A Polimerização Através da Determinação das Variáveis Temperatura de Reação

Otimizar a Produtividade de um Reator CSTR de Polimerização Através da Determinação das Variáveis Temperatura de Reação e Vazão de Solvente com uso de PSO e Ponto Interior.

Ivan Delduga

Programa de Engenharia Química – COPPE – Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ).
Cidade Universitária – Centro de Tecnologia – Bloco G. CEP: 21945-970 – Rio de Janeiro - RJ – Brasil.
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Resumo: Este trabalho apresenta duas estratégias de otimização com base em PSO (Particle Swarm Optimization) e Otimização por Ponto Interior. Através dessas estratégias e de modelos do processo dos balanços de massa e de energia no reator, obteve-se a estimação simultânea da Vazão do Solvente (Qs) e da Temperatura de Reação (T), maximizando a função objetivo da Produtividade (PR) de um reator contínuo de polimerização, impondo as restrições como índice de polidispersão, temperatura máxima de reação, inerentes ao processo. Para esse trabalho será adotado um reator benchmark. A fim de testar a estratégia proposta, utilizou-se um reator contínuo de polimerização de poliestireno (reator benchmark) proposto na literatura específica de processos, cujo modelo matemático foi validado em uma planta de polimerização real. A escolha das variáveis manipuladas foi validada por uma análise de sensibilidade. As estratégias de otimização propostas foram capazes de encontrar um ponto adequado de trabalho respeitando as restrições. No entanto, seria conveniente acrescentar restrições adicionais ou mais “restritivas” para temperatura de reação e limites de vazão de modo que retratasse melhor a realidade do processo, bem como considerando as restrições impostas por aspetos de segurança e dos materiais constitutivos da instalação.

Palavras-chave: Algoritmos de Otimização, Reator de Polimerização de Estireno, Ponto Interior, PSO.

1. Introdução

        Os polímeros são macromoléculas constituídas pela ligação de um grande número de moléculas menores. Essas pequenas moléculas que se combinam umas com as outras para formar moléculas maiores (polímeros) são denominadas de monômeros e as reações são denominadas de polimerizações (ODIAN, 2004).

Esses compostos têm significativa importância no desenvolvimento tecnológico dos séculos XX e XXI e a cada ano observa-se sua participação cada vez mais efetiva no setor industrial, seja na produção, seja no produto final. Esta participação, além de apresentar uma grande variedade de produtos, também possui aplicações específicas com crescente importância tecnológica e econômica, principalmente pela capacidade de aumentar a produtividade através da redução de custo e da praticidade de aplicação (DELDUGA, 2013).

De fato, a participação dos polímeros na sociedade moderna tem apresentado um deslocamento dos aspectos quantitativos para os qualitativos. Ou seja, no início, houve uma procura maior pela diversidade de aplicações intensivas desses produtos, porém, atualmente, as aplicações estão mais direcionadas, com uso de produtos com características mais particulares, obtendo, assim, maior importância sob uma ótica tecnológica e, sobretudo, econômica (ALMEIDA, 1997).

A busca efetiva por ganho de produtividade é inerente às atividades produtivas e é determinante na existência e longevidade de instituições com fins lucrativos. No entanto, a busca por ganhos de produção com redução de custos esbarra em premissas cada vez mais consolidadas na atualidade. A qualidade, que é uma dessas premissas, tem se tornado um dos mais importantes fatores de decisão dos consumidores e, muitas vezes, concorre com a necessidade de reduzir os recursos empregados no processo (DELDUGA, 2013).

Essa nova conjuntura, de busca de produtos com alto valor agregado, foco na qualidade final do produto e na segurança, respeito ao meio ambiente e a preocupação com o aumento de produtividade, privilegia, consequentemente, a utilização da mesma instalação para a fabricação de diferentes produtos. Neste cenário, torna-se, portanto, cada vez mais necessária a busca por equipamentos bem controlados e eficientes.

Para indústrias competitivas, incluindo-se aí as empresas de commodities, há uma grande necessidade de se reduzir custos de produção. A prática de se ter processos controlados próximos, ou com tendências de se aproximar, do ponto ótimo de operação é cada vez mais necessária. Isso ocorre devido aos grandes volumes de produção envolvidos, à necessidade de alta disponibilidade das instalações para produção, o baixo valor agregado de produtos dessa natureza e à própria característica do mercado.

O Poliestireno (também denominado por PS) é o polímero, cujo processo será avaliado para desenvolvimento e implementação de uma estratégia de controle alternativa. Este polímero pode ser encontrado no mercado sob algumas formas, como mostrado por Odian (2004): cristal de poliestireno (o termo é usado para descrever a clareza óptica do produto e não sua estrutura molecular, que é amorfa), poliestireno expandido (EPS), que é usado na fabricação de espumas, e o poliestireno de alto impacto (HIPS), que apresenta melhor resistência que o poliestireno e baixo custo comparado ao ABS em algumas aplicações, como a de copos.

O poliestireno é comercializado nos EUA há mais de 60 anos, sintetizado pela simples polimerização do monômero estireno (MOORE, 1989). Cada tipo possui uma aplicação específica, que pode variar desde a confecção de embalagens de copos descartáveis, no caso do tipo standard à confecção de materiais de isolação térmica, no caso do EPS (SERFATY e MONTENEGRO, 2002).

Tem-se observado um aumento global pelo composto. A previsão para 2020, comparada ao ano de 2010, é de 5,6%, conforme apontado pelo site Plastemart. Esse crescimento se justifica pelo desenvolvimento observado do setor nos países emergentes Brasil, Índia e China. O setor de embalagens no Brasil merece destaque, pois o Poliestireno é amplamente empregado, seja na forma cristal, seja como EPS. Os maiores produtores são a Dow e a BASF (SERFATY e MONTENEGRO, 2002).

Demonstrada a importância do produto, é de se destacar que o processo tenha uma operação devidamente controlada, a fim de manter os parâmetros atendendo às especificações do produto e buscando redução de custos. Surge, nesse sentido, a necessidade de um sistema de controle ótimo que lide com um processo multivariável e o conceito de controle preditivo com base no modelo é uma alternativa viável. Os modelos dinâmicos do processo são ferramentas básicas para diversos propósitos e os modelos dinâmicos lineares, apesar de restrições, tem sido muito utilizados em razão de sua versatilidade e simplicidade (MELEIRO, 2002).