Large-scale DAE-constrained optimization applied to a modified spouted bed reactor for ethylene production from methane

Autor(es)

Daison Manuel Yancy Caballero

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Química
• Data de defesa: 2016-06-15

Membros da banca

Reginaldo Guirardello; Rubens Maciel Filho; Maria Teresa Moreira Rodrigues; Reinaldo Giudici; Rita Maria de Brito Alves

• Orientador: Reginaldo Guirardello; Lorenz T Biegler

Resumo

A otimização é uma ferramenta fundamental que ajuda na tomada de decisões em processos químicos por meio de abordagens assistidas por computador. Na atualidade, o etileno é um insumo fundamental para a indústria química e petroquímica, tendo em vista que se trata de matéria-prima na obtenção de produtos de alto valor agregado. A principal fonte de etileno é o craqueamento de compostos derivados de hidrocarbonetos, mas a busca por processos alternativos para produção de etileno a partir de fontes mais baratas tem-se tornando atraente nas últimas décadas. Uma das rotas alternativas promissórias para a produção de etileno é o acoplamento oxidativo de metano. Porém, essa é uma rota desafiante já que apresenta limitações associadas ao rendimento. Assim, técnicas de otimização são ferramentas valiosas para melhorar as condições de operação do acoplamento oxidativo do metano e, por conseguinte, superar as limitações associadas ao rendimento do processo. Dentro desse contexto, a presente tese de doutorado, explora uma análise teórica da produção de etileno a partir do acoplamento oxidativo do metano em um reator de leito de jorro. Por outro lado, um modelo matemático preciso é crucial em simulação e otimização de processos. O desenvolvimento de computadores mais rápidos e potentes, e solvers numéricos melhorados, têm permitido resolver problemas de maior complexidade e tamanho. Ainda assim, é comum encontrar modelos mais simples em otimização, já que o uso de modelos rigorosos está associado a um alto tempo de processamento (CPU), tornando inviável a implementação desse tipo de modelos em qualquer tipo de otimização na atualidade. Esse fato, indica que ainda há um trade-off entre modelos rigorosos e mais lentos quando comparados aos modelos simplificados e de menor precisão. O objetivo principal desse trabalho é aplicar técnicas de otimização a um modelo simplificado de um reator catalítico de leito de jorro modificado para maximizar o rendimento do etileno via acoplamento oxidativo do metano. O projeto é de caráter teórico-computacional, utilizando software de otimização especializado (GAMS). Por conseguinte, foi proposta uma estratégia de optimização restrita por um sistema de equações algébrico-diferenciais. A fim de demostrar a capacidade computacional da estratégia, a metodologia formulada foi aplicada a três estudos de caso de sistemas envolvendo reações, os modelos para os dois primeiros estudos de caso foram tomados da literatura, enquanto que para o caso 3, o modelo foi desenvolvido aplicando leis de conservação. O primeiro estudo de caso é um reator de amônia, o qual requer a obtenção de um comprimento do reator ótimo com máximo retorno econômico. O segundo caso, é um reator de craqueamento de etano para produzir etileno e hidrogénio. O terceiro estudo de caso, é o reator de leito de jorro proposto, para levar a cabo o acoplamento oxidativo de metano. O modelo desenvolvido para esse reator é unidimensional composto por balanços de massa, energia e quantidade de movimento. Esses modelos junto com os respectivos modelos cinéticos de cada estudo de caso, formam sistemas de equações algébrico-diferenciais não lineares. Assim, esse complexo sistema de equações é discretizado usando o método de colocação ortogonal em elementos finitos com perfis contínuos aproximados por polinômios de Lagrange. As equações de colocação resultantes são escritas como restrições de igualdade no problema de otimização. O solver que foi usado para resolver a otimização é o IPOPT, o qual foi implementado em GAMS. Uma rotina de inicialização sistemática baseada em simulações foi realizada como uma alternativa prática para garantir a convergência global nos casos de otimização. Restrições de complementaridade também foram utilizadas para modelar descontinuidades em algumas funções definidas por partes como aquela encontrada no modelo de arrasto do leito de jorro (AU)

• Processo FAPESP: 11/22800-3 - Otimização de um reator de leito de jorro modificado para produção de etileno a partir de metano
• Beneficiário: Daison Manuel Yancy Caballero
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado