Estudo de aspectos geométricos de injetor de iniciador na produção de PEBD em CFD

Abstract

O Polietileno de Baixa Densidade (PEBD) é um polímero cujo processo de produção foi inventado na década de 30, recebendo inovações tecnológicas deste então. Neste processo, a polimerização do eteno ocorre via síntese radicalar a altas pressões, 2000-3000 bar, temperaturas de 120 a 320 °C e pode ser conduzida tanto em reator tubular quanto autoclave. Em reatores tubulares, uma etapa do processo consiste na injeção de iniciador de reação no reator através de um dispositivo de mistura acoplado ao reator. O correto dimensionamento deste dispositivo é um aspecto de suma importância prática, pois este influencia na segurança da planta, eficiência de processo e qualidade do produto. O dispositivo se localiza entre tubos do reator, com seções transversais inicial e final iguais às do reator, e contém uma baioneta para injeção do iniciador. Esta baioneta pode ou não estar inserida em uma região de menor seção transversal que a do reator. Patentes podem ser encontrados sobre este dispositivo (DAISS et al., 2000; GROOS et al., 2005; BERBEE et al., 2012), porém há apenas uma publicação em artigo científico (VAN VLIET et al., 2007) analisando em CFD (Computational Fluid Dynamics) dispositivos de injeção de iniciador em reator de PEBD. Em vista do pouco estudo sobre este tema, este trabalho teve como objetivo estudar a influência de parâmetros geométricos do primeiro dispositivo de injeção de iniciador do processo de produção de PEBD na mistura e recirculação dos fluidos em um reator tubular através de simulação de escoamento. A recirculação foi definida como a razão entre a vazão no sentido contrário ao fluxo principal e a vazão no fluxo principal. Quando a recirculação é elevada pode gerar pontos quentes no reator, não homogeneidade de reação e menor troca térmica com a camisa do reator. Os parâmetros manipulados foram o diâmetro da seção transversal da injeção de iniciador e o comprimento da baioneta de injeção que penetra no reator. Foram abordados somente os aspectos de mecânica de fluidos, desconsiderando-se reações químicas envolvidas e difusão, visando-se a implementação de um modelo CFD para as geometrias de escoamento de interesse. O ambiente de trabalho foi o software de simulação de escoamento Ansys. Os resultados obtidos indicam que a variável que mais influi na recirculação e na mistura entre eteno e iniciador é o diâmetro da seção transversal de injeção. A diminuição da seção transversal de injeção e/ou aumento do comprimento da baioneta de injeção provocaram uma saída mais homogênea entre iniciador e eteno no comprimento analisado do reator. Além disso, se observou que o fenômeno da recirculação implica em uma mistura mais homogênea.