Por que a simulação é essencial no projeto de conversores

Por que a simulação é necessária

Motivo principal: a complexidade e a rigidez da reação de síntese da amônia.

01 Limitações do Equilíbrio Termodinâmico

• A reação N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ É reversível, exotérmica e envolve uma redução no número total de moléculas, o que cria uma compensação inerente.
• A simulação permite o cálculo preciso da concentração de amônia em equilíbrio sob diferentes condições de temperatura, pressão e composição, fornecendo um limite teórico para a seleção das condições operacionais ideais.

02 Cinética de Reações Complexas

• A velocidade da reação depende não apenas da temperatura e da pressão, mas também, e muito, do tipo de catalisador, da sua atividade, do tamanho das partículas e dos processos de adsorção na superfície do catalisador.
• A simulação ajuda a construir modelos cinéticos para prever o tamanho do conversor e as condições operacionais necessárias para atingir a taxa de produção desejada com catalisadores industriais reais.

03 Fortes Efeitos Térmicos

• A reação libera uma quantidade enorme de calor. Em conversores de grande escala, se o calor não for removido de forma eficaz, podem ocorrer superaquecimentos localizados (pontos quentes).
• O sobreaquecimento reduz as taxas de conversão de equilíbrio e pode causar a sinterização do catalisador, levando à sua desativação permanente.
• O controle dos efeitos térmicos é crucial para a segurança do conversor e para sua operação estável a longo prazo.

04 Alta Integração de Processos

Um circuito de síntese de amônia não é apenas um conversor, ele inclui

• Compressão do gás de alimentação
• Recuperação de calor a partir do calor de reação
• Separação de produtos
• ciclo de reciclagem

Essas unidades são fortemente integradas, o que significa que uma mudança em um parâmetro pode afetar todo o sistema.

Funções da Simulação e da Análise

Dada a complexidade acima mencionada, a simulação desempenha um papel insubstituível no projeto e na otimização.

01 Projeto e Otimização de Conversores

Ampliação de escala e configuração

• A ampliação da escala, passando de conversores de vidro de laboratório para conversores industriais com capacidade de milhões de toneladas por ano, não é uma simples questão de aumento proporcional.
• Os modelos de CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) e de cinética química podem simular a transferência de momento, a transferência de calor, a transferência de massa e a cinética de reação dentro do conversor.

Previsão de pontos críticos

• A simulação pode prever com precisão a distribuição de temperatura dentro do conversor, especialmente no leito catalítico, identificando potenciais pontos quentes.
• Isso orienta o projeto estrutural interno (por exemplo, leitos múltiplos com resfriamento entre estágios), os esquemas de resfriamento e as estratégias operacionais.

Avaliação do desempenho do catalisador

• Os modelos de simulação permitem a comparação dos efeitos da atividade do catalisador e do tamanho das partículas na progressão da reação e na queda de pressão, auxiliando nas estratégias de seleção e dosagem do catalisador. 

02 Otimização Abrangente de Processos e Melhoria da Eficiência Energética

Integração Energética

• O software de simulação de processos pode modelar todo o ciclo de síntese de amônia.
• A simulação calcula a quantidade e a intensidade do calor liberado pela reação, otimiza a rede de trocadores de calor e maximiza a recuperação de energia, minimizando o consumo de utilidades externas (por exemplo, vapor, água de resfriamento).
• Isso é crucial, visto que o consumo de energia é o principal fator nos custos de produção de amônia.

Otimização das Condições de Operação

• Experimentos virtuais podem ser executados para testar diversas pressões, temperaturas, taxas de recirculação e concentrações de gases inertes (por exemplo, argônio, metano), identificando as faixas operacionais ideais para maximizar o rendimento e minimizar os custos.

03 Análise de Segurança e Confiabilidade

Simulação de condição anormal

• Os modelos de simulação abrangem inicialização, desligamento, alterações de carga e falhas de equipamentos.
• Por exemplo, como a temperatura e a pressão do sistema reagirão a mudanças repentinas na composição da alimentação ou à instabilidade do compressor?
• Essas informações auxiliam no desenvolvimento de intertravamentos de segurança e estratégias de controle para prevenir acidentes.

Dimensionamento de Equipamentos

• Dados precisos de fluxo, composição e temperatura obtidos por simulação permitem o dimensionamento exato de equipamentos relacionados (por exemplo, trocadores de calor, tubulações, válvulas, separadores).

04 Avaliação de Benefícios Econômicos e Apoio à Decisão

Redução de riscos

• Detectar falhas de projeto antes da construção da usina para evitar modificações dispendiosas após a instalação.

Previsão de custos

• Prever com precisão o consumo de matérias-primas e energia, melhorando as estimativas de custos para estudos de viabilidade e decisões de investimento.

CFD em Síntese de Amônia Projeto do conversor

A CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) é uma técnica de simulação numérica para resolver problemas de fluxo de fluidos, transferência de calor e transferência de massa, amplamente aplicada no projeto de conversores químicos.

Simulações de CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) de campos de fluxo, perfis de temperatura, gradientes de concentração e comportamento do catalisador melhoram significativamente a eficiência, o desempenho e a segurança do projeto.

01 Projeto e Otimização de Conversores

• A CFD simula a turbulência do gás, a mistura e a distribuição do fluxo, ajudando a otimizar a geometria do conversor (por exemplo, leito fixo, multitubular, leito fluidizado) e as condições de operação (400–500 °C, 200–300 atm).
• Ferramentas como o ANSYS Fluent ou o COMSOL podem modelar o fluxo multifásico (gás-sólido), fornecendo informações quantitativas sobre a eficiência da reação.

02 Transferência de Calor e Massa

• A síntese de amônia é altamente exotérmica. A CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) prevê gradientes de temperatura e transferência de calor para garantir a remoção eficiente do calor, evitar o superaquecimento do catalisador e danos ao equipamento.
• Também auxilia na otimização da transferência de massa, o que impacta diretamente a taxa de reação e o rendimento de amônia.

03 Segurança e Gestão de Riscos

• A CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) pode simular eventos anormais, como vazamentos de gás e superaquecimento localizado, auxiliando em avaliações de segurança e estratégias de mitigação de riscos.

04 Desempenho Econômico

• Ao simular diversos cenários de projeto, a CFD identifica configurações ideais para minimizar o consumo de energia e o investimento de capital.
• Por exemplo, a otimização da distribuição do fluxo de gás reduz a queda de pressão e o consumo de energia do compressor.

05 Sustentabilidade Ambiental

• Projetos de conversores otimizados podem reduzir o CO₂.₂ emissões, visto que a produção de amônia representa 1–2% das emissões globais de CO₂.₂ emissões.

06 Ampliação de Escala e Comercialização

• A CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) captura efeitos de ampliação de escala, como má distribuição de fluxo e gradientes de temperatura, garantindo que as descobertas de laboratório sejam traduzidas com segurança para projetos em escala industrial.

07 Inovação e P&D

• A CFD acelera o desenvolvimento de tecnologias de síntese de amônia de próxima geração, incluindo a modelagem de nanocatalisadores e conversores não convencionais, como conversores de microcanais ou de plasma.
• A combinação de CFD com dinâmica molecular e IA permite uma triagem rápida e o desenvolvimento de projetos inovadores de conversores.

08 Controle de Processos e Comportamento Dinâmico

• A CFD simula operações dinâmicas (por exemplo, inicialização, desligamento, variação de carga), auxiliando no desenvolvimento de estratégias de controle avançadas.

KAPSOM empregou simulações de CFDO objetivo foi otimizar aspectos-chave do projeto do conversor de síntese de amônia, como a configuração do gás de resfriamento, o resfriamento entre leitos e a distribuição dos orifícios. Isso resultou em um fluxo de gás, mistura e distribuição significativamente mais uniformes sob as condições desejadas, criando uma abordagem de inovação baseada em dados e garantindo estabilidade e confiabilidade operacional a longo prazo.