Avaliação estatística do impacto de mudança operacional em processo Slurry em diferentes cenários de mix de off-gas

Abstract

Nos últimos anos, o segmento de mercado por grades comerciais de polietileno (PE) flexíveis tem crescido. As resinas de PEAD homopolímero são bastante rígidas e com baixa resistência ao tensofissuramento (ESCR, do inglês Environmental Stress Cracking). Para contornar isso, dosagens de comonômero de α-olefina são incorporadas na cadeia principal do PE para diminuir a cristalinidade, a densidade e a rigidez da resina, proporcionando melhor resistência ao impacto e flexibilidade. O presente trabalho propôs um estudo de abordagem estatística para avaliar o impacto de uma mudança de alinhamento operacional implementada em um sistema de reciclo de comonômero em processo Slurry de PEAD em uma unidade produtiva de segunda geração. A mudança de configuração no alinhamento do sistema visou aumentar a quantidade de comonômero recuperado para reciclo no segundo reator (R2) e, ao mesmo tempo, diminuir a quantidade residual de comonômero prejudicial para o polímero presente no primeiro reator (R1). A vazão de alimentação de comonômero para o R2 opera em malha aberta e, uma vez que não foram realizados ajustes prévios nas receitas dos grades, acredita-se que possíveis alterações significativas nas faixas das variáveis envolvidas no controle de densidade do PEAD sejam pontos de atenção observados após a mudança. Estas variáveis de interesse são: a relação 1-buteno/eteno no domo do R2, a fração molar de 1-buteno em hexano no R1, a relação de 1-buteno/eteno no domo do R1 e a densidade do pó de PEAD intermediário à extrusão. Seguindo a tendência da indústria de coletar e analisar mudanças de processo com base em dados e fatos, o estudo aplicou testes de hipóteses para a comparação de distribuição de dados entre dois grupos independentes visando diagnosticar as diferenças entre os grupos e atender duas propostas de estudo: (A) validar se os grupos de dados de cada variável de interesse em um mesmo cenário diferem estatisticamente antes e após a mudança operacional; (B) validar se os grupos de dados de cada variável de interesse em dois cenários de mix de off-gas distintos diferem estatisticamente após a mudança operacional. Dessa forma, a metodologia proposta teve como base (1) a coleta e construção do banco de dados, envolvendo a estimativa dos tempos de residência das principais operações unitárias do processo; (2) o tratamento de dados, através da remoção de outliers por diagramas boxplot, remoção de ruídos e detecção de estado estacionário pelos métodos DWT e DER aplicados em Python 3, respectivamente; e (3) a comparação das distribuições através de teste paramétrico 𝑡 ou não-paramétrico de Wilcoxon-Mann-Whitney pelo Minitab Statistical Software®. Na proposta de estudo (A), exceto para a curva de distribuição de densidade do pó PEAD, os testes rejeitaram a 𝐻0 no nível de significância determinado e observou-se com evidência o aumento nas observações da relação 1-buteno/eteno no domo do R2 e a queda no valor das observações para a fração molar de 1-buteno em hexano no R1 e a relação 1-buteno/eteno no domo do R1 para os dois cenários estudados após a mudança do alinhamento operacional, de acordo com o esperado, ainda que não foram constatadas evidências estatísticas de que a curva de distribuição de densidade do pó formado se alterou. Na proposta de estudo (B), todos os testes rejeitaram a 𝐻0 no nível de significância determinado. Foi observado dispersões mais largas para as variáveis relação molar 1-buteno/eteno no domo do R2 e densidade do pó PEAD, de acordo com o esperado. Para a fração molar de 1-buteno em hexano no R1 e relação 1-buteno/eteno no domo do R1 não foram observados comportamentos esperados nessa proposta.

Over the last years, market segment for flexible polyethylene (PE) grades has grown. The homopolymer HDPE resins are very rigid and perform low resistance to cracking (ESCR, from Environmental Stress Cracking). To get around to it, α-olefin comonomer dosages are incorporated into the PE main carbon chain to decrease the resin crystallinity, density and rigidity, providing better impact resistance and flexibility. The present work proposed an approach study to evaluate the impact of an implemented operational alignment change in a comonomer recycling system in a HDPE Slurry process at a second-generation production unit. The system operational alignment aimed to increase the amount of comonomer recovered for recycling in the second reactor (R2) and, at the same time, to decrease the comonomer residual amount harmful to the forming polymer in the first reactor (R1). The comonomer feed rate into R2 operates in open loop and, since no previous adjustments were made to the grades recipes, it is believed that possible changes on variables involved in the HDPE density control range are statistically significant after the operational alignment change. These interest variables are the R2 dome 1-butene/ethylene ratio, the 1-butene in hexane in R1 molar fraction, the R1 dome 1-butene/ethylene ratio and the intermediate HDPE powder density. Following the industry trend of collecting and analyzing process changes based on data and facts, the study applied hypothesis tests to compare data distribution between two independent groups in order to diagnose the differences between the data groups based on two study proposals: (A) to validate whether the data groups for each interest variable in the same scenario differ statistically before and after the operational alignment change; (B) to validate whether the data groups for each interest variable in two different off-gas mix scenarios differ statistically after the operational alignment change. Thus, the proposed methodology was based on (1) the collection and construction of the database, involving the estimation of the main process unit operations residence times; (2) the data processing, by removing outliers based on boxplot diagrams, by removing noise and detecting steady state based on DWT and DER methods applied with Python 3, respectively; and (3) the comparison of distributions using parametric 𝑡 test or non-parametric Wilcoxon-Mann-Whitney test in Minitab Statistical Software®. In the study proposal (A), except for the intermediate HDPE powder density distribution curve, the tests rejected 𝐻0 at the determined significance level and there was evidence of an increase in R2 dome 1-butene/ethylene ratio observations and a drop in 1-butene in hexane in R1 molar fraction and R1 dome 1-butene/ethylene ratio observations for both studied scenarios after the operational alignment change, as expected, although no statistical evidence was validated about changings on the HDPE powder density distribution curve. In the study proposal (B), all tests rejected 𝐻0 at the level of significance determined. Wider dispersions were observed for R2 dome 1-butene/ethylene ratio and intermediate HDPE powder density, as expected. For 1-butene in hexane in R1 molar fraction and R1 dome 1-butene/ethylene ratio, no expected behavior was observed in this proposal.