AUMENTO DA PRODUTIVIDADE EM REATORES DE POLIMERIZAÇÃO ... ?· ii aumento da produtividade em reatores…

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<ul><li><p> I </p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE </p><p>CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA </p><p>UNIDADE ACADMICA DE ENGENHARIA QUMICA </p><p>PROGRAMA DE PS-GRADUAO </p><p>AUMENTO DA PRODUTIVIDADE EM REATORES DE </p><p>POLIMERIZAO UM ESTUDO DE CASO INDUSTRIAL </p><p>Antonio Rodrigues Tacidelli </p><p>Orientadores: Prof. Dr. Romildo Pereira Brito </p><p>Prof. Dr. Lus Gonzaga Sales Vasconcelos </p><p>Campina Grande Paraba </p><p>Junho/2007</p></li><li><p>Livros Grtis </p><p>http://www.livrosgratis.com.br </p><p>Milhares de livros grtis para download. </p></li><li><p> II </p><p>AUMENTO DA PRODUTIVIDADE EM REATORES DE </p><p>POLIMERIZAO UM ESTUDO DE CASO INDUSTRIAL </p><p>Antonio Rodrigues Tacidelli </p><p>DISSERTAO APRESENTADA </p><p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA </p><p>GRANDE COMO PARTE DOS REQUISITOS </p><p>EXIGIDOS PARA OBTENO DO TTULO </p><p>DE MESTRE EM ENGENHARIA QUMICA </p><p>Orientadores: Prof. Dr. Romildo Pereira Brito </p><p> Prof. Dr. Luis Gonzaga Sales Vasconcelos </p><p>Campina Grande Paraba </p><p>Junho/2007 </p></li><li><p> III </p><p>AUMENTO DA PRODUTIVIDADE EM REATORES DE </p><p>POLIMERIZAO </p><p> UM ESTUDO DE CASO INDUSTRIAL </p><p>Antonio Rodrigues Tacidelli </p><p>Dissertao aprovada em: _________/__________/________ </p><p>Banca Examinadora: </p><p>___________________________________ </p><p>Prof. Dr. Romildo Pereira Brito </p><p>Orientador </p><p>______________________________________ </p><p>Prof. Dr. Lus Gonzaga Sales Vasconcelos </p><p>Orientador </p><p>___________________________________ </p><p>Prof. Dr. Jos Carlos Costa da Silva Pinto </p><p>Examinador </p><p>_______________________________________ </p><p>Prof. Dr. Antonio Carlos Brando de Arajo </p><p>Examinador </p></li><li><p> IV </p><p>AGRADECIMENTOS </p><p>A Deus, a quem devida toda honra e glria, pela Graa infinita. </p><p>A Jesus Cristo, Mestre dos mestres, pelos ensinamentos. </p><p> minha Esposa pelo seu Amor e incentivo. </p><p>Aos meus filhos: Sara e Guilherme - herana abenoada. </p><p>s vencedoras Dona Eufrosina e Maria Madalena, incansveis guerreiras na pacincia </p><p>e na educao. </p><p>Aos Profs. Romildo Pereira Brito e Lus Gonzaga Sales Vasconcelos pelo apoio e </p><p>pelas sugestes. </p><p>Aos colegas da Braskem pelas discusses. </p><p> Braskem, pelo incentivo, suporte financeiro e apoio na realizao dos testes. </p></li><li><p> V </p><p>RESUMO Este trabalho voltado para a anlise tcnica de um processo especfico da produo </p><p>de poli (cloreto de vinila) (PVC) cujo objetivo de aumentar sua produtividade sem </p><p>comprometer a qualidade do produto final nem a segurana operacional e fornecer as </p><p>melhores condies operacionais para a operao deste processo. Atualmente a produtividade </p><p>dos reatores da fbrica em questo est em 300 t/m/reator/ano. A fim de elevar este valor </p><p>foram empregadas as tcnicas de elevao da temperatura no final de reao e injeo de </p><p>monmero adicional durante a reao. Nenhum investimento adicional foi realizado na </p><p>planta. Planejamentos experimentais foram conduzidos para avaliar os efeitos desta aplicao </p><p>na qualidade da resina e na produtividade. Otimizao foi conduzida para definir o melhor </p><p>ponto operacional. Aps implantao das condies obtidas, em mais de 600 reaes, o uso </p><p>em conjunto das duas tcnicas indicou um aumento de 18,8% na produtividade. A </p><p>disponibilidade de produo para a resina pipe foi de mais 15.000 toneladas por ano. A </p><p>qualidade do produto final representada pelos parmetros de densidade aparente, porosidade, </p><p>valor K, dimetro mdio de partcula, teor de finos e de grossos no tiveram alteraes </p><p>significativas em relao especificao desejada. </p></li><li><p> VI </p><p>ABSTRACT This work mentions an industrial case of production capacity increasing of reactors </p><p>which produce PVC resin. To obtain more productivity two different techniques were applied </p><p>into the process. The rise of temperature to the reaction end and a monomer injection close to </p><p>the critical point of conversion of the resin were the techniques used. </p><p>An experimental design was done to study the influence of these both techniques on </p><p>the productivity and the quality results. After this, the best operational conditions were set in </p><p>the reactors and more than 600 batches were carried on to validate the tests. </p><p>An 18.8% increase was reached in the productivity. More than 15,000 tons per year </p><p>are now available in the plant capacity. The final quality of the resin was inside of the desired </p><p>specification. </p></li><li><p> VII </p><p>NOMENCLATURA </p><p>BD Bulk density (densidade aparente), g/cm CPA Absoro de plastificante frio, cpa d ndice de atendimento individual parmetro do otimizador D ndice de atendimento global parmetro do otimizador Fop Fator operacional do reator, % H Mximo valor aceitvel para a resposta parmetro do otimizador L Mnimo valor aceitvel para a resposta parmetro do otimizador n Nmero de respostas investigadas parmetro do otimizador NB Nmero de bateladas P Produtividade do reator, t/m por reator por ano p Produtividade do reator, t/batelada </p><p>P Produo de PVC em determinado perodo, t </p><p>r Peso da funo de aceitabilidade da resposta parmetro do otimizador T Valor da meta para a resposta parmetro do otimizador Tg Temperatura de transio vtrea do polmero, C TR Tempo de reao, h V Volume disponvel do reator, m VK Valor K, medida do tamanho da cadeia da resina de PVC w Grau de importncia da resposta parmetro do otimizador W Somatrio das importncias das respostas parmetro do otimizador Valor predito para a resposta parmetro do otimizador Letras Gregas </p><p> Tempo de uma etapa, h </p><p> Dimetro mdio da partcula de PVC, m Densidade volumtrica, g/cm Converso da resina em (%) Subscritos </p><p>R Reator mvc Cloreto de vinila Sobrescritos </p><p>cr Reator com condensador de refluxo </p></li><li><p> VIII </p><p>SUMRIO 1. Introduo .........................................................................................................................1 </p><p>2. Breve Descritivo Sobre o Processo de Produo de PVC ................................................6 </p><p>3. Aumento da Produtividade em Reatores de Polimerizao ............................................14 </p><p>3.1. Reduzindo o tempo de polimerizao .............................................................16 </p><p>3.2. Reduzindo o tempo de down time do Reator ..................................................16 </p><p>3.3. Elevando a Carga do Reator ...........................................................................17 </p><p>3.4. Elevando a Converso da Batelada .................................................................17 </p><p>3.5. Reduzindo perdas ............................................................................................17 </p><p>4. Objetivos e Metas ...........................................................................................................22 </p><p>5. Procedimento Metodolgico ...........................................................................................23 </p><p>5.1. Planejamento Experimental ............................................................................23 </p><p>6. Influncia do Heat Kick e do Volume Operacional do Reator .......................................25 </p><p>6.1. Produtividade do Reator com Condensador de Refluxo .................................25 </p><p>6.2. Programao para Avaliao da Temperatura no Reator com CR .................26 </p><p>7. Aumento do Volume Operacional do Reator Operando com CR...................................36 </p><p>8. Avaliao do uso conjunto das Tcnicas no Processo ....................................................39 </p><p>8.1. Tempo de Reao ............................................................................................43 </p><p>8.2. Densidade Aparente ........................................................................................45 </p><p>8.3. Porosidade .......................................................................................................47 </p><p>8.4. Tamanho da Cadeia de Polimerizao medido atravs do Valor K ................49 </p><p>8.5. Dimetro mdio da Partcula ..........................................................................51 </p><p>8.6. Teor de Grossos na Resina ..............................................................................54 </p><p>8.7. Teor de Finos na Resina ..................................................................................55 </p><p>9. Otimizao dos fatores ....................................................................................................56 </p><p>10. Concluses ......................................................................................................................66 </p><p>11. Sugestes para Trabalhos Futuros ..................................................................................67 </p><p>12. Bibliografia .....................................................................................................................68 </p></li><li><p> IX </p><p>LISTA DE FIGURAS Figura 1. Principais aplicaes do PVC no Brasil, em 2001 ..................................................... 2 Figura 2. Estrutura molecular do PVC. ...................................................................................... 3 Figura 3. Partculas de PVC (vista atravs de MEV-200x) ....................................................... 8 Figura 4 - Micrografia de uma partcula de PVC obtido pelo processo de polimerizao em </p><p>suspenso .................................................................................................................. 8 Figura 5 - Representao esquemtica das espcies presentes na morfologia de partcula do </p><p>PVC obtido pelo processo de polimerizao em suspenso ..................................... 9 Figura 6. Evoluo no tamanho dos reatores em m ................................................................ 12 Figura 7. Evoluo na produtividade dos reatores em t/m/reator/ano .................................... 13 Figura 8. Fluxograma do processo de produo do PVC via suspenso. ................................ 13 Figura 9 Fluxograma representativo das etapas deste trabalho ............................................ 22 Figura 10. Perfil reacional sem kick na temperatura. .............................................................. 28 Figura 11. Perfil reacional com kick de a) 5C e b) 7C na temperatura. .............................. 29 Figura 12. Avaliao comparativa do tempo final de reao de diversas condies de </p><p>execuo do kick com reaes sem o kick. ............................................................. 30 Figura 13. Tempo para finalizar a reao em funo dos kicks estabelecidos. ....................... 30 Figura 14 Resultados de porosidade em funo da condio reacional. ............................... 32 Figura 15 Resultados de densidade aparente em funo da condio reacional. .................. 33 Figura 16 Relao entre o valor K e o peso molecular numrico mdio do PVC ................ 33 Figura 17 Resultados de valor K em funo da condio reacional. .................................... 34 Figura 18 Resultados de dimetro mdio da resina em funo da condio reacional. ........ 34 Figura 19. Obstrues de bocais por ms em funo do aumento no volume. ........................ 36 Figura 20. Ilustrao da troca trmica no reator de polimerizao. ......................................... 37 Figura 21. Ilustrativo das formas de troca de calor num reator de polimerizao. .................. 37 Figura 22. Aumento da produtividade em funo da elevao no volume operacional do </p><p>reator. ...................................................................................................................... 38 Figura 23. Probabilidade normal do efeito normalizado para o tempo de reao. .................. 44 Figura 24. Influncia dos fatores no tempo de reao. ............................................................ 44 Figura 25. Superfcie de contorno para o tempo de reao versus o tempo do incio de adio </p><p>de MVC. .................................................................................................................. 45 Figura 26. Probabilidade normal do efeito normalizado para a densidade aparente. .............. 46 Figura 27. Influncia dos fatores na densidade aparente. ........................................................ 46 Figura 28. Superfcie de contorno para a densidade aparente versus o tempo do incio de </p><p>adio de MVC. ...................................................................................................... 47 Figura 29. Probabilidade normal do efeito normalizado para a porosidade. ........................... 48 Figura 30. Influncia dos fatores na porosidade. ..................................................................... 48 Figura 31. Influncia da interao dos fatores na porosidade. ................................................. 49 Figura 32. Superfcie de contorno para a porosidade versus o tempo do incio de adio de </p><p>MVC. ...................................................................................................................... 49 Figura 33. Probabilidade normal do efeito normalizado para o valor K. ................................ 50 Figura 34. Influncia dos fatores no valor K. .......................................................................... 51 Figura 35. Superfcie de contorno para o valor K versus o tempo do incio de adio de MVC.</p><p>.......................................................................................................................................... 51 Figura 36. Influncia dos fatores no dimetro mdio. ............................................................. 52 Figura 37. Influncia da interao dos fatores no dimetro mdio. ......................................... 52 Figura 38. Probabilidade normal do efeito normalizado para o dimetro mdio .................... 53 Figura 39. Superfcie de contorno para o dimetro mdio versus o tempo do incio de adio </p><p>de MVC. .................................................................................................................. 53 </p></li><li><p> X </p><p>Figura 40. Probabilidade normal do efeito normalizado para o teor de grossos...................... 54 Figura 41. Influncia dos fatores no teor de grossos. .............................................................. 54 Figura 42. Influncia da interao dos fatores no teor de grossos. .......................................... 55 Figura 43. Probabilidade normal do efeito normalizado para o teor de finos.......................... 55 Figura 44. Influncia dos fatores no teor de finos. .................................................................. 56 Figura 45. Influncia da interao dos fatores no teor de finos. .............................................. 56 Figura 46. Set up do otimizador do Minitab. ........................................................................ 57 Figura 47. Formas da funo resposta em funo do peso e da meta: ..................................... 58 Figura 48. Densidade Aparente ................................................................................................ 62 Figura 49. Dados de porosidade. .............................................................................................. 63 Figura 50. Dados do tempo de reao. ..................................................................................... 63 Figura 51. Dados do Valor K ................................................................................................... 64 Figura 52. Comparao entre as tcnicas usadas para aumento da produtividade. ................. 65 </p></li><li><p> XI </p><p>LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Algumas caractersticas do PVC .............................................................................. 2 Tabela 2 - Formulao tpica para polimerizao em suspenso. ............................................ 11 Tabela 3 - Tcnicas conhecidas para aumento de produtividade em reatores para produo de </p><p>PVC ........................................................................................................................ 14 Tabela 4 - Reduo no tempo de ciclo (adaptado de Saeki e Emura, 2001) ............................ 15 Tabela 5 - Principais tcnicas utilizadas para planejamento experimental. ............................. 24 Tabela 6 - Matriz dos experimentos. ........................................................................................ 40 Tabela 7 Valores de cada nvel. ............................................................................................ 40 Tabela 8 Especificao de qualidade. ................................................................................... 41 Tabela 9 Resposta do planejamento de experimentos. ......................................................... 41 Tabela 10 Erro experimental. ................................................................................................ 42 Tabela 11 Dimetro mdio da partcula. ................................................................................ 42 Tabela 12 Restries da otimizao. ..................................................................................... 59 Tabela 13 Variveis utilizadas no otimizador do Minitab ................................................. 60 </p></li><li><p> 1 </p><p>1. Introduo </p><p>Melhorar a eficincia dos processos em busca da maximizao dos resultados se tornou </p><p>mandatrio na indstria qumica e petroqumica, principalmente pela necessidade de </p><p>sobrevivncia das companhias, hoje cada vez mais inseridas no mercado globalizado. </p><p>Produo, qualidade, custos, meio-ambiente, responsabilidade social e segurana so vetores </p><p>presentes em qualquer processo e maximizar resultados implica em dispor destas variveis na </p><p>direo, no sentido e em intensidades especficas de forma que a sinergia entre elas seja a </p><p>maior possvel. </p><p>A otimizao dos processos aliada aos fundamentos da engenharia qumica so </p><p>ferramentas preciosas que auxiliam o engenheiro a extrair o mximo de um processo </p><p>especfico contribuindo para a gerao de riquezas e crescimento da companhia. </p><p>Este trabalho voltado para a anlise tcnica de um processo especfico da produo de </p><p>poli (cloreto de vinila) (PVC) com objetivo de aumentar sua produtividade, sem comprometer </p><p>a qualidade do produto final nem a segurana operacional e fornecendo melhores condies </p><p>operacionais para operao deste processo. Mais especificamente, o trabalho versar sobre a </p><p>planta de polimerizao da Unidade de Poli (cloreto de vinila) (UPVC) da Braskem, em </p><p>Marechal Deodoro (AL). </p><p>O PVC o segundo termoplstico mais consumido no mundo. Em 2001 a demanda por </p><p>resina superou 27 milhes de toneladas para uma capacidade de oferta instalada de 31 </p><p>milhes de toneladas. Dessa demanda total, 22% foram consumidos nos Estados Unidos, </p><p>22% nos pases da Europa Ocidental e 7% no Japo. (Nunes, L. et al, 2002). Alta resistncia </p><p>chama e ao impacto, boa isolao trmica, capacidade de formao de peas tanto rgidas </p><p>quanto muito flexveis (com plastificante) e semelhana a couro fazem do PVC uma resina </p><p>muito verstil. Em funo da necessidade de aditivao da resina, ele pode ter suas </p><p>caractersticas alteradas dentro de um amplo espectro de propriedades em funo da aplicao </p><p>final, variando desde o rgido ao extremamente flexvel, passando por aplicaes que vo </p><p>desde tubos e perfis rgidos para uso na construo civil at brinquedos e laminados flexveis </p><p>para acondicionamento de sangue e plasma (Nunes, L. et al, 2002). </p><p>A grande versatilidade do PVC tambm se deve, em parte, sua adequao aos diversos </p><p>processos de moldagem, podendo s

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