Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Mudanças 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.

[pt] Com a crescente demanda – nacional e internacional – por biocombustíveis e a pressão internacional para redução da emissão de gases de efeito estufa, o Brasil teria muito a ganhar, do ponto de vista econômico e ambiental, com um aumento na eficiência e oferta de biocombustíveis. O advento da produção de biocombustíveis produzidos em fazendas de alga possibilita uma relação de simbiose com usinas de cana-de-açúcar. Tais algas se alimentam, entre outras substâncias, de dióxido de carbono, e a abundante biomassa de cana queimada em caldeiras, aliada à incidência solar privilegiada no Brasil, fazem da utilização de algas em usinas de cana uma possibilidade de conversão de emissões de gás de efeito estufa em biocombustível. Essa dissertação tem como objetivo estimar o resultado da implantação de uma fazenda de algas em uma usina de cana-de-açúcar. A usina em questão sofreu vistoria e fez-se o levantamento da produção de energia renovável e as emissões atmosféricas dos principais gases de efeito estufa (CH4, N2O e CO2), através da metodologia de Avaliação de Ciclo de Vida (ACV). A meta, a partir desta análise e com o uso de dados primário de uma empresa que instala fazendas de alga, é estimar o acréscimo de biocombustível gerado por algas e o decréscimo das emissões de GEE no processo produtivo. Os resultados obtidos na Usina Estudada mostram que caso a mesma implantasse uma fazenda de algas em seu parque industrial, sua eficiência energética na produção de energia através do etanol quase triplicaria ao passo em que emitiria quatro vezes menos poluentes em sua cadeia de produção. Caso a usina optasse por gerar exclusivamente Biodiesel, produziria Biodiesel (B100) para 19 anos de subsistência com um combustível 78,4 por cento menos poluente em termos de GEE. Aproximações mostram que caso a totalidade da lavoura de cana implante fazendas de algas no Brasil, apenas o Biodiesel gerado neste processo seria equivalente à quase 70 por cento da produção Brasileira de diesel de 2012. / [en] With the demand for Biofuels growing – in Brazil and abroad – and with worldwide efforts to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, Brazil would have much to gain, from an environmental and economic point of view, from increasing the efficiency and offer of biofuels. The advent of biofuels produced in algae farms enabled a symbiotic relationship with ethanol plants. Such algae feeds off, among other things, Carbon Dioxide, and the abundant biomass burned in ethanol plants boilers, along with Brazil s privileged solar incidence, and this regime permits such farms to convert GHG to biofuel. The objective of this study was to investigate an ethanol plant as a productive system to understand how the addition of an algae farm could change the status quo of energy efficiency and emission of pollutant gases. The system analyzed includes the sugarcane sowing, the plantation handling, the harvesting, the industrial activities, and the Ethanol distribution. The goal, from this analysis and using primary data from a company that installs algae farms, is to estimate the increase of biofuel generated by algae and decrease GHG emissions in the production process. The results obtained in Plant Studied show that an algae farm in its industrial grounds would better its energy efficiency in almost threefold, while generating four times less atmospheric pollution in their production chain. If the plant chose to produce exclusively Biodiesel, production of B100 Biodiesel would be enough for the industry s diesel needs for 19 years, with a 78.4 percent cleaner fuel in terms of GHG emissions. Approximations show that if all the sugar cane fields implant algae farms in Brazil, the Biodiesel generated in this process would be equivalent to almost 70 percent of the Brazilian production of diesel from 2012.