Minimização dos transientes através do aquecimento distribuído em uma coluna de destilação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia QuímicaMudanças das condições de mercado e operação das plantas industriais em condições limites, tornam extremamente difícil a manutenção dos processos envolvidos nestas plantas nos pontos de máxima lucratividade. Colunas de destilação requerem sistemas de controle ajustados para rejeitar rapidamente perturbações em virtude dos volumes processados e dos custos operacionais envolvidos. Entretanto, o comportamento não-linear apresentado pelas colunas de destilação, associado ao acoplamento das variáveis, restrições na operação, constantes de tempo elevadas e a presença de atraso na resposta geram transientes elevados quando o processo é perturbado, mesmo com um sistema de controle bem ajustado. Normalmente o controle das colunas de destilação é realizado de forma centralizada na base e no topo. A proposta de introduzir aquecimentos distribuídos em uma torre de destilação tem o intuito de minimizar os transientes decorrentes de mudanças na alimentação do processo. O objetivo desta dissertação foi realizar um estudo da estratégia de controle baseada em aquecimentos em pontos intermediários de uma coluna de destilação usando resistências elétricas em cada prato. Esta nova abordagem teve a finalidade de minimizar os transientes da operação e fazer uma avaliação da distribuição do calor e do gasto energético do processo. Para avaliação da nova configuração de controle com ações distribuídas, foram realizados experimentos com a mistura de etanol e água. Nestes experimentos se perturbou a temperatura, vazão e composição da corrente de alimentação, e se avaliou respostas como tempo de transição, oscilações e retorno ao valor desejado, além da carga energética. As respostas foram comparadas com as do processo convencional (controle na base e no topo). Os resultados mostraram a redução do tempo de transição da coluna, das oscilações nas variáveis controladas e retorno ao ponto de operação rejeitando a perturbação quando utilizada a abordagem proposta. Para a perturbação na composição da alimentação foi observada a distribuição de calor entre o refervedor e a resistência quando utilizada a abordagem distribuída, sendo a carga térmica total requerida do processo a mesma para as duas configurações. Essa distribuição proporcionou uma redução do transiente em aproximadamente uma hora. Foram realizadas simulações com software comercial Hysys.Process® com a finalidade de elucidar efeitos que não podem ser determinados experimentalmente e também com o propósito de confrontar os valores dos calores obtidos pelo balanço simplificado de energia, verificou-se boa concordância. Com isso concluiu-se que a introdução de pontos de aquecimentos intermediários melhora o desempenho do processo em termos de redução de transientes com a possibilidade de diminuir o gasto energético. Changes of market conditions and the operation of industrial plants at limit conditions, turn extremely difficult the maintenance of the processes involved in these plants at the points of maximal profitability. Due to the processed volumes and to the involved operational costs distillation columns require control systems adjusted to reject disturbances quickly. However, the no-linear behavior presented by the distillation columns, associated to variable coupling, operation restrictions, high time constants and presence of delay in the answer generates high transients when the process is disturbed, even with a well adjusted control system. The control of distillation columns is usually centralized at the bottom and top variables, increasing therewith the response time. The proposal of introducing distributed heating in a distillation tower (column) aims to minimize transients caused by changes in the process feed stream. Disturbances in the feed stream are transmitted along the whole column generating a quite long transient on some trays, as the control action is only applied at the bottom and at the top of the column. The goal of this dissertation was to carry out a study of the control strategy based on heating points, using electrical resistances, on intermediate trays of a distillation column. With this new approach it is aimed to minimize the operation transients and to evaluate the process energy. In order to evaluate the new control configuration with distributed actions, experiments with an ethanol and water mixture were carried out. In these experiments disturbances were introduced in the temperature, the flow rate and the composition of the feed stream, and responses like the transition time, oscillations and return to the desired value were evaluated, besides the energy load. The responses were compared with those of the conventional process (control applied at the bottom and at the top). The results showed the reduction of the transition time of the column, of the oscillations on the controlled variables and the return to the operation point rejecting the disturbance when the proposed approach was used. For the disturbance on the feed composition it was observed that the heat was distributed between the bottom and the resistance when the distributed approach was used, as the total required thermal load of the process was the same for both configurations. This distribution allowed reducing the transient in approximately one hour. Simulations with the commercial software Hysys.Process® were carried out with the purpose of elucidating effects that cannot be verified experimentally and to compare the results with the values of the energy loads obtained by the simplified experimental methodology, a good agreement was observed. With this, it was verified that the introduction of intermediate heating points improves the process performance in terms of transient reduction with the possibility of reducing the required energy