Síntese e otimização de redes de reatores utilizando técnicas metaheurísticas

Abstract

RESUMO: Reação química é o fenômeno no qual a composição química da matéria é alterada. Todo e qualquer recipiente no qual está ocorrendo uma reação química, essencialmente, pode ser classificado como reator químico. O reator químico é muito importante para a maioria dos processos químicos, pois é o responsável por transformar matéria-prima em produto. Assim, a escolha do sistema reativo e desse equipamento têm impacto direto na eficiência do processo. A determinação dos reatores ou da rede de reatores de um processo químico é denominado síntese de redes de reatores e compreende definir a configuração (tipo e arranjo de reatores) e condições operacionais (volume de reator, perfil de temperatura, vazão etc.) que levam ao ótimo de uma métrica de qualidade do processo. Assim, o presente trabalho aplica uma metodologia baseada em otimização por meio de superestruturas para realizar a síntese de redes de reatores. A metodologia foi dividida em três etapas. A primeira etapa foi o desenvolvimento de um superestrutura composta por estágios. A segunda etapa compreendeu o desenvolvimento, a partir da superestrutura, de um modelo genérico e livre de equações diferenciais. A terceira etapa foi a construção da metodologia de solução para o problema de otimização. A metodologia de solução desenvolvida combina SA e PSO, que são dois métodos de otimização metaheurística. O método desenvolvido pode ser aplicado para problemas que envolvem reações complexas isotérmicas e não isotérmicas, sendo que para o caso de problemas não isotérmicos, foi desenvolvida uma metodologia baseada em perfis de temperatura para guiar as temperaturas no processo de otimização. Esta abordagem foi aplicada a estudos de casos isotérmicos e não isotérmicos. Para os estudos de casos isotérmicos, que compreendem variações da reação de Van de Vusse, encontraram-se resultados semelhantes à literatura, havendo uma diferença máxima de 1,86 % entre os valores da função objetivo. Os estudos de casos não isotérmicos são compostos pela reação de oxidação do naftaleno e variações não isotérmicas da reação de Van de Vusse. As variações não isotérmicas da reação de Van de Vusse são compostas de dois casos, onde caso 1 é uma reação exotérmicas e o caso 2 é uma reação endotérmica. Para o caso 1, obteve-se uma melhoria máxima de 2,86% na função objetivo em relação ao que é reportado na literatura. Para caso 2, obteve-se uma melhoria máxima de 6,77 % em relação ao que é reportado em trabalhos que utilizam aproximação para o PFR. Ainda para o caso 2, obtiveram-se resultados semelhantes ao que é reportado pelos trabalhos que não fazem uso de aproximação para o PFR, com uma diferença máxima de 1,64 % no valor da função objetivo. No estudo da reação de oxidação do naftaleno, obteve-se uma melhoria máxima de 0,072%. Estes resultados, portanto, demonstram que a metodologia desenvolvida é adequada para realização da síntese de rede de reatores em sistema homogêneos

ABSTRACT: Chemical reaction is the phenomenon in which the chemical composition of the matter is changed. Essentially, any vessel in which a chemical reaction occurs can be classified as a chemical reactor. The chemical reactor is very important for most chemical processes, as it is responsible for transforming raw material into product. Thus, the choice of the reactive system and of this equipment directly affect the process efficiency. The choice of reactors or the reactors network in a chemical process is called synthesis of reactors network and comprises defining the configuration (type and arrangement of reactors) and operating conditions (reactor volume, temperature profile, flow rate etc.) that optimizes a process quality metric. Thus, the present work applies a methodology based on optimization of superstructures to perform the synthesis of reactor networks.The methodology was divided into three steps. The first step was the development of a generic superstructure composed of stages. The second step involved the development of a generic model based on the superstructure, in which no differential equation is present. The third step was the construction of the solution methodology for the optimization problem. The solution methodology developed combines SA and PSO, which are two methods of metaheuristic optimization. The developed method can be applied to problems involving complex isothermal and non-isothermal reactions. In the case of non-isothermal problems, a methodology based on temperature profiles was developed to guide the temperatures in the optimization process. This approach was applied to isothermal and non-isothermal case studies. For isothermal case studies, which are variations of the Van de Vusse reaction, results similar to the literature were found, with a maximum difference of 1.86% among the objective function values. Non-isothermal case studies consist of the naphthalene oxidation reaction and non-isothermal variations of the Van de Vusse reaction. The non-isothermal variations of the Van de Vusse reaction are composed of two cases, where case 1 is an exothermic reaction and case 2 is an endothermic reaction. For case 1, a maximum improvement of 2.86% in the objective function was obtained in relation to what is reported in the literature. For case 2, a maximum improvement of 6.77% was obtained in relation to what is reported in studies that use approximation to the PFR. Still for case 2, results similar to what is reported by studies that do not use approximation for the PFR were obtained, with a maximum difference of 1.64% in the objective function value. In the study of the naphthalene oxidation reaction, a maximum improvement of 0.072% was obtained. These results, therefore, demonstrate that the developed methodology is adequate to perform the synthesis of reactors networks in homogeneous systems