Simulation, modeling and analysis of ethylene polymerization reactor in solution using Ziegler-Natta catalyst

Orientador: Rubens Maciel Filho Tese aguardando autorização para liberação do texto completo no Repositório da Produção Científica e Intelectual da UNICAMP Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: Processos de polimerização são em geral bastante complexos devido ao grande número de reações paralelas e de espécies químicas presentes no meio reacional. Além disso, a engenharia de reação de polimerização deve não só atender às especificações de rendimento e pureza, mas também obter produtos com uma certa característica de processamento e propriedades finais que são, na prática, a verdadeira medida do desempenho do reator de polimerização. Estas propriedades são determinadas pelo modo de operação e pelo tipo de reator empregado. Por outro lado, para uma boa estratégia de controle, otimização e estudos de projeto, é necessário um bom entendimento do processo, o que é possível a partir de um modelo matemático bem elaborado. Portanto, neste estudo é desenvolvido um modelo fenomenológico para o processo de polimerização de etileno com buteno-1 em solução com catalisador Ziegler-Natta em uma seqüência de reatores PFR (Plug Flow Reactor ¿ Reator de Fluxo Empistonado) e CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor ¿ Reator Tanque de Agitação Contínua). Simulações deste modelo avaliam o efeito da principais variáveis de entrada do processo no desempenho do reator e nas propriedades do polímero. Alguns parâmetros do modelo, como as constantes cinéticas das diversas reações envolvidas e algumas propriedades físicas, por exemplo, são desconhecidos devido à escassez de estudos nesta área e à dificuldade em se relizar experimentos em uma planta piloto de polimerização (altas temperaturas e pressões). Portanto, para obter resultados quantitativos do modelo, foi necessário estimar esses parâmetros desconhecidos a partir de dados dinâmicos de processo industrial. As propriedades de uso final dos polímeros são usualmente correlacionadas com a média e a polidispersão da DPM (Distribuição de Peso Molecular). Em alguns casos, entretanto, essas propriedades são influenciadas por determinadas faixas de peso molecular, surgindo o interesse no cálculo da DPM completa. Portanto, este trabalho desenvolve uma nova técnica, chamada de DFPM (Distribuição de Fração de Peso Molecular), que permite obter a distribuição das frações de peso molecular do polímero. Foram elaborados dois modelos de DFPM, um para a homopolimerização, e outro para a copolimerização. No primeiro caso, foram realizadas simulações a fim de se investigar o comportamento da DPM em relação às principais variáveis de entrada do processo. Já para a copolimerização, foi elaborado apenas o modelo teórico Abstract: Polymerization processes are, generally, very complexes due to the high number of parallel reactions and chemical species in reactional medium. Besides, the polymerization reaction engineering may not only attain yield and purity specifications, but also obtain products with certain processability characteristic and final properties that are, in practice, the real measure of performance in polymerization reactors. These properties are determined by operational conditions and reactor employed. By the other side, for good control strategy, optimization and design studies, it is necessary a good process knowledge, what is possible by a mathematic model well suited. Thus, in this study it is developed a phenomenological model for the ethylene with butene-1 polymerization process, in solution with Ziegler-Natta catalyst, in a sequence of PFR (Plug Flow Reactor) and CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) reactors. Simulations from this model evaluate effects of the main process input variables in reactor performance and in polymer properties. Some model parameters, as kinetic constants and some physical properties, for example, are unknown due to scarceness of studies in this area and due to hardness in realizing experiments in a pilot polymerization plant (high temperatures and high pressures). Thus, to obtain quantitative results from the model, it was necessary estimating these unknown parameters from process dynamic data. Polymer end-use properties are usually correlated with mean and polydispersity of MWD (Molecular Weight Distribution). In some situations, however, these properties are influenced by specific molecular weight ranges, thus coming the interest in calculating the whole MWD. Hence, this work develops a new technique, called MWFD (Molecular Weight Fraction Distribution), that allows obtaining the polymer molecular weight fraction distribution. Two models for MWFD calculation were elaborated, one for homopolymerization, the other for copolymerization. In the former, simulations were realized in order to investigate MWD behavior related to main process input variables. But, for the copolymerization, it was elaborated only the theoretical model Resumo: Não informado Abstract: Not informed Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química