Simulação e otimização da pirólise de polietileno de alta densidade para máximo rendimento de produtos

Abstract

A crescente geração de resíduos plásticos e as limitações dos métodos convencionais de reciclagem têm impulsionado o desenvolvimento de tecnologias voltadas à valorização monetária desses materiais. A pirólise do Polietileno de Alta Densidade (PEAD) destaca-se como uma alternativa promissora para conversão de resíduos em produtos de maior valor agregado, como gases combustíveis, ceras e óleos líquidos. No entanto a eficiência e a seletividade desse processo são sensíveis as variáveis operacionais como a temperatura e o tempo de residência, que possuem interações cinéticas com comportamento não-linear. Diante desse contexto, a simulação e a otimização matemática dessas condições tornam-se fundamentais para viabilizar esse tipo de processo. O presente trabalho teve como objetivo investigar e otimizar as condições operacionais da pirólise isotérmica de PEAD em reator batelada, avaliando a influência da temperatura e do tempo de residência sobre a distribuição dos produtos formados. Foram utilizados parâmetros cinéticos extraídos da literatura por meio de modelos de blocos aplicados à pirólise não isotérmica de poliolefinas. A modelagem matemática foi desenvolvida utilizando equações diferenciais ordinárias resolvidas numericamente, permitindo simular a evolução das frações de polímero não reagido, cera, óleo e gás ao longo do processo. Além da modelagem cinética, o trabalho empregou técnicas de otimização numérica, incluindo os algoritmos Evolução Diferencial e Nelder-Mead, visando determinar condições operacionais que maximizassem o rendimento de produtos. Os resultados demonstraram que a temperatura e o tempo de residência exercem influência significativa sobre a seletividade do processo, favorecendo diferentes distribuições de produtos conforme as condições adotadas. Os resultados obtidos contribuem para a compreensão dos fenômenos envolvidos na pirólise do PEAD e fornecem uma base teórica para o futuro dimensionamento e otimização de sistemas de reciclagem de resíduos plásticos.

The increasing generation of plastic waste and the limitations of conventional recycling methods have driven the development of technologies focused on recovering value from these materials. The pyrolysis of High-Density Polyethylene (HDPE) stands out as a promising alternative for converting waste into higher value added products, such as combustible gases, waxes, and liquid oils. However, the efficiency and selectivity of this process are highly sensitive to operational variables such as temperature and residence time, which exhibit complex and non-linear kinetic interactions. In this context, simulation and mathematical optimization of these operating conditions become essential to enable and improve such processes.The present study aimed to investigate and optimize the operational conditions of isothermal HDPE pyrolysis in a batch reactor by evaluating the influence of temperature and residence time on the distribution of the generated products. Kinetic parameters obtained from the literature were employed using lumped kinetic models applied to the non-isothermal pyrolysis of polyolefins. The mathematical model was developed using ordinary differential equations solved numerically, allowing the simulation of the evolution of unreacted polymer, wax, oil, and gas fractions throughout the process. In addition to kinetic modeling, numerical optimization techniques were applied, including Differential Evolution and Nelder Mead algorithms, with the objective of determining operating conditions that maximize product yields. The results demonstrated that temperature and residence time exert significant influence on process selectivity, promoting different product distributions depending on the selected operating conditions. The obtained results contribute to a deeper understanding of the phenomena involved in HDPE pyrolysis and provide a theoretical basis for future scale-up, design, and optimization of plastic waste recycling systems.