Heat transfer from catalysts with computational fluid dynamics

Abstract

A computational fluid dynamics software package was used to study heat transfer from spherical particles of different sizes and under different heat-transfer conditions. It was shown that although the Ranz-Marshall and other similar correlations are ®alid in the case where particles do not interact, this is not true for densely packed systems such as those that we find in reactors commonly used in olefin polymerization. It was also demonstrated that con®ection is in fact not the only means of remo®ing heat from small, highly acti®e particles. Conducti®e heat transfer between large and small particles present in the same reactor appears to help alle®iate problems of o®erheating and explain why earlier models of heat transfer in olefin polymerization o®erpredict the temperature rise during early stages of polymerization.

Uma revisão sobre polimerização de olefinas usando catalisadores Ziegler-Natta heterogêneos

“…Em trabalhos recentes, McKenna et al [31,48,49] e Eriksson et al [50,51] utilizaram fluido dinâmica computacional para avaliar o efeito dos mecanismos de transferência de massa e calor sobre o processo de polimerização, levando em consideração a influência do tamanho e conformação (relativo a posição e ao contato mútuo) das partículas de catalisador no meio reacional. De forma geral, os gradientes de calor e massa devem ser minimizados durante a operação normal do processo, o que resulta na necessidade de realizar um estágio de pré-polimerização no processo, para diluir a atividade do catalisador por volume de partícula.…”

“…Entretanto, a forma inicial da estrutura catalítica é mantida devido às forças adesivas das moléculas de polímero [38] . Considerando que uma fragmentação ideal ocorra, os fragmentos primários de partícula polimérica continuam a crescer isotropicamente até alcançar diâmetros médios na faixa de 200-500 µm, com uma taxa de polimerização rápida o suficiente para produzir vários quilos de polímero por grama de catalisador por hora, usualmente na faixa média de 30-60 kg.g -1 /h em ambiente de polimerização industrial [31,39] . No cenário atual reação de polimerização é extremamente exotérmica.…”

“…Segundo Martin e McKenna [30] é perfeitamente possível admitir que existam diferenças de temperatura entre as partículas poliméricas e o meio reacional em torno de 20-30 °C. O fenômeno de superaquecimento da partícula polimérica pode conduzir à fusão do polímero, o que favorece o enchimento dos poros da partícula em crescimento e a consequente diminuição de produtividade, devido à severa resistência à transferência de massa [31] . A Figura 1 ilustra o efeito da remoção inadequada do calor de reação durante polimerização em eteno conduzida em fase gasosa.…”

“…Como característica principal, estes modelos geralmente admitem fragmentação instantânea da partícula de catalisador. Inúmeros estudos foram realizados a respeito dos efeitos que as restrições à transferência de massa e calor exercem sobre a distribuição de massa molar dos polímeros produzidos com catalisadores Ziegler-Natta [26][27][28][29][31][32][33][34][36][37][38][39][40][41]48,49,116] . Modelos mais sofisticados, denominados de modelos híbridos [117] , incluem aspectos mecanísticos dos modelos físicos (baseados em † † Curiosamente, Singh e Merrill [113] propuseram simultaneamente o Modelo de Sítio Fixo, similar ao Modelo de Centro Polimérico, e o Modelo de Conservação e Expansão de Sítio idêntico ao modelo de Fluxo Polimérico.…”

“…McKenna et al [31,49] Transporte das espécies do meio reacional para dentro da partícula através da camada de polímero ao redor da partícula de catalisador via convecção, difusão, sorção, condensação capilar, etc. [126] Desenvolvimento da morfologia ou da estrutura primária como morfologia multigranular, casca-núcleo, fluxo polimérico, etc.…”