Modelagem, simulação e otimização operacional de unidades de síntese de metanol

A indústria de processos químicos tem sofrido consideráveis transformações devido ao acirramento da competitividade. Importantes progressos tecnológicos têm sido atingidos através de técnicas de modelagem, simulação e otimização visando o aumento da lucratividade e melhoria contínua nos processos industriais. Neste contexto, as plantas de metanol, um dos mais importantes produtos petroquímicos, podem ser destacadas. Atualmente, a principal matéria-prima para obtenção de metanol é o gás natural. A produção do metanol é caracterizada por três etapas: geração de gás de síntese, conversão do gás de síntese em metanol (unidade de síntese ou loop de síntese) e purificação do produto na especificação requerida. Os custos fixos e variáveis da unidade de síntese são fortemente dependentes das variáveis operacionais, como temperatura, pressão, razão de reciclo e composição da carga. Desta forma, foi desenvolvido um conjunto de modelos e algoritmos computacionais para representar matematicamente unidades de síntese de metanol. O modelo apresenta operações unitárias associadas aos seguintes equipamentos: divisores de correntes, misturadores de correntes, compressores, trocadores de calor, vasos de flash e reatores. Inicialmente, foi proposto um simulador estacionário, que serviu como base para um pseudo-estacionário, o qual contempla a desativação do catalisador por sinterização térmica. Os simuladores foram criados segundo uma arquitetura seqüencial modular e empregou-se o método de substituição sucessiva para a convergência dos reciclos. O estudo envolveu dois fluxogramas típicos, um constituído por reatores adiabáticos em série, enquanto o outro constituído por um reator tipo quench. Uma análise do efeito das principais variáveis operacionais foi realizada para o reator e para o loop de síntese. Estudou-se também o efeito da desativação do catalisador ao longo do tempo. Uma ferramenta de otimização operacional foi empregada para alcançar a máxima produção manipulando as injeções de carga fria na entrada dos leitos catalíticos. Formulou-se também um problema de maximização do lucro em função da otimização de paradas da unidade para troca do catalisador. Os resultados obtidos apontam que a ferramenta desenvolvida é promissora para a compreensão e otimização da unidade objeto deste estudo

The chemical process industries have been suffering considerable transformations due to the increase of competition. Important technological progresses have been reached through techniques of modeling, simulation and optimization that make possible the development of new tools, aiming an increase in profitability and continuous improvement in industrial processes. In this context, methanol plants, one of the most important petrochemical products, can be highlighted. Currently, the main raw material for methanol manufacture is the natural gas. The methanol production is characterized by three steps: syngas generation, conversion of the syngas into methanol (synthesis unit or synthesis loop) and distillation/purification of the product to the required specification. Fixed and variable costs of methanol synthesis units are strongly dependent on operational variables such as temperature, pressure, recycle ratio and make up gas composition. In this way, it was developed a computational set of models and algorithms to represent units of methanol synthesis. The model presents unit operations associated to the following equipment: splitters, mixers, compressors, heat exchangers, flash vessels and reactors. Initially, a stationary simulator was considered, that served as base for a pseudo-stationary one, which contemplates the catalyst deactivation for thermal sintering. The simulators were created using a sequential modular architecture and a direct substitution method is employed for the convergence of recycle streams. The study involved two typical flowsheets, one consisting of adiabatic reactors in series and other based on a quench reactor. An analysis of the effect of the main operational variables was carried out for the reactor and the synthesis loop. It was studied the effect of catalyst deactivation with time. An optimization tool was used to seek the maximum production varying the fraction of cold feed to beds. An optimization problem was also formulated so as to maximize a profit function using as decision variables operating times of reactor beds before catalyst change. The results had shown that the tool developed is promising for the understanding and optimization of the object unit of this study