Otimização das condições de operação de um reator de polimerização de metacrilato de metila
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Tipo de produção
Dissertação
Data
2021
Autores
Biaggi, P. N.
Orientador
Novazzi, L. F.
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Citação
BIAGGI, P. N. Otimização das condições de operação de um reator de polimerização de metacrilato de metila. São Bernardo do Campo, 2021. 92 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2021 Disponível em: https://doi.org/10.31414/EQ.2021.D.131341.
Texto completo (DOI)
Palavras-chave
reator de polimerização,modelos matemáticos,otimização matemática
Resumo
O Brasil se enquadra entre os 5 maiores mercados mundiais para tintas e vernizes. A produção brasileira já alcançou valores de faturamento de dezenas de bilhões de reais. Portanto, são fundamentais ferramentas que forneçam informações confiáveis de operação e otimizem as variáveis para o processo de polimerização, que é a reação principal para fabricação das resinas utilizadas na confecção destes revestimentos. Nesse trabalho foi aplicado um modelo matemático de um reator de polimerização de metacrilato de metila para estudo de condições operacionais e a otimização do equipamento em questão. Esse modelo foi adaptado da literatura e o meio reacional foi considerado isotérmico. Para este estudo, a polimerização foi conduzida em solução e semi-batelada para o metacrilato de metila, com iniciador de peróxido de benzoíla e xilol como solvente, contemplando-se as reações de iniciação, propagação e terminação. O ciclo da semi-batelada durou 5 horas, sendo 3 horas para a adição contínua da mistura monômero / iniciador e mais 2 horas para se aumentar o grau de conversão. O sistema de equações diferenciais que rege o modelo foi resolvido por meio do método de Runge Kutta, em Matlab. Os resultados previstos pelo modelo foram validados ajustando um dos parâmetros cinéticos da reação de decomposição do iniciador. O modelo foi submetido à otimização pelo método IPM, em Matlab, com diversas estimativas iniciais para evitar problemas de mínimos locais. Com isso, obteve-se temperatura ótima de reação compreendida entre 114 °C e 118 °C e tempos de adição ótimos limitados à um intervalo de 3,0 h a 3,3 h, afirmando que o reator já opera em condição ótima. Para melhorar as condições de operação, empregou-se uma rampa de aquecimento após 0,33 h do término da adição devido a questões de segurança. A temperatura e a velocidade de aquecimento foram manipuladas de forma a enquadrar a massa molar dentro das especificações obtendo-se conversão acima do especificado, mas de forma mais rápida. Obteve-se uma diminuição de 0,4 h no tempo total de batelada em relação às condições atualmente utilizadas na planta. O resultado representa uma redução de quase 10% do tempo de ciclo, para uma mudança operacional que não requer investimentos no processo.
Brazil is among the 5 largest world markets for paints and varnishes. Brazilian production has already reached sales figures of tens of billions of reais. Therefore, tools that provide reliable operating information and optmization for the polymerization process are essential. It is the main reaction for the manufacture of resins used in coatings. In this work, a mathematical model of a methyl methacrylate polymerization reactor was developed for the study of operational conditions and process optimization. This model was adapted from the literature and the reaction medium was considered isothermal. For this study, polymerization was carried out in solution and semi-batch for methyl methacrylate, with benzoyl peroxide initiator and xylol as solvent, contemplating the initiation, propagation and termination reactions. The semi-batch cycle lasted 5 hours, 3 hours for the continuous addition of the monomer / initiator mixture and 2 more hours to increase reaction yield. The system of differential equations that governs the model was solved by using the Runge Kutta method, in Matlab. The results predicted by the model were validated by adjusting one of the kinetic parameters of the initiator decomposition reaction. The model was submitted to optimization by the IPM method, in Matlab, with several initial estimates to avoid problems of local minimums. Thus, an optimal reaction temperature between 114 °C and 118 °C was obtained and optimal addition times limited to an interval of 3.0 h to 3.3 h, indicating that the reactor is already operating in optimal condition. To improve the operating conditions, a heating ramp was used after 0.33 h after the end of the addition due to safety concerns. The temperature and the heating rate were manipulated in order to set the molar mass within specifications, with higher yield and faster. There was a decrease of 0.4 h in the total batch time in relation to the conditions currently used in the plant. The result represents a reduction of almost 10% of the cycle time, for an operational change that does not require investments in the process.
Brazil is among the 5 largest world markets for paints and varnishes. Brazilian production has already reached sales figures of tens of billions of reais. Therefore, tools that provide reliable operating information and optmization for the polymerization process are essential. It is the main reaction for the manufacture of resins used in coatings. In this work, a mathematical model of a methyl methacrylate polymerization reactor was developed for the study of operational conditions and process optimization. This model was adapted from the literature and the reaction medium was considered isothermal. For this study, polymerization was carried out in solution and semi-batch for methyl methacrylate, with benzoyl peroxide initiator and xylol as solvent, contemplating the initiation, propagation and termination reactions. The semi-batch cycle lasted 5 hours, 3 hours for the continuous addition of the monomer / initiator mixture and 2 more hours to increase reaction yield. The system of differential equations that governs the model was solved by using the Runge Kutta method, in Matlab. The results predicted by the model were validated by adjusting one of the kinetic parameters of the initiator decomposition reaction. The model was submitted to optimization by the IPM method, in Matlab, with several initial estimates to avoid problems of local minimums. Thus, an optimal reaction temperature between 114 °C and 118 °C was obtained and optimal addition times limited to an interval of 3.0 h to 3.3 h, indicating that the reactor is already operating in optimal condition. To improve the operating conditions, a heating ramp was used after 0.33 h after the end of the addition due to safety concerns. The temperature and the heating rate were manipulated in order to set the molar mass within specifications, with higher yield and faster. There was a decrease of 0.4 h in the total batch time in relation to the conditions currently used in the plant. The result represents a reduction of almost 10% of the cycle time, for an operational change that does not require investments in the process.