Modelling and optimization of large-scale processes : application to the liquid-phase aniline production

Abstract

Motivações: A progressiva diminuição das margens de lucro, fruto de uma concorrência internacional, obriga as empresas a assumir como objectivo crucial, mais do que nunca, o contínuo desenvolvimento dos seus processos produtivos. Neste sentido, gerar um conjunto de métodos e ferramentas, capaz de responder às necessidades específicas de cada indústria, deverá ser uma tarefa assumida pela Engenharia de Sistemas e Processos (ESP), abrindo uma importante janela de oportunidades, e criando em simultâneo um vasto conjunto de desafios. Caso de estudo: A instalação em estudo, propriedade da CUF — Químicos Industriais, S.A., assegura uma produção anual de 120 kton/ano de anilina, via hidrogenação do nitrobenzeno em fase líquida. O processo pode ser decomposto em duas secções principais: reacção e separação. A primeira secção, onde grande parte do consumo de utilidades frias ocorre, é constituída por várias unidades trifásicas, onde finas partículas suspensas asseguram uma catálise heterogénea. A segunda secção, grande consumidora de utilidades quentes, compreende um complexo arranjo de 7 colunas de destilação e 5 separadores de fase, onde 10 compostos (a maioria em composições vestigiais) exibem equilíbrios complexos. Objectivos gerais: Os objectivos gerais deste trabalho consistem na construção de modelos matemáticos capazes de descreverem globalmente este processo, e na sua utilização para a simulação e optimização do mesmo. Deste modo, numa perspectiva Académica, os esforços foram concentrados em lidar, de forma eficiente, com um conjunto significativo de dificuldades, através da melhoria e / ou desenvolvimento de estratégias de ESP; nesta vertente, construir modelos matemáticos representativos, ultrapassar problemas numéricos durante a sua solução e evitar resultados de baixa qualidade aquando da sua optimização, constituíram os desafios mais comuns. Numa perspectiva Industrial, a melhoria da performance do processo (e.g., produtividade e eficiência energética), e a capacidade de previsão do seu comportamento global (e.g., para antecipação dos efeitos de novas medidas) foram, na prática, os principais objectivos perseguidos. Trabalho desenvolvido: Devido à complexa natureza do processo em estudo, vários problemas, caracterizados por diferentes escalas, foram considerados: • Micro-escala: relacionada com a modelação de fenómenos intrínsecos; esta incluiu a descrição mecanística de etapas de transferência de massa e reacção, bem como a previsão de equilíbrios LL e LV através da contribuição de grupos funcionais. Diversas estratégias de modelação, caracterizadas por diferentes níveis de detalhe (e.g., modelos de parâmetros distribuídos versus descrições macroscópicas), foram desenvolvidas com vista a avaliar os compromissos entre precisão e dificuldade de solução, e assim obter representações matemáticas tão simples quanto possível. • Meso-escala: respeitante à solução individual dos modelos das unidades. Numa perspectiva Industrial, visou-se prever / optimizar a performance de cada reactor de hidrogenação, coluna de destilação e separador de fases envolvido. Sob o ponto de vista Académico, a atenção recaiu na solução de sistemas algébrico-diferenciais, onde procedimentos de inicialização e normalização se revelaram cruciais, e na convergência de modelos baseados em estágios de equilíbrio onde, para além de uma fase de pré-processamento, foi desenvolvida uma nova estratégia de optimização contínua. • Macro-escala: envolvendo a solução de arranjos de unidades. Neste caso, a topologia da instalação poderá deixar de ser considerada fixa, dependendo dos objectivos. Neste tipo de estudos, as super-estruturas envolvidas representam o principal desafio, devido à sua elevada dimensão e não-linearidade. No que respeita à sua simulação, duas estratégias de flowsheeting foram desenvolvidas (uma sequencialmodular e outra orientada por equações), com diferentes campos de aplicação. A síntese de redes óptimas de reacção e separação (nesta última, contemplando aspectos de integração energética) foi também conduzida, mais uma vez através de novas estratégias baseadas, principalmente, em programação não-linear (NLP). Conclusões: Diversos ganhos podem ser apontados, com impacto directo a nível Industrial: um melhor entendimento das unidades de reacção através de estudos de sensibilidade detalhados, a optimização de várias unidade de destilação contemplando custos operatórios e de investimento, a síntese de novas redes de reacção com potencial para estender a produtividade global, a identificação de esquemas de integração energéticas que permitem a poupança de aproximadamente 300 kAC/ano (já implementados) e o projecto de um novo núcleo de purificação capaz de assegurar um produto final de melhor qualidade com um menor consumo de utilidades. Estes resultados foram alcançados por intermédio de vários estudos sistemáticos, onde os aspectos chave para assegurar implementações eficientes recaíram, de um modo geral, na substituição de estratégias discretas não-lineares por formulações contínuas, e na utilização de fases robustas de pré-processamento numérico.

Motivations: The natural decrease of the profit margins, as a consequence of strong international competition, will force enterprises, more than ever, to assume as primary target the continuous development of their manufacturing processes. In this sense, providing the methods and tools that allow industry to meet these needs is a compelling aspect of Process System Engineering (PSE). This opens a window of significant economical benefits but also requires a number of difficult challenges to be overcome. Case-study: The plant under study, owned by CUF — Químicos Industriais, S.A., currently assures a production of approximately 120 kton/year of aniline, via the liquid phase hydrogenation of nitrobenzene. The process can be decomposed into two main sections: reaction and purification. The first section, a large consumer of cold utilities, is composed by a number of triphasic units, where finely suspended particles are employed to promote an heterogeneous catalytic reaction. The second section, a large consumer of hot utilities, comprehends a complex arrangement of 7 distillation columns and 5 phase separators, where 10 components (most of them reaction byproducts, in vestigial compositions) exhibit complex equilibria. Main objectives: The main objectives of this work are the construction of mathematical models capable of accurately and globally describing this process, and their effective use for simulation and optimization. From an Academical perspective, efforts were concentrated in dealing efficiently with a set of typical difficulties, through the improvement and / or development of PSE formulations. Here, constructing representative models, overcoming numerical problems during their solution and avoiding results of poor quality during their optimization, constituted the most representative challenges. From an Industrial point of view, improving the process performance (e.g., productivity and energy efficiency, among other indicators) and being capable of predicting its global behavior (e.g., to anticipate the impact of future changes) were the main pursued goals. Work developed: Due to the complex nature of the process under study, several problems, characterized by different scales, were considered: • Micro-scale: related to the modelling of intrinsic fundamental phenomena. This included the mechanistic description of mass-transfer and reaction steps, as well as the prediction of LL and VL equilibria at a functional group level. Several modelling approaches, characterized by different degrees of detail (e.g., lumped models versus macroscopic descriptions), were developed to evaluate possible trade-offs between model accuracy and solution difficulty and, therefore, obtain mathematical representations as complex as strictly required. • Meso-scale: relative to the individual solution of units models. Here, from an Industrial point of view, the stand-alone performance of the hydrogenation reactors, distillation columns and phase-separators was predicted and / or optimized. From an Academical perspective, emphasis was given to the solution of algebraicdifferential systems, where initialization and scaling procedures revealed to be crucial, and to the convergence of staged equilibrium models where, additionally to a new pre-processing phase, a continuous optimization strategy was also developed. • Macro-scale: involving the solution of arrangements of units. In this case, the plant topology may no longer be considered fixed, depending on the type of study. Here, handling the required superstructures was the main challenge, due to their large dimension and high non-linearity. For simulation, two flowsheeting strategies were developed (a sequential-modular and an equation-oriented), with different ranges of application. The synthesis of optimal networks was also considered, both for the reaction and separation steps (in this last case, also considering heat integration) where new strategies, relying mostly on nonlinear programming (NLP), were again successfully employed. Conclusions: From an Industrial point of view, several gains can be pointed out: a better understanding of the reaction units through detailed sensitivity studies, the optimization of several distillation units considering both operational and investment costs, the synthesis of a new reaction network capable of extending the overall productivity, the identification of heat integration schemes that enable savings of approximately 300 kAC/year (already implemented), and the design of a new purification core with better product quality and lower utility requirements. These were accomplished through the application of a number of systematic PSE strategies, where one of the key aspects to assure efficient implementations relied on the replacement of discrete nonlinear strategies by continuous formulations, and on the use of robust numerical pre-processing phases.