Large-scale DAE-constrained optimization applied to a modified spouted bed reactor for ethylene production from methane : Otimização de um reator de leito de jorro modificado para produção de etileno a partir de metano

A otimizacao e uma ferramenta fundamental que ajuda na tomada de decisoes em processos quimicos por meio de abordagens assistidas por computador. Na atualidade, o etileno e um insumo fundamental para a industria quimica e petroquimica, tendo em vista que se trata de materia-prima na obtencao de produtos de alto valor agregado. A principal fonte de etileno e o craqueamento de compostos derivados de hidrocarbonetos, mas a busca por processos alternativos para producao de etileno a partir de fontes mais baratas tem-se tornando atraente nas ultimas decadas. Uma das rotas alternativas promissorias para a producao de etileno e o acoplamento oxidativo de metano. Porem, essa e uma rota desafiante ja que apresenta limitacoes associadas ao rendimento. Assim, tecnicas de otimizacao sao ferramentas valiosas para melhorar as condicoes de operacao do acoplamento oxidativo do metano e, por conseguinte, superar as limitacoes associadas ao rendimento do processo. Dentro desse contexto, a presente tese de doutorado, explora uma analise teorica da producao de etileno a partir do acoplamento oxidativo do metano em um reator de leito de jorro. Por outro lado, um modelo matematico preciso e crucial em simulacao e otimizacao de processos. O desenvolvimento de computadores mais rapidos e potentes, e solvers numericos melhorados, tem permitido resolver problemas de maior complexidade e tamanho. Ainda assim, e comum encontrar modelos mais simples em otimizacao, ja que o uso de modelos rigorosos esta associado a um alto tempo de processamento (CPU), tornando inviavel a implementacao desse tipo de modelos em qualquer tipo de otimizacao na atualidade. Esse fato, indica que ainda ha um trade-off entre modelos rigorosos e mais lentos quando comparados aos modelos simplificados e de menor precisao. O objetivo principal desse trabalho e aplicar tecnicas de otimizacao a um modelo simplificado de um reator catalitico de leito de jorro modificado para maximizar o rendimento do etileno via acoplamento oxidativo do metano. O projeto e de carater teorico-computacional, utilizando software de otimizacao especializado (GAMS). Por conseguinte, foi proposta uma estrategia de optimizacao restrita por um sistema de equacoes algebrico-diferenciais. A fim de demostrar a capacidade computacional da estrategia, a metodologia formulada foi aplicada a tres estudos de caso de sistemas envolvendo reacoes, os modelos para os dois primeiros estudos de caso foram tomados da literatura, enquanto que para o caso 3, o modelo foi desenvolvido aplicando leis de conservacao. O primeiro estudo de caso e um reator de amonia, o qual requer a obtencao de um comprimento do reator otimo com maximo retorno economico. O segundo caso, e um reator de craqueamento de etano para produzir etileno e hidrogenio. O terceiro estudo de caso, e o reator de leito de jorro proposto, para levar a cabo o acoplamento oxidativo de metano. O modelo desenvolvido para esse reator e unidimensional composto por balancos de massa, energia e quantidade de movimento. Esses modelos junto com os respectivos modelos cineticos de cada estudo de caso, formam sistemas de equacoes algebrico-diferenciais nao lineares. Assim, esse complexo sistema de equacoes e discretizado usando o metodo de colocacao ortogonal em elementos finitos com perfis continuos aproximados por polinomios de Lagrange. As equacoes de colocacao resultantes sao escritas como restricoes de igualdade no problema de otimizacao. O solver que foi usado para resolver a otimizacao e o IPOPT, o qual foi implementado em GAMS. Uma rotina de inicializacao sistematica baseada em simulacoes foi realizada como uma alternativa pratica para garantir a convergencia global nos casos de otimizacao. Restricoes de complementaridade tambem foram utilizadas para modelar descontinuidades em algumas funcoes definidas por partes como aquela encontrada no modelo de arrasto do leito de jorro. Abstract