Monitoramento, Modelagem e Controle da Copolimerização em Solução de Estireno/Divinilbenzeno em Sistema Contínuo

Resumo do Projeto de Final de Curso apresentado à Escola de Química como parte dos

requisitos necessários para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Química.

MONITORAMENTO, MODELAGEM E CONTROLE DA POLIMERIZAÇÃO EM

SOLUÇÃO DE ESTIRENO-DIVINILBENZENO EM SISTEMA CONTÍNUO

Israel Bernardo de Souza Poblete

Rafael Coelho de Lima

Março de 2016

Orientadores: Prof. Márcio Nele de Souza, D.Sc.

Bruno Francisco Oechsler, M.Sc.

Prof. José Carlos Costa da Silva Pinto, D.Sc.

Copolímeros de estireno-divinilbenzeno (PS-DVB) são largamente utilizados na

fabricação de colunas cromatográficas e resinas de troca iônica, sendo de grande importância o

conhecimento das propriedades finais destes materiais. Neste contexto, o presente trabalho tem

como objetivo modelar, simular e monitorar variáveis de processo, e controlar a conversão de

monômeros em polímero em um reator CSTR de copolimerização em solução de etilbenzeno

através da manipulação da vazão de alimentação do reator. A modelagem e a simulação foram

desenvolvidas em linguagem Fortran, enquanto que o monitoramento da conversão foi

realizado através de espectroscopia de infravermelho próximo (NIR). Uma interface gráfica

para aquisição das variáveis operacionais e controle do processo foi construída através do

programa LabVIEW. Foi possível controlar a conversão da reação de copolimerização com a

implantação um controle PI, partindo de uma sintonia via Ziegler-Nichols. Adicionalmente,

verificou-se que quando não corretamente traçada a estratégia de partida de planta pode-se

instabilizar o reator de polimerização levando ao ciclo limite e descontinuidade operacional.

ÍNDICE

Capítulo I - Introdução ...............................................................................................................1

1.1 Introdução...................................................................................................................1

1.2 Motivação ...................................................................................................................6

1.3 Objetivo ......................................................................................................................7

Capítulo II – Revisão Bibliográfica............................................................................................8

2.1 Polímeros....................................................................................................................8

2.1.1 Poliestireno e Copolímero de Estireno-divinilbeneno..........................................9

2.2 Processos de Polimerização e Copolimerização.......................................................11

2.3 Monitoramento de Reações de Polimerização..........................................................12

2.3.1 Espectroscopia de Infravermelho Próximo.........................................................15

2.3.1.1 Histórico e Contextualização ......................................................................15

2.3.1.2 A Espectroscopia NIR em Análises de Processos.......................................17

2.3.1.3 Técnicas de Calibração................................................................................18

Regressão Linear Múltipla (MLR) ...........................................................................20

Mínimos Quadrados Parciais (PLS) .........................................................................22

Avaliação de Qualidade das Equações de Calibração..............................................24

Tratamento Matemático dos Espectros ....................................................................25

2.3.1.4 Utilização da Espectroscopia NIR em Monitoramento de Processos .........26

2.3.1.5 Monitoramento em Sistemas Homogêneos de Polimerização por

Espectroscopia NIR ......................................................................................................26

2.4 LabVIEW..................................................................................................................29

2.5 Controle de Reatores de Polimerização....................................................................31

2.5.1 Controlador Proporcional (P) .............................................................................33

2.5.2 Controlador Proporcional-Integral (PI) ..............................................................34

2.5.3 Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID).........................................34

2.5.4 Sintonia de Controladores (PID) ........................................................................35

Capítulo III – Mecanismos de Polimerização e Modelagem Matemática da Unidade ............43

3.1 Mecanismos de Polimerização .................................................................................43

3.1.1 Sistema Contínuo................................................................................................46

Balanço