MODELAGEM, SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE UM FLASH REATIVO PARA APLICAÇÃO NO MONITORAMENTO ON-LINE E OTIMIZAÇÃO EM TEMPO REAL DO PROCESSO PRODUTIVO DE UREIA.

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1 MODELAGEM, SIMULAÇÃO E OTIMIZAÇÃO DE UM FLASH REATIVO PARA APLICAÇÃO NO MONITORAMENTO ON-LINE E OTIMIZAÇÃO EM TEMPO REAL DO PROCESSO PRODUTIVO DE UREIA Diego José Trica COQ897 - Otimização de Processos Prof.: Argimiro R. Secchi Evaristo C. Biscaia Jr. 2012/2

2 O que é Otimização em Tempo Real (RTO)?
Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão O que é Otimização em Tempo Real (RTO)? SEBORG et. al. Process Dynamics and Control, 2ª ed.

3 Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão

4 Balanços de massa e energia Reações químicas reversíveis
Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão Modelo Proposto: Estado Estacionário Balanços de massa e energia Reações químicas reversíveis Equilíbrio líquido-vapor (ELV) Termodinâmica: formulação gamma-phi, utilizando-se extensão do modelo UNIQUAC acrescida de contribuição Debye-Hückel para fase líquida e equação de estado de Nakamura et. al. para a fase vapor.

5 Objetivo: Maximização da produção de ureia
Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão Objetivo: Maximização da produção de ureia Problema de otimização: min 𝐹 𝑂𝐵𝐽 =−𝐿∙ 𝑥 𝐻 2 𝑁𝐶𝑂𝑁 𝐻 2 Restrições de desigualdade impostas: Não esquecer das restrições de igualdade: Balanços de massa e energia, ELV, etc. Variável Limíte mínimo Limite máximo 𝐹 [kmol h-1] 𝑇 𝐹 [K] (155 °C) (185 °C) 𝜃 𝑁 𝐻 3 /𝐶 𝑂 2 [] 3.00 5.40 𝑇 [K] (200 °C) 𝑃 [bar] 220 250

6 Condições ótimas de operação obtidas:
Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão Condições ótimas de operação obtidas: 𝑭 𝑶𝑩𝑱 kmol h-1 ( t/dia) Variável Valor ótimo Multiplicador de Lagrange 𝐹 [kmol h-1] 0.0364 𝑇 𝐹 [K] (155 °C) 0.0559 𝜃 𝑁 𝐻 3 /𝐶 𝑂 2 [] 4.03 𝑇 [K] (195 °C) 𝑃 [bar] 250 3.1432

7 Tentativa de uso do IPOPT: Sem sucesso
Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão Mais informações: Tentativa de uso do IPOPT: Sem sucesso Excesso de restrições dificultaram o problema Resultado final dependente das estimativas iniciais

8 Modelo Proposto Problema de Otimização Introdução Resultados Conclusão Pressão de operação se apresentou como uma restrição do sistema, podendo haver oportunidades de melhoria operacional em pressões maiores. Temperatura ótima encontrada como solução não foi igual a um dos limites estipulados. Possibilidade de aplicação de RTO para esta variável em plantas de ureia.

9 Referências Bibliográficas:
[1] ISLA, M. A.; IRAZOQUI, H. A.; GENOUD, C. M. - “Simulation of a Urea Synthesis Reactor. 1. Thermodynamic Framework”. Industrial Engineering Chemical Research, 32, (1993). [2] IRAZOQUI, H. A.; ISLA, M. A.; GENOUD, C. M. - “Simulation of a Urea Synthesis Reactor. 2. Reactor Model”. Industrial Engineering Chemical Research, 32, (1993). [3] HAMIDIPOUR, M.; MOSTOUFI, N.; SOTUDEH-GHAREBAGH, R. - “Modelling the Synthesis Section of an Industrial Urea Plant”. Chemical Engineering Journal, 106, (2005). [4] ZHANG, X.; ZHANG, S.; YAO, P.; YUAN, Y. - “Modelling and Simulation of High- Pressure Urea Synthesis Loop”. Computers and Chemical Engineering, 29, (2005). [5] CLAUDEL, B.; BOULAMRI, F. - “A New Model of Gas-Solid Kinetics. The Case of Ammonium Carbamate Formation and Decomposition”. Thermochimica Acta, 126, (1988). [6] CLAUDEL, B.; BROUSSE, E.; SHEDADEH, G. - “Novel Thermodynamic and Kinetic Investigation of Ammonium Carbamate Decomposition into Urea and Water”. Thermochimica Acta, 102, (1986).

10 Referências Bibliográficas:
[7] SANDER, B.; FREDENSLUND, A.; RASMUSSEN, P. - “Calculation of Vapour-Liquid Equilibria in Mixed Solvent/Salt Systems Using an Extended UNIQUAC Equation”. Chemical Engineering Science, 41, (1986). [8] NAKAMURA, R.; BREEDVELD G. J. F.; PRAUSNITZ J. M. - “Thermodynamic Properties of Gas Mixtures Containing Common Polar and Nonpolar Componentes”. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 15, (1976). [9] RAMACHANDRAN, B. R.; HALPERN, A. M.; GLENDENING, E. D. - “Kinetics and Mechanism of Reversible Dissociation of Ammonium Carbamate: Involvment of Carbamic Acid”. Journal of Physical Chemistry, 102, (1998). [10] PIOTROWSKI, J.; KOZAK, R.; KUJAWSKA, M. - “Thermodynamic Model of Chemical and Phase Equilibrium in the Urea Synthesis Process”. Chemical Engineering Science, 53, (1998). [11] SMITH, J. M.; VAN NESS, H. C; ABBOTT, M. M. - “Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics”. McGraw-Hill, 7ª ed. (2005). [12] REID, R. C.; PRAUSNITZ, J. M.; POLING, B. E. - “The Properties of Gases & Liquids”. McGraw-Hill, 4ª ed. (1987).

11 Referências Bibliográficas:
[13] FOGLER, H. S. - “Elements of Chemical Reaction Engineering”. Prentice Hall, 4ª ed. (2006). [14] BRENAN, K. E.; CAMPBELL, S. L.; PETZOLD, L; R; - “Numerical Solutions of Initial- Value Problems in Differential-Algebraic Equations”. SIAM (1996).

12 OBRIGADO!