Modelagem e Simulação de Processos Químicos

O interesse industrial em técnicas e pacotes computacionais para a modelagem e simulação de processos tem crescido muito nestes últimos anos, influenciado por vários fatores, como custo, rendimento e eficiência de produção, incluindo análises de segurança e risco, redução da concentração de emissões químicas e reprodutibilidade de produtos químicos de alta qualidade (Secchi, 1995).

Modelos matemáticos podem ser úteis em todas as fases da Engenharia Química, desde a pesquisa e desenvolvimento até a operação da planta, sendo de grande importância para a compreensão do processo e visualização da relação causa-efeito (Secchi, 1995).

Pesquisa e desenvolvimento: determinação de mecanismos cinéticos e parâmetros a partir dos dados de reação em laboratório e em planta piloto; exploração dos efeitos de diferentes condições de operação para estudos de otimização; auxílio nos cálculos de scale-up.

 Projeto: exploração do dimensionamento e arranjo de equipamentos de processo para desempenho dinâmico; estudo das interações de várias partes do processo; cálculo de estratégias alternativas de controle; simulação da partida, parada, situações e procedimentos de emergência.

Operação da planta: reconciliador de problemas de controle e processamento; partida da planta e treinamento de operadores; estudos de requerimentos e efeitos de projetos de expansão (remoção de gargalos do processo); otimização da operação da planta.

É usualmente muito mais barato, seguro e rápido conduzir os tipos de estudos listados acima sobre um modelo matemático do que realizar testes experimentais na unidade em operação. Isto não quer dizer que não se necessita de testes na planta, pois eles são partes vitais na confirmação da validade do modelo.

 A fluidodinâmica computacional e métodos avançados de modelagem de processos, em conjunto, podem ser usados para otimizar processos industriais. Muitas unidades industriais são complexas e envolvem diferentes fenômenos que devem ser considerados simultaneamente durante um projeto de engenharia. Isto pode ser possível a partir de um modelo preditivo detalhado destas unidades. Por exemplo, um reator multitubular catalítico de leito fixo em um processo de produção de tereftaldeído pôde ser otimizado a partir de um pacote CFD para modelar a fluidodinâmica no lado do casco, e uma ferramenta avançada de modelagem e simulação de processos para modelar as reações químicas catalíticas e fenômenos relacionados no lado do tubo. Estes modelos foram executados simultaneamente; cada modelo calculando as principais informações de entrada para o outro programa. Com este modelo híbrido de alta precisão foi possível considerar vários fenômenos em microescala no lado do tubo, como reação química, adsorção, transferência de calor e de massa nos leitos catalíticos (incluindo difusão intrapartícula e reação), resistência da transferência de calor na fronteira parede-leito; e mecanismos do fluido em macroescala no lado do casco, como a distribuição de fluxo do refrigerante e transferência de calor em geometrias complicadas, tudo isso, ao mesmo tempo. A otimização do reator resultou no melhoramento da eficiência de transferência de calor, que levou a um desempenho uniforme em todos os tubos do reator, forneceu maior controlabilidade, flexibilidade operacional e vida mais longa do catalisador. Foi também mais rentável em termos de investimento do capital inicial e custo operacional.