Controlo predictivo não-linear de processos químicos : aplicação a sistemas de polimerização descontínuos

Abstract

O presente trabalho de investigação foca a optimização dinâmica de processos descontínuos, usando uma estratégia de optimização sequencial, com raízes na teoria de controlo predictivo. Esta abordagem permite a reutilização de muitos conceitos previamente desenvolvidos no âmbito mais específico do controlo predictivo não-linear de processos contínuos. A metodologia genérica proposta é suficientemente eficiente e flexível para lidar com as diferentes funções objectivo, variáveis de decisão e restrições normalmente encontradas na área dos processos químicos descontínuos. Assim, pretende-se que esta possa ser facilmente interligada com as diversas áreas de supervisão destes processos, através do uso de algoritmos comuns nas tarefas de controlo e optimização.

Para ilustrar as capacidades da metodologia desenvolvida e os possíveis ganhos provenientes da optimização sistemática da operação de processo químicos, esta é aplicada a dois exemplos de sistemas de polimerização por via radicalar descontínuos: a polimerização em suspensão do cloreto de vinilo e a polimerização em solução do metacrilato de metilo. Estes processos apresentam desafios interessantes no seu controlo e optimização, dada a sua natureza não-estacionária e os seus comportamentos altamente não-lineares.

Em muitos casos, a operação destes processos ainda decorre de acordo com receitas baseadas em heurísticas e na experiência passada. Sendo fundamental dispor de modelos mecanísticos precisos dos processos em causa, estes foram construídos com base na informação cinética disponível na literatura. As previsões dos modelos mecanísticos são usadas para determinar as trajectórias de operação e as condições operatórias que conduzem à optimização de critérios gerais de desempenho, e.g. tempo de operação mínimo e a obtenção de produtos com propriedades especificadas, sujeitos a restrições processuais ao longo e/ou no final da operação.

Os resultados obtidos para cada processo mostram que é possível obter reduções significativas no tempo total de operação, quando comparado com a prática industrial corrente. Ficam também patentes as vantagens associadas ao uso desta metodologia em termos da capacidade de produzir produtos com propriedades pré-especificadas. A escolha da temperatura da reacção e das quantidades de iniciadores como variáveis de decisão permitem que os resultados obtidos sejam aplicáveis a reactores de diferentes tamanhos e configurações. Deste modo, este tipo de análise permite diagnosticar limitações físicas no equipamento existente e fundamentar decisões de retrofit.

Além da aplicação da metodologia desenvolvida na solução de problemas de optimização offline, é ainda considerada neste trabalho a implementação em tempo real dos perfis óptimos de operação obtidos num reactor específico de polimerização em suspensão do cloreto de vinilo, usando a formulação de controlo predictivo. O desempenho desta formulação e a respectiva flexibilidade na escolha dos parâmetros de sintonização são comparados com a aplicação de controladores lineares clássicos, verificando-se que os resultados provenientes da aplicação de técnicas avançadas de controlo são bastante superiores.

Deste modo, as vantagens resultantes da aplicação desta técnica de optimização sistemática na operação de processos químicos descontínuos constituem factores de grande relevância para o aumento da competitividade da indústria química.