Shift reactor design with integrated heat exchange and waste heat usage

Autor: Paixão, Vitor Pirovani, 1992
Přispěvatelé: Dangelo, José Vicente Hallak, 1967, Franco, Luís Fernando Mercier, 1988, Rodrigues, Maria Teresa Moreira, Secchi, Argimiro Resende, Souza Junior, Mauricio Bezerra de, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: José Vicente Hallak D'Angelo, Luís Fernando Mercier Franco Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química Resumo: Nas últimas décadas tem havido uma crescente preocupação com fontes de energias alternativas. Os ciclos de potência desenvolvidos durante a revolução industrial precisam de fontes de calor a altas temperaturas para alcançar uma eficiência aceitável. Portanto, certa quantidade de calor gerado em plantas químicas e de potência é inapropriada para ser utilizada na geração de eletricidade através de ciclos convencionais. Na indústria química, reações exotérmicas ocorrem com remoção de calor para que alcancem as conversões desejadas. Esse calor é geralmente usado para gerar vapor de baixa pressão que possui baixo valor agregado se não houver sua utilização imediata. Na Parte I deste trabalho é proposto um projeto de um reator catalítico multitubular para a reação de deslocamento gás-água (WGSR). WGSR é uma reação exotérmica conduzida em dois reatores adiabáticos com refrigeração intermediária de modo a atingir a conversão desejada. O objetivo é estudar a viabilidade de substituir tal configuração por um reator com troca térmica integrada. Primeiro, foi feita uma seleção de possíveis catalisadores, sendo escolhido o mais apropriado um baseado em cobre. O reator foi modelado, considerando fenômenos de transporte de movimento, calor e massa. Além disso, o comportamento do gás é descrito pela equação de estado de Peng-Robinson-Stryjek-Vera. Após uma validação contra dados experimentais e industriais, o modelo foi utilizado em um procedimento de otimização para três diferentes casos (OPT1, OPT2 e OPT3). Os resultados mostram que usar tal reator para uma baixa temperatura (430-520 K) não é vantajoso frente à configuração usual, pois requer mais catalisador. No entanto, seu uso tende a ser desejado caso se utilize um catalisador mais ativo ou se conduza uma reação mais exotérmica. Na Parte II o fluido de refrigeração do reator da Parte I foi utilizado como fonte de calor para o ciclo orgânico de Rankine usual (ORC) e recuperativo (RORC). Considerando a temperatura da fonte quente, aspectos ambientais e de segurança, 6 fluidos de uma lista de 78 foram selecionados para as análises. O desempenho de ORC com metanol e etanol foi melhor, enquanto que o desempenho dos outros fluidos se tornou competitivo com a utilização do recuperador (RORC). Na análise econômica, a geração de potência se mostrou fator de extrema importância. Para os casos OPT2 (250 kW) e OPT3 (850 kW), a receita obtida com a geração de potência não foi suficiente para cobrir as despesas operacionais, resultando em cenários inviáveis. Entretanto, para o caso OPT1 (2,5 MW), a viabilidade foi alcançada até mesmo para baixas pressões de operação. O melhor desempenho foi obtido com metanol na pressão de operação mais elevada. Nesse cenário, uma atrativa taxa de retorno interna de 14,5 % e um tempo de pay-back de 7 anos foram alcançados Abstract: In the past decades, there has been a growing concern about alternative energy sources. Power cycles developed during the industrial revolution require thermal sources with elevated temperatures to achieve an acceptable efficiency. Therefore, some of the heat generated in chemical and power plants is unsuitable for such cycles. In the chemical industry, several exothermic chemical reactions take place and the heat released by them must be removed to obtain better conversions. This heat is usually used to produce low pressure steam, which has a low capital value if there is no immediate application. In Part I of this work, a design procedure for a multitubular catalytic reactor for the Water-Gas Shift Reaction (WGSR) is proposed. WGSR is an exothermic reaction conducted in two adiabatic reactors with intermediate cooling so that it can achieve the desired conversion. The goal is to study the feasibility of replacing the usual configuration by one reactor with integrated heat exchange. Firstly, a catalyst screening procedure was carried out and the Cu-based catalyst was chosen as the most appropriate one. The reactor was modeled considering mass and heat transport phenomena. In addition, gas behavior was modeled by the Peng-Robinson-Stryjek-Vera equation of state. After proper validation against experimental and industrial data, the model was used in an optimization procedure for 3 different cases (OPT1, OPT2 and OPT3). The optimization results have upmost shown that using the multitubular reactor within the low temperature range of 430 K to 520 K is disadvantageous because of the considerable increase in the catalyst required amount. However, the use of such reactor tends to be desirable if a more active catalyst is used or for a more exothermic reaction. In Part II, a thermoeconomic assessment was carried out. The Part I's reactor cooling fluid was used as heat source for either e regular Organic Rankine Cycle (ORC) or for a recuperative one (RORC). By considering the heat source temperature, environmental and safety aspects, from 78 initial potential working fluids, 6 were selected. After the power cycle simulations, methanol and ethanol had shown the best performance in the ORC configuration, whereas the other fluids performance became competitive only with the addition of a recuperator (RORC). In the economic analysis, net power generation plays a major role. For case OPT2 (250 kW net) and OPT3 (850 kW net), the power generation revenue was insufficient to cover the operational expenses, yielding unfeasible scenarios. However, for OPT1 (2.5 MW net), economic feasibility was achieved even for low operating pressures. Power cycle thermoeconomic performance was the best for methanol as working fluid. In the best scenario, an attractive internal rate of return of 14.5 % and a pay-back period of 7 years were achieved Doutorado Engenharia Química Doutor em Engenharia Química CNPQ 141396/2018-0
Databáze: OpenAIRE
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