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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL/USP AMANDA FARIA BARUEL SIMULAÇÃO DO NÚCLEO MORTO EM CATALISADORES POROSOS UTILIZANDO ALGORITMO GENÉTICO LORENA - SP 2012

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA - EEL/USP

AMANDA FARIA BARUEL

SIMULAÇÃO DO NÚCLEO MORTO EM CATALISADORES

POROSOS UTILIZANDO ALGORITMO GENÉTICO

LORENA - SP

2012

AMANDA FARIA BARUEL

SIMULAÇÃO DO NÚCLEO MORTO EM CATALISADORES

POROSOS UTILIZANDO ALGORITMO GENÉTICO

Monografia apresentada à Escola de

Engenharia de Lorena da Universidade de

São Paulo como requisito parcial para

obtenção do título de Engenheiro

Químico.

Orientador: Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira

LORENA - SP

2012

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E PUBLICAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO

Assessoria de Documentação e Informação

Escola de Engenharia de Lorena

Baruel, Amanda Faria

Simulação do núcleo morto em catalisadores porosos utilizando

algoritmo genético. Amanda Faria Baruel; orientador Félix Monteiro

Pereira – Lorena, 2012.

27 f

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de

Graduação do curso de Engenharia Química da Escola de Engenharia de

Lorena, Universidade de São Paulo.

1. Modelagem e simulação de processos químicos; I. Baruel, Amanda

Faria II. Pereira, Félix Monteiro, Orient.

RESUMO

BARUEL, A. F. Simulação do núcleo morto em catalisadores porosos utilizando

algoritmo genético. 2012. 27 f. Monografia - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade

de São Paulo, 2012.

Neste trabalho de conclusão de curso, foi realizado um estudo sobre a simulação da

ocorrência de núcleo morto em catalisadores porosos para cinéticas de ordem zero e de

primeira ordem. Para esse estudo foram utilizados os métodos numéricos, shooting e

colocação ortogonal global na resolução do problema de valor de contorno. Utilizou-se

também o algoritmo genético para a resolução do problema. A metodologia utilizando a

colocação global e o algoritmo genético foi capaz de representar os valores do fator de

efetividade obtidos com as soluções analíticas para ambas as cinéticas. Dessa forma a

resolução demandou um esforço menor de programação, do que se utilizado o método

numérico de colocação ortogonal de elementos finitos.

Palavras-chave: Modelagem e simulação, Núcleo morto, Catalisadores porosos, Algoritmo

genético.

ABSTRACT

BARUEL, A. F. Simulation of the dead core in porous catalysts using genetic algorithm.

2012. 27 f. Monograph - Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, 2012.

In this work, it was studied the simulation of the dead core in porous catalysts for zero and

first-order kinetics. To solve the problems it was used two numerical methods: shooting and

global-orthogonal-collocation. It was also used the genetic algorithm computational system to

optimize the resolution of the problem. By using the global-orthogonal-collocation method

with genetic algorithm it was possible to attain the effectiveness-factor values obtained with

the analytical solutions for booth kinetics. The resolution demanded a minor programming

work than that with the numerical method orthogonal-collocation in finite elements.

Keywords: Modeling and simulation, Dead core, Porous catalysts, Genetic Algorithm.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ....................................................................................... 6

1.1. OBJETIVOS ............................................................................................. 6

1.2. JUSTIFICATIVA ..................................................................................... 7

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................. 8

2.1. CATALISADORES .................................................................................. 8

2.1.1. Catalisadores porosos ............................................................................. 9

2.2. NÚCLEO MORTO ................................................................................... 9

2.3. MODELAGEM MATEMÁTICA .......................................................... 10

2.4. MÉTODO SHOOTING .......................................................................... 12

2.4.1. Insucesso da Utilização do Método Shooting...................................... 13

2.5. ALGORITMO GENÉTICO.................................................................... 14

2.5.1. Inicialização da população ................................................................... 16

2.5.2. Cálculo da aptidão ................................................................................ 16

2.5.3. Seleção .................................................................................................... 16

2.5.4. Reprodução ............................................................................................ 17

2.5.5. Mutação ................................................................................................. 17

2.5.6. Parâmetros genéticos ............................................................................ 18

2.5.7. Finalização ............................................................................................. 18

3. METODOLOGIA ................................................................................. 19

4. RESULTADOS ..................................................................................... 20

4.1. MÉTODO SHOOTING COM ALGORITMO GENÉTICO .................. 20

4.2. COLOCAÇÃO ORTOGONAL COM ALGORITMO GENÉTICO ...... 22

5. CONCLUSÕES ..................................................................................... 25

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................ 26

6

1. INTRODUÇÃO

Uma das abordagens clássicas para a resolução de problemas de valor de contorno

consiste no método shooting, que consiste em uma associação entre um método de integração

de sistemas de equações diferenciais ordinárias (Métodos de Runge-Kutta, Adams, entre

outros) e um método para a resolução de equações algébricas não lineares (Newton-Raphson,

bisseção, entre outros).

No trabalho realizado por Pereira (2008) verificou-se que para alguns casos, o método

shooting não foi capaz de resolver o problema de valor de contorno, gerando respostas

insatisfatórias, ou simplesmente divergindo. Para conseguir resolver o problema, Pereira

(2008) propôs a utilização de uma metodologia um pouco mais complexa, o método da

colocação ortogonal em elementos finitos. Porém, essa metodologia requer um maior esforço

de programação, uma vez que para cada tipo de problema de valor de contorno, um grande

sistema de polinômios ortogonais deve que ser criado.

1.1. OBJETIVOS

O presente trabalho possui como objetivo principal realizar a simulação do núcleo

morto em catalisadores porosos utilizando algoritmo genético na resolução do problema de

valor de contorno obtido a partir do balanço material no interior da partícula. A fim de

cumprir esse objetivo utilizou-se o método shooting empregando o algoritmo genético em

substituição aos métodos tradicionais de resolução de sistemas de equações algébricas.

A diferença entre se utilizar uma meta-heurística como o algoritmo genético em

substituição aos métodos tradicionais consiste no modo em que a convergência para a resposta

desejada se dá. Dessa forma, obtendo-se sucesso com a metodologia proposta, a resolução do

problema de valor de contorno demandará um menor esforço de programação, simplificando

sua utilização para diferentes tipos de cinética de reação.

7

1.2. JUSTIFICATIVA

A modelagem e a simulação do fenômeno de difusão-reação no interior da partícula

consistem em etapas do projeto de reatores utilizando catalisadores porosos.

Em um trabalho anterior, Pereira (2008) observou que o método shooting não era

capaz de simular problemas envolvendo a ocorrência de núcleo morto, que consiste em uma

região no interior do catalisador na qual a concentração de reagente é nula. Testou ainda os

métodos de colocação ortogonal global e de colocação ortogonal em elementos finitos sendo

que, no caso, apenas o método da colocação ortogonal em elementos finitos foi capaz de

simular a ocorrência de núcleo-morto satisfatoriamente.

Porém, por envolver uma metodologia mais complexa, a colocação ortogonal em

elementos finitos gera um esforço de programação grande, uma vez que cada tipo equação

diferencial acarreta em um diferente sistema de polinômios ortogonais.

A fim de diminuir o esforço de programação, uma abordagem diferente para o método

shooting está sendo proposta nesse trabalho, essa abordagem envolve a utilização do método

heurístico de otimização utilizando algoritmo genético em substituição aos métodos

tradicionalmente utilizados na solução de sistemas de equações algébricas (Newton-Raphson

e Bisseção). Sendo o modo de convergência do algoritmo genético diferente das metodologias

utilizadas anteriormente no trabalho de Pereira (2008), espera-se que seja possível obter

resultados diferentes.

Portanto o presente trabalho pretende verificar a utilização da metodologia proposta,

que, caso tenha sucesso na simulação, simplificará a programação computacional para a

estimativa do núcleo-morto em catalisadores porosos.

8

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. CATALISADORES

Catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade de uma reação. Essa

mudança de velocidade de reação ocorre através da alteração no mecanismo da reação

acarretando na redução da energia de ativação sem que haja alteração da entalpia e da energia

livre da mesma. Esse fenômeno é mostrado na Figura 1 (FOGLER, 1996).

Figura 1. Ação do catalisador na redução da energia de ativação para uma reação: (I) reação

não catalisada; (II) reação catalisada.

Hoje em dia, aproximadamente 85% dos produtos químicos são produzidos através de

reações catalíticas, que possibilitam a produção em alta escala de produtos de uso diário.

Esses produtos incluem, por exemplo, gasolina, fertilizadores, plásticos, detergentes, remédios

e certos alimentos (AMORIM et al., 2007).

Atualmente, a catálise é uma poderosa área de pesquisa acadêmica e industrial. Essas

pesquisas têm acarretado em melhorias para os processos industriais que utilizam

catalisadores. Os catalisadores heterogêneos se destacam entre os catalisadores de maior

interesse industrial, esses catalisadores geralmente são constituídos de sólidos inorgânicos

porosos ou não porosos, mássicos ou suportados, de diferentes áreas específicas, contendo

sítios ativos que irão efetivamente catalisar a reação (CALDAS, 2009).

Em um processo químico pode ser vantajoso utilizar o catalisador na forma sólida.

Pois assim é possível eliminar vários estágios de separação, além de colaborar com a redução

9

da corrosão dos equipamentos e a poluição do meio ambiente. O catalisador nessa forma pode

ser regenerado com maior frequência e possui maior estabilidade térmica, permitindo um

melhor controle da reação em temperaturas elevadas (AMORIM et al., 2007).

Os catalisadores na forma sólida podem ser separados de uma forma simples e

completa, podendo assim ser reutilizados. Para alguns catalisadores essa reutilização é

necessária devido ao seu elevado valor de mercado. Essa separação torna a catálise

heterogênea economicamente atrativa (OLIVEIRA, 2006).

2.1.1. Catalisadores porosos

Catalisadores porosos são aqueles que possuem uma grande área resultante de poros.

Como por exemplo, o níquel Raney, que é utilizado na hidrogenação de óleos vegetais e

animais, a platina sobre a alumina utilizada para se obter altas octanagens na reforma de

naftas de petróleo e o catalisador de ferro promovido, utilizado na síntese da amônia

(OLIVEIRA, 2006).

Esses catalisadores são utilizados para se obter uma maior área de contato com os

reagentes, aumentando o número de sítios ativos para a adsorção e reação química na

superfície catalítica (ROSA, 2005).

2.2. NÚCLEO MORTO

Na catálise em que se empregam catalisadores porosos o reagente precisa difundir em

seu interior, podendo o sistema pode entrar em equilíbrio antes mesmo que o catalisador possa

ser utilizado inteiramente. Isso se deve a relação entre o tamanho do catalisador, a taxa de

reação e a taxa de difusão (AMORIM et. al., 2004).

Quando todo o catalisador não for utilizado, haverá uma região onde a concentração

de reagente é nula. Essa região é chamada de núcleo morto como demonstrado na Figura 2.

Sendo assim nem todo o catalisador é reativo, e dependendo das dimensões do grão, seu

rendimento será baixo (OLIVEIRA et al., 2004).

10

Figura 2. Ocorrência do núcleo morto em Ω0 na partícula catalítica Ω (ROSA et al., 2004).

Se a relação entre a taxa de reação e a taxa de difusão for pequena, o tamanho da

partícula não será um problema para que o reagente difunda por todo o catalisador. Porém,

caso essa relação seja muito elevada, pode ser que não se consiga difundir o reagente de modo

suficientemente rápido para que atinja os pontos mais interiores da partícula catalítica,

podendo assim ocorrer o núcleo morto (AMORIM et al., 2004; ROSA et al., 2004).

2.3. MODELAGEM MATEMÁTICA

Para uma cinética de ordem n qualquer, o balanço material adimensionalizado é dado

pela seguinte equação diferencial (PEREIRA, 2008).

n

a

a

a

aa

a cdx

dc

xdx

cd 22

2

21

(1)

Onde na Equação 1:

ca é a concentração adimensional de reagente no interior da partícula,

calculada através da divisão da concentração em uma determinada posição do

interior da partícula pela concentração de reagente no meio fluido externo à

partícula;

xa é a coordenada espacial que corresponde à divisão entre uma posição

medida a partir do centro da partícula e a distância entre o centro e a superfície

da partícula (comprimento para placa plana infinita e raio para cilindro infinito

ou esfera);

α é o fator correspondente à geometria da partícula (=1 para geometria

retangular, =2 para geometria cilíndrica e =3 para geometria esférica);

11

0

02

cD

v

ef

é o módulo de Thiele;

v0 é a velocidade da reação para a concentração de reagente no meio fluido

externo à partícula (c0).

Def é o coeficiente de difusão efetivo de reagente no interior da partícula.

O fator de efetividade (), o qual é a razão entre a velocidade de reação real (incluindo

a restrição difusional) e a velocidade v0 pode ser calculado a partir da seguinte equação

(PEREIRA, 2008):

1

2

1

axa

a

dx

dc

(2)

As condições de contorno, considerando a possibilidade da ocorrência de núcleo morto

são apresentadas pelas seguintes equações:

0a

a

dx

dc para axa (3)

1ac para 1ax (4)

Onde, na Equação (3), a corresponde à posição adimensional a partir do centro da

partícula, delimitando a região na qual ocorre o núcleo morto.

Para a cinética de ordem zero, o fator de efetividade obtido analiticamente, para as

geometrias retangular, esférica e cilíndrica é dado pela seguinte equação (PEREIRA, 2008):

a1 (5)

Quando não ocorre núcleo morto, a = 0, o fator de efetividade é igual a 1, pois para a

cinética de ordem zero a velocidade de reação independe da concentração de reagente.

Para a cinética de ordem um, o fator de efetividade obtido analiticamente, para as

geometrias retangular esférica e cilíndrica, é dado pelas seguintes equações, respectivamente:

tanh (6)

12

)2(I

)2(I

0

1

(7)

23

1

3tanh

1

(8)

Onde, 0 e 1 são funções de Bessel modificadas de primeiro tipo e ordem zero e um,

respectivamente.

Segundo Peneireiro (1994), irá ocorrer núcleo morto apenas para cinéticas de ordem

inferior a 1. Entretanto, Pereira (2008) considerou necessário avaliar a ocorrência de um

núcleo morto prático, que consiste na região interna do catalisador a para a qual a

concentração de reagente, obtida utilizando métodos numéricos, seja igual a zero, pois ao se

resolver numericamente o problema para cinética de ordem 1, Pereira (2008) verificou a

ocorrência do núcleo morto para elevados valores de módulo de Thiele, o que está relacionado

ao erro computacional inerente a qualquer método numérico.

2.4. MÉTODO SHOOTING

Método shooting é uma entre várias outras técnicas para solução de problemas de

equações diferenciais envolvendo valores de contorno (REZENDE, 2007).

O método shooting consiste na utilização de um método numérico para a integração de

equações diferenciais ordinárias partindo-se de uma das condições de contorno (estimada à

priori), em conjunto com um método de solução de equações algébricas não lineares para

satisfazer a outra condição de contorno, no caso de uma equação de 2a ordem (PEREIRA,

2008).

Se o objetivo não for atingido, o problema não estará resolvido e a condição inicial

deverá ser ajustada. O parâmetro de shooting pode ser a derivada inicial ou valor inicial

(REZENDE, 2007).

13

2.4.1. Insucesso da Utilização do Método Shooting

No trabalho realizado por Pereira (2008) observou-se que o método Shooting,

apresentou problemas de convergência, para elevados valores de modulo de Thiele, para as

cinéticas de ordem zero (para a geometria esférica) e de primeira ordem(para todas as

geometrias clássicas), conforme apresentado na Figura 3, que consiste em um gráfico do fator

de efetividade em função do módulo de Thiele para as cinéticas de ordem zero (0) e de

primeira ordem (1) para as geometrias retangular (ret.), cilíndrica (cil.) e esférica (esf.) para os

resultados obtidos analiticamente (an.) e numericamente (num.).

Figura 3. Fator de efetividade em função do módulo de Thiele para as cinéticas de ordem

zero e um – método shooting (PEREIRA, 2008).

Na Figura 3 observa-se que, para o método shooting, foram obtidos valores de fator de

efetividade idênticos aos calculados utilizando a solução analítica, porém o método não foi

capaz de calcular o valor do fator de efetividade para elevados valores de ( >10) para a

cinética de ordem um, para todas as geometrias e para a cinética de ordem zero, para a

geometria esférica. Segundo Pereira (2008), o perfil simulado de concentração de reagente no

interior da partícula consistia de um valor de concentração constante e igual a zero, o que

desrespeita a condição de contorno na superfície da partícula.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,01 0,1 1 10 100

an.ret.0 num.ret.0 an.cil.0 num.cil.0 an.esf.0 num.esf.0

an.ret.1 num.ret.1 an.cil.1 num.cil.1 an.esf.1 num.esf.1

14

Ao avaliar o método shooting para cinéticas enzimáticas mais complexas para as quais

a solução analítica não pode ser obtida, Pereira (2008) verificou que o método shooting não

era capaz de calcular, de forma satisfatória, o fator de efetividade em várias condições, o que

acarretou na busca por outra metodologia mais complexa para a resolução do problema de

valor de contorno, e dentre as metodologias analisadas pelo autor, apenas o método da

colocação ortogonal em elementos finitos foi capaz de resolver satisfatoriamente o problema

de valor de contorno para todas as cinéticas estudadas naquele trabalho.

2.5. ALGORITMO GENÉTICO

Algoritmos genéticos consistem em modelos computacionais inspirados no

mecanismo de evolução natural, que incorporam uma solução potencial para um problema

específico da mesma forma que um cromossomo aplicando operadores de seleção,

reprodução, e mutação. Uma vantagem dos algoritmos genéticos é a simplificação que eles

permitem na formulação e solução de problemas de otimização (PACHECO, 1999;

MIRANDA, 2011).

O algoritmo genético se inspira na teoria de evolução de Charles Darwin, e de acordo

com essa teoria, a seleção para os mais aptos é privilegiada, tendo esses indivíduos maior

probabilidade de reprodução (PACHECO, 1999).

Para construção do algoritmo genético, esses princípios são imitados, por meio de

populações e soluções codificadas através de cromossomos artificiais, buscando uma melhor

solução para o problema (PACHECO, 1999).

A estrutura de um algoritmo genético, apresentada na Figura 4 começa com uma

população inicial aleatória de cromossomos. Essas estruturas são avaliadas e associadas a uma

probabilidade de reprodução sendo que maiores probabilidades são associadas aos

cromossomos que representam uma melhor solução para o problema de otimização do que

aqueles que representam uma pior solução (PACHECO, 1999; MIRANDA, 2011).

15

Figura 4. Estrutura de um algoritmo genético (MIRANDA, 2011).

A função objetivo de um problema de otimização é construída a partir dos parâmetros

envolvidos no problema. É essa função que permite o cálculo da aptidão bruta de cada

indivíduo, que será usada para calcular a probabilidade do indivíduo ser selecionada para

reprodução (MIRANDA, 2011).

Analisando a Figura 4, pode-se observar que a iteração do algoritmo genético

corresponde a quatro aplicações básicas: cálculo da aptidão, seleção, reprodução e mutação.

Depois de efetuadas essas operações é criada uma nova população que se espera que

represente uma melhor solução do problema de otimização. Essa nova população é chamada

de geração (MIRANDA, 2011).

Fim

Seleção

Mutação

Reprodução

Não

Sim Solução

encontrada?

Cálculo da aptidão

Início

Inicialização

da população

16

2.5.1. Inicialização da população

Aqui é determinado o processo de criação dos indivíduos para a primeira geração do

algoritmo genético. Normalmente, indivíduos criados aleatoriamente formam a população

inicial. Essa população pode ser formada por bons cromossomos para evoluir mais

rapidamente (PACHECO, 1999).

2.5.2. Cálculo da aptidão

Os indivíduos são avaliados para que se determine seu grau de aptidão. Indivíduos

mais aptos tem um maior grau de aptidão. Este é o ponto do algoritmo mais dependente do

problema em si. Aqui é necessário que o algoritmo seja capaz de responder se uma resposta é

boa ou não para o problema inicial (LUCAS, 2002).

2.5.3. Seleção

Nessa etapa os indivíduos são selecionados para o cruzamento. Aqui é realizado um

sorteio utilizando o grau de aptidão de cada um. Onde a probabilidade dos mais aptos serem

selecionados é maior (LUCAS, 2002).

O método da roleta é um método muito utilizado para a seleção, nesse método os

indivíduos são representados por uma fatia de tamanho proporcional a sua aptidão relativa.

Assim indivíduos com uma maior aptidão relativa têm uma fatia de tamanho maior na roleta,

e os indivíduos com menor aptidão relativa tem uma fatia pequena. A roleta então é girada

dependendo do tamanho da população. Os novos indivíduos sorteados são os escolhidos para

fazer parte da nova geração. Como representado na Figura 5 (PACHECO, 1999;

CARVALHO, 2012).

Figura 5. Indivíduos de uma população e sua correspondente roleta de seleção (PACHECO,

1999; CARVALHO, 2012).

17

2.5.4. Reprodução

Os indivíduos selecionados na etapa anterior são embaralhados e assim é formada uma

lista de parceiros. Os indivíduos são então cruzados com seus devidos parceiros criando assim

novos indivíduos que farão parte da nova geração. Os descendentes terão o material genético

dos seus pais, mas são diferentes dos mesmos, como demostrado na Figura 6 (PACHECO,

1999; MIRANDA, 2011).

Figura 6. Exemplo de um cruzamento. (a) dois indivíduos são escolhidos (b) um ponto de

crossover é escolhido (c) são recombinadas as características, gerando dois

indivíduos (CARVALHO, 2012).

2.5.5. Mutação

A mutação é necessária para haver diversidade genética da população, existem várias

formas de se efetuar essa operação.

A forma mais convencional consiste em, alterar facultativamente alguns dos

componentes de uma estrutura escolhida, como demostrado na Figura 7. Trazendo para a

população novos indivíduos (CARVALHO, 2012).

Figura 7. Exemplo de mutação (CARVALHO, 2012).

A mutação também pode ser efetuada através da troca de posição de dois genes

aleatoriamente escolhidos (PACHECO, 1999).

18

2.5.6. Parâmetros genéticos

Dentre os vários parâmetros que podem ser escolhidos para melhorar o desempenho

do algoritmo genético, os mais importantes são (PACHECO, 1999; MIRANDA, 2011):

Tamanho da população: Número de pontos do espaço de busca sendo

considerados em paralelo a cada ciclo.

Numero de gerações: Total de ciclos de evolução no algoritmo genético.

Probabilidade de cruzamento: Probabilidade de um indivíduo ser recombinado

com outro. Na literatura essa probabilidade está na faixa de 60 a 65%.

Probabilidade de mutação: Probabilidade do conteúdo de uma posição/gene do

cromossomo ser alterado. Na literatura essa probabilidade está entre 0,1 e 5%.

2.5.7. Finalização

A finalização ocorre por meio de um teste. O fim do processo de evolução se dá

quando o algoritmo atinge um ponto de parada pré-estabelecido. O critério de finalização

pode ser desde o número de gerações criadas até o grau de convergência da atual população

(por convergência entende-se o grau de proximidade dos valores da avaliação de cada

indivíduo da população) (LUCAS, 2002).

19

3. METODOLOGIA

Para a resolução numérica serão utilizados os métodos numéricos existentes no

software computacional Scilab ®, função “ode” na integração numérica e função “optim_ga”

para a otimização da condição de contorno utilizando algoritmo genético, ambas no seguinte

algoritmo proposto para o presente trabalho apresentado na Figura 8.

Figura 8. Fluxograma da metodologia utilizada para o cálculo do fator de efetividade, para a

avaliação da ocorrência do núcleo morto e para o cálculo do parâmetro relativo à

sua posição.

Parâmetros fornecidos:

- Módulo de Thiele ();

- Geometria ();

Valor inicial: Parâmetro relativo ao núcleo morto (a=0).

Método numérico para integração da equação:

- Shooting;

Algoritmo genético

Fixa a = 0 ;

Calcula ca ( para xa=0) que otimize a função

objetivo fobj (condição de contorno)

fobj=|ca( paraxa=1)-1|.

Resultados finais:

- Seleciona a função objetivo mais próxima de zero;

- Calcula o fator de efetividade e retorna os valores de a e de ca para xa=a.

Algoritmo genético

Fixa ca= 0 para xa=a ;

Calcula a que otimize a função objetivo fobj

(condição de contorno)

fobj=|ca( paraxa=1)-1|.

20

4. RESULTADOS

4.1. MÉTODO SHOOTING COM ALGORITMO GENÉTICO

A metodologia proposta, empregando-se o algoritmo genético, foi avaliada a partir de

comparações entre os resultados obtidos numericamente e aqueles obtidos analiticamente

conforme discutido a seguir.

Utilizando o programa elaborado a partir do algoritmo computacional descrito, foram

obtidos os resultados apresentados na Tabela 1, na qual estão apresentados: o fator de

efetividade calculado numericamente (ηn), e analiticamente (ηa), os valores do módulo de

Thiele crítico calculados numericamente (n) e analiticamente (a).

21

Tabela 1. Resultados obtidos utilizando método shooting com algoritmo genético para as

cinéticas de ordem zero e um.

Ordem α a n a ɳa ɳn

0 1 0,5 √ 1,4142 0 1 1

0 1 1 √ 1,4142 0 1 1

0 1 2 √ 1,4142 0,2929 0,7071 0,7071

0 1 4 √ 1,4142 0,6464 0,3536 0,3536

0 1 8 √ 1,4142 0,8232 0,1768 0,1768

0 2 0,5 1 1,0000 0 1 1

0 2 1 1 1,0000 0 1 1

0 2 2 1 1,0000 0,6184 0,6176 0,6176

0 2 4 1 1,0000 0,8173 0,332 0,3320

0 2 8 1 1,0000 0,9102 0,1715 0,1715

0 3 0,5 √ ⁄ 0,8165 0 1 1

0 3 1 √ ⁄ 0,8165 0,3870 0,9421 0,9421

0 3 2 √ ⁄ 0,8165 0,7409 0,5934 0,5934

0 3 4 √ ⁄ 0,8165 0,8770 0,3255 0,3255

0 3 8 √ ⁄ 0,8165 0,9399 0,1698 0,1698

1 1 0,5 - * 0 0,9242 0,9242

1 1 1 - * 0 0,7616 0,7616

1 1 2 - * - 0,482 -

1 1 4 - * - 0,2498 -

1 1 8 - * - 0,125 -

1 2 0,5 - 18,3477 0 0,8928 0,8928

1 2 1 - 18,3477 0 0,6978 0,6978

1 2 2 - 18,3477 0 0,4318 0,4318

1 2 4 - 18,3477 0 0,2338 0,2338

1 2 8 - 18,3477 - 0,1210 -

1 3 0,5 - 32,6911 0 0,8762 0,8762

1 3 1 - 32,6911 0 0,6716 0,6716

1 3 2 - 32,6911 0 0,4167 0,4167

1 3 4 - 32,6911 0 0,2292 0,2292

1 3 8 - 32,6911 - 0,1198 -

* O método não converge para elevados valores de módulo de Thiele,

impossibilitando a obtenção de um valor de n confiável.

Nota-se pela Tabela 1 que, apesar de não convergir para todos os casos, o

algoritmo genético associado ao shooting foi capaz de obter resultados idênticos aos

obtidos analiticamente.

22

A partir da metodologia utilizada, foi possível a obtenção de um gráfico do fator

de efetividade em função do módulo de Thiele para as cinéticas de ordem zero (0) e de

primeira ordem (1) para as geometrias retangular (ret.) cilíndrica (cil.) e esférica (esf.)

para os resultados obtidos analítica (an.) e numericamente (num.) apresentado na

Figura 9.

Figura 9. Fator de efetividade em função do módulo de Thiele para as cinéticas de ordem

zero e um – Shooting com Algoritmo genético.

A Figura 9 apresenta o mesmo problema obtido por Pereira (2008), o que indica

problemas no método de integração das equações. Quanto ao Algoritmo Genético, observa-se

que os resultados obtidos numericamente são idênticos aos analíticos o que indica que o

Algoritmo genético foi capaz de fazer o problema convergir para a solução adequadamente.

4.2. COLOCAÇÃO ORTOGONAL COM ALGORITMO GENÉTICO

Os resultados obtidos com o método da colocação ortogonal, utilizando a metodologia

proposta, estão apresentados na Tabela 2.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,01 0,1 1 10 100

an.ret.0 num.ret.0 an.cil.0 num.cil.0

an.esf.0 num.esf.0 an.ret.1 num.ret.1

an.cil.1 num.cil.1 an.esf.1 num.esf.1

23

Tabela 2. Resultados obtidos utilizando método da colocação ortogonal com algoritmo

genético para as cinéticas de ordem zero e um.

ordem α a n a ɳa ɳn

0 1 0,5 √ 1,4142 0 1 1

0 1 1 √ 1,4142 0 1 1

0 1 2 √ 1,4142 0,2929 0,7071 0,7071

0 1 4 √ 1,4142 0,6464 0,3536 0,3536

0 1 8 √ 1,4142 0,8232 0,1768 0,1768

0 2 0,5 1 1,0000 0 1 1

0 2 1 1 1,0000 0 1 1

0 2 2 1 1,0000 0,6184 0,6176 0,6176

0 2 4 1 1,0000 0,8173 0,332 0,3320

0 2 8 1 1,0000 0,9102 0,1715 0,1715

0 3 0,5 √ 0,8165 0 1 1

0 3 1 √ /3 0,8165 0,3870 0,9421 0,9421

0 3 2 √ /3 0,8165 0,7409 0,5934 0,5934

0 3 4 √ /3 0,8165 0,8770 0,3255 0,3254

0 3 8 √ /3 0,8165 0,9406 0,1698 0,1655

1 1 0,5 - 11,5076 0 0,9242 0,9242

1 1 1 - 11,5076 0 0,7616 0,7616

1 1 2 - 11,5076 0 0,482 0,482

1 1 4 - 11,5076 0 0,2498 0,2498

1 1 8 - 11,5076 0 0,125 0,125

1 2 0,5 - 25,3817 0 0,8928 0,8928

1 2 1 - 25,3817 0 0,6978 0,6978

1 2 2 - 25,3817 0 0,4318 0,4318

1 2 4 - 25,3817 0 0,2338 0,2338

1 2 8 - 25,3817 0,238 0,1210 0,1210

1 3 0,5 - 23,3568 0 0,8762 0,8762

1 3 1 - 23,3568 0 0,6716 0,6716

1 3 2 - 23,3568 0 0,4167 0,4167

1 3 4 - 23,3568 0,065 0,2292 0,2291

1 3 8 - 23,3568 0,395 0,1198 0,1196

Os resultados apresentados na Tabela 2 mostram que o método da colocação ortogonal

foi capaz de calcular, com boa precisão, o fator de efetividade e a posição do núcleo-morto

para a cinética de ordem zero. Para a cinética de primeira ordem observa-se a ocorrência de

núcleo-morto, o que, pela solução analítica não ocorre. Porém, mesmo na para a solução

24

analítica, para elevados valores de módulo de Thiele, a concentração no interior da partícula

se aproxima de zero em uma parte do catalisador, porém, devido ao erro computacional e dos

métodos utilizados, verifica-se a ocorrência de um núcleo-morto prático para elevados valores

de módulo de Thiele para a cinética de primeira ordem quando resolvida numericamente, o

que já foi descrito e discutido no trabalho de Pereira, 2008. Dessa forma, utilizando-se o

método da colocação ortogonal foi possível obter o fator de efetividade para qualquer módulo

de Thiele, conforme mostrado na Figura 10.

Figura 10. Fator de efetividade em função do modulo de Thiele para as cinéticas de ordem

zero e um – colocação ortogonal com algoritmo genético

A Figura 10 não apresenta o problema obtido por Pereira (2008), o que indica que o

algoritmo genético associado ao método da colocação ortogonal global resolveu os problemas

causados pela metodologia utilizada no referido trabalho que utilizava na busca da solução os

métodos de Newton-Raphson e da bissessão. Dessa forma, pode-se utilizar o algoritmo

genético em conjunto com o método da colocação ortogonal global ao invés de se utilizar o

método da colocação ortogonal em elementos finitos, que gera um grande número de

equações não lineares a ser resolvido, tornando mais trabalhoso o processo de programação.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,01 0,1 1 10 100

an.ret.0 num.ret.0 an.cil.0 num.cil.0an.esf.0 num.esf.0 an.ret.1 num.ret.1an.cil.1 num.cil.1 an.esf.1 num.esf.1

25

5. CONCLUSÕES

A partir dos resultados obtidos durante a avaliação da metodologia proposta permitem

concluir que:

O método shooting, apresentou problemas de convergência, não sendo capaz de

resolver o problema de valor de contorno para todos os casos;

É possivel resolver o problema de valor de contorno utilizando o algoritmo

genético para a estimativa da posição do núcleo-morto para o método da

colocação ortogonal global, eliminando dessa forma a necessidade da utilização

do método da colocação ortogonal em elementos finitos;

A desvantagem do algoritmo genético em comparação com os métodos da

bisseção e de Newton-Raphson é o maior tempo de processamento necessário,

porém, o maior tempo de processamento é compensado pelo número de respostas

obtidas, pois enquanto o método da bisseção e o de Newton-Raphson possibilitam

a abtenção de uma única resposta, o algoritmo genético gera uma população de

respostas, da qual podemos retirar o melhor resultado da população, ou em casos

que possibilitem mais de uma resposta, permitindo retirar as melhores respostas

distintas entre si.

26

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ao problema de determinação do núcleo morto em catalisadores porosos. Lorena – SP, 2007

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solução do problema de determinação do núcleo morto em catalisadores porosos. Lorena –

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CALDAS, F. V., modelagem de problemas de reação em catalisadores porosos

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isotérmico e transiente. 2006. 80f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Escola de

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1994. 120 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Ciências Exatas e de

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27

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