utilidades. Neste trabalho, a otimização do projeto de um reator de síntese de amônia do tipo PBR-TVA-IDCR foi desenvolvida em função do comprimento do leito catalítico mantendo as demais variáveis do projeto, como o diâmetro e números de tubos, iguais às do projeto inicial para validar a metodologia desenvolvida. As funções objetivo a serem otimizadas individualmente foram o retorno econômico do processo, que depende dos valores ótimos das variáveis de processo e do comprimento do reator, e a conversão de nitrogênio, que maximiza a produção de amônia e não apresenta problemas de inflação no preço do gás de alimentação. O modelo da taxa de reação foi definido em função das pressões parciais e em função das atividades dos componentes do gás em reação, e o efeito do tamanho da partícula do catalisador no processo foi avaliado pelo fator de efetividade. Para solucionar o problema de otimização, o algoritmo foi implementado em ambiente MATLAB, por meio da Função Barreira Extrema combinada com Métodos de Busca Direta. Os valores ótimos encontrados para as variáveis respeitam todas as restrições do problema, sendo os comprimentos ótimos encontrados e os valores obtidos para as funções objetivo melhores que os valores publicados na literatura

ABSTRACT: Ammonia is considered one of the most important chemical compounds produced in the world, and it is mainly intended for the manufacture of nitrogen fertilizers used in agriculture. In the majority of industries, the ammonia synthesis is performed by the Haber-Bosch process, which is based on a reversible exothermic reaction with nitrogen and hydrogen reactants, occurring at high temperatures and high pressures with iron catalyst. There are several reactor types used in this process which are classified according to the gas flows, integrated heat exchanger and use of utilities. In this work, the optimization of a PBR-TVA-IDCR type ammonia reactor design was developed as a function of the length of the catalytic bed considering the other variables of design, as the diameter and number of tubes, equal to the variables of the initial design to validate the methodology developed. The objective functions to be optimized individually were the economic return of the process, which depends on the optimum values of the process variables and on the reactor length, and the nitrogen conversion, which maximizes the ammonia production and has no problem with inflation of the feed gas. The reaction rate model was defined as a function of the partial pressures and activities of the products and reactants, and the effect of the catalyst particle size was evaluated by the effectiveness factor. To solve the optimization problem the algorithm was implemented in MATLAB environment using the Extreme Barrier Function combined with Direct Search Methods. The optimal values found for the variables respect all the constraints, with optimal lengths found and the objective function values better than the values published in the literature