Simulação de reator de leito empacotado para a produção de estireno a partir da desidrogenação catalítica de etilbenzeno

Abstract

O estireno é um hidrocarboneto aromático de coloração amarela, um líquido oleoso e de fórmula química é C6H5CH=CH2. O estireno possui uma série de aplicações industriais, e as principais são a produção de poliestireno, um termoplástico usado em embalagens, e suas variações como o poliestireno expandido (EPS), conhecido como isopor. O estireno é produzido industrialmente por meio da desidrogenação catalítica de etilbenzeno, gerando estireno e hidrogênio na presença de vapor. O processo pode ser feito de forma isotérmica ou adiabática, sendo a última a mais utilizada. Um dos grandes desafios do processo é a existência de reações paralelas, que podem afetar o rendimento em estireno. Variáveis como temperatura e razão de vapor por etilbenzeno podem ser alteradas, e este estudo visou criar uma simulação computacional usando o software Scilab de um reator de leito empacotado para a produção de estireno a partir da desidrogenação adiabática de etilbenzeno. Após a elaboração do modelo matemático e do código, foram feitas análises dos efeitos da temperatura e razão molar de vapor separadamente, sem contar sinergias entre elas. Foram escolhidas inicialmente 5 temperaturas (830 K, 855 K, 880 K, 905 K e 930 K) a razão de vapor fixa de 14:1 para análise do efeito da temperatura. Após isso, a temperatura foi fixada em 880 K e a razão foi variada em cinco valores distintos (6:1, 8:1, 10:1, 12:1, 14:1). Foi observado que a temperatura altera a cinética do processo, favorecendo todas as reações, porém uma delas mais que as outras. Assim, o aumento da temperatura gerou aumento da conversão do etilbenzeno e rendimento porém diminuição da seletividade. Já a razão de vapor altera a termodinâmica do processo, alterando a variação de temperatura ao longo do reator, sem gerar variações consistentes nos parâmetros cinéticos do reator.

Styrene is a yellow-colored hydrocarbon, an oily liquid with chemical formula C6H5CH=CH2. Styrene has plenty of industrial applications, and the most important are the production of polystyrene, a thermoplastic used in packages, and its variations, like expanded polystyrene (EPS). Styrene is produced by dehydrogenation of ethylbenzene, creating styrene and hydrogen in the presence of steam. The process can be isothermal or adiabatic, with the latter being the most common. One of the challenges in this process is the existence of parallel reactions, which can affect the styrene yield. Variables such as temperature and steam-to-ethylbenzene ratio can be altered, and this study aimed to create a computer simulation using the software Scilab of a packed bed reactor for the production of styrene through the adiabatic dehydrogenation of ethylbenzene. After the creation of the mathematical model and the code, the effects of temperature and steam-to-ethylbenzene ratio were analyzed separately, without considering synergies between the variables. Initially 5 temperatures (830 K, 855 K, 880 K, 905 K and 930 K) were chosen with a fixed steam ratio of 14:1 for the analysis of the effect of temperature. After that, the temperature was fixed at 880 K and the steam ratio was varied within five different values (6:1, 8:1, 10:1, 12:1 and 14:1). It was observed that temperature affects the kinetics of the process, favoring all the reactions, but one more than the others. Therefore, the increase of temperature increased the conversion and yield but reduced selectivity. The steam ratio, on the other hand, changes the thermodynamics of the process, changing the temperature change along the reactor, without changing kinetic parameters of the reactor.