Estratégias de controle aplicadas a reatores de polimerização de eteno em solução

Abstract

O objetivo deste trabalho é propor estratégias de controle eficazes, porém de baixo custo, a fim de automatizar um reator de polimerização que na prática industrial opera em controle manual. O caso de estudo é o processo de polimerização de etileno em solução de cicloexano com catalisador Ziegler-Natta, em um sistema constituído por dois reatores tubulares (PFR- plug flow reactors) e um reator tanque agitado (CSTRcontinuous stirred tank reactors), em série. Para cada resina polimérica produzida, tem se uma condição de síntese pré-estabelecida através da qual são conhecidas as variáveis de entrada e saída do processo, dentre elas propriedades como o MI (Melt Index - Índice de Fluidez), por exemplo. Esta propriedade está intimamente relacionada à qualidade do polímero formado e deve, portanto ser controlada. Dada a ausência de medidores online para o MI, no cenário industrial a especificação da qualidade da resina é conseguida indiretamente através do controle da temperatura de reação. Desse modo, visando satisfazer os critérios de qualidade e produção da resina polimérica, foram sugeridas duas malhas de controle: a SISO (Single Input - Single Output, única entrada e única saída) e a multi-SISO. Para a primeira malha, foi utilizada a temperatura de saída do reator como variável controlada, através da manipulação da vazão de etileno. Para a malha multi-SISO foram manipuladas as vazões de etileno e de catalisador para o controle da temperatura do reator e da conversão, respectivamente. Nas duas malhas propostas, as impurezas presentes no catalisador foram consideradas como perturbações ao processo, uma vez que elas têm influência direta sobre a atividade catalítica. Foram investigados os casos de problemas servo e regulatório para ambas as estratégias, utilizando-se para isso controladores PID, devido a sua simplicidade e bom desempenho. Para a sintonia dos controladores foi aplicada uma técnica baseada na otimização de uma função objetivo global, na qual são considerados, dentre outros aspectos, os erros de modelagem. Os potenciais benefícios advindos das estratégias de controle propostas foram avaliados em termos de requisitos técnicos e impactos econômicos. Para quantificar estes benefícios foi utilizado um modelo fenomenológico rigoroso para representar o reator de polimerização. Os resultados em malha fechada mostraram que a sintonia dos parâmetros dos controladores não somente garantiu resposta estável e rápida para as variáveis controladas, como também permitiu minimizar o produto fora de especificação, demonstrando que, através das estratégias propostas, é possível satisfazer concomitantemente os requisitos de qualidade e produção da resina polimérica. Foi ainda confirmado que o controle de variável substituta, assim como ocorre na prática industrial, associado a uma boa sintonia, apresenta-se como uma alternativa parcimoniosa para a especificação da qualidade da resina, permitindo assim um processamento mais rentável e eficiente da planta em estudo.