Modelagem, simulação e controle de reatores cataliticos de leito fixo

Neste trabalho são apresentados modelos pseudo-homogêneos bi e unidimensionais de reatores catalíticos de leito fixo, os quais incorporam as capacidades térmicas do fluido e do sólido, (pCp)f e (pCp)s, respectivamente. Os modelos propostos reproduzem o comportamento dinâmico esperado de um reator catalítico de leito fixo, inclusive o fenômeno da resposta inversa. A solução dos modelos bidimensionais geralmente requerem excessivo tempo computacional, uma vez que uma descrição detalhada das variáveis é levada em conta na formulação do modelo, resultando em modelos matemáticos de difícil solução. Para superar esta dificuldade, fez-se uso de técnicas de redução de modelos, as quais permitem gerar modelos com dimensões espaciais menores (com redução dimensional) ou cuja solução se torna menos complexa (sem redução dimensional). Portanto, neste trabalho também é apresentado um estudo comparativo do desempenho destas técnicas. Com relação aos modelos reduzidos, alguns apresentaram uma boa concordância com o modelo bidimensional, possibilitando a utilização segura e rápida dos mesmos para estudos de controle e otimização. Outro estudo realizado neste trabalho foi a análise de sensibilidade paramétrica do reator catalítico de leito fixo visando obter o conhecimento dos efeitos primários e de interação dos parâmetros operacionais do reator necessários à implementação da estratégia de controle no reator de forma adequada. Para obter estes conhecimentos utilizou-se o método do planejamento fatorial, o qual foi capaz de captar os efeitos primários e de interação no comportamento dinâmico do reator. Outro detalhe importante é que o método do fatorial completo forneceu também os efeitos ao longo do tempo, conhecimento este não disponível quando se utiliza, por exemplo, o método do RGA. Finalmente, após o desenvolvimento de modelos dinâmicos adequados para aplicações em tempo real e de posse dos conhecimentos do comportamento dinâmico e da análise de sensibilidade paramétrica, realizou-se o estudo da análise de desempenho de alguns algoritmos de controle avançados. Utilizou-se para o estudo da análise de desempenho dos controladores avançados, os algoritmos de controle preditivos, DMC ("Dynamic Matrix Control") e GPC ("Generalized Predictive Control"), e o adaptativo preditivo, STGPC (GPC acoplado ao identificador de parâmetros RLS), tanto na forma monovariável, SISO, como multivariável, MIMO. Estes controladores também foram comparados com o controlador clássico PI. Observou-se que os controladores GPC e STGPC proporcionaram os melhores resultados, mostrando a necessidade de se utilizar controladores avançados para obter um comportamento seguro e eficiente do reator catalítico de leito fixoIn this work, pseudo-homogeneous bi- and uni-dimensional fixed bed catalytic reactors are presented. Such models incorporate the fluid and solid thermal capabilities, (pCp)f e (pCp)s, respectively. The proposed models reproduce a dynamic behaviour expected in a fixed bed catalytic reactor, including the inverse response phenomenon. The bi-dimensional models solution usually requires excessive computing (CPU) time since a detailed description of the variables is considered in the formulation of the model, which results in mathematical models of difficult solution. To circumvent this difficulty, techniques of model reduction were used, which permitted the generation of smaller space dimensions (with dimension reduction) or whose solution is less complex (without dimension reduction). Therefore, a comparative work of both techniques performance is also presented in this work. Some of the reduced models presented a good agreement with the bi-dimensional model, thus enabling their safe and fast utilization for studies of control and optimization. Another study performed in this work was the parametric sensitivity analysis of the fixed bed catalytic reactor, with the purpose of knowing the primary effects and the interaction of the reactor operating parameters, which are necessary for the implementation of a suitable control strategy. A method of factorial planning was used to acquire this knowledge. It was capable of getting the primary and interaction effects on the reactor dynamic behaviour. Another important detail is that the complete factorial method also provided some effects against time; this kind of knowledge is not available when the method RGA is used. Last, with the development of dynamic models for applications in real time and with the knowledge of the dynamic behaviour and the parametric sensitivity analysis, an analysis of the performance of some advanced control algorithms was made. In the study of the analysis of the performance of advanced controllers, the control algorithms used were predictive, DMC and GPC, and adaptive predictive, STGPC (GPC coupled to the parameters identifier RLS), both in the monovariable (SISO) and multivariable (MIMO) forms. These controllers were also compared to the classic controller PI. It was observed that the controllers GPC and STGPC provided the best results, showing the need of using advanced controllers to obtain a reliable and efficiente behaviour for the fixed bed catalytic reacto