Este trabalho aborda a predição da eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers de uma coluna de destilação industrial, através do uso de diferentes modelos com e sem o uso do método Stagnant Regions Model proposto por Lockett em 1986. Contrariando o esperado, poucos artigos foram publicados sobre as principais características de pratos valvulados e bem menos sobre eficiência de pratos valvulados de dois passes. Os resultados encontrados sugerem que a correlação de O'Connell, o modelo de Chan e Fair aplicado aos pratos valvulados de dois passes convertidos para um passe e o modelo de Chan e Fair com uso do método SRM são os que melhor predizem a eficiência de pratos valvulados de dois passes, de escoamento cruzado com downcomers, no caso estudado.Em consonância com os estudos prévios, a correlação de O'Connell subestima o valor da eficiência, mostrando-se levemente conservativa, enquanto as predições pelo uso do modelo de Chan e Fair e do modelo modificado de Chan e Fair com uso do comprimento equivalente proposto por Klemola e Ilme superestimam o valor da eficiência, mostrando-se levemente não-conservativas. / This work approaches the prediction of the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers of an industrial distillation column, through the use of different models with and without the use the Stagnant Regions Model, method proposed by Lockett in 1986.Contradicting what it could be expected, few papers were published about the main characteristics of valve trays and fewer about efficiency of two passes valve trays. The results suggest that the O'Connell's correlation, the model of Chan and Fair applied to the two passes valve trays converted for one pass valve tray and the model of Chan and Fair with SRM method are those that best predict the efficiency of two passes, crossflow valve trays with downcomers. In consonance with the previous published studies, the O'Connell'correlation underestimates the value of the efficiency, showing a slightly conservative value, while the predictions using Chan and Fair model and the modified Chan and Fair model with equivalent length proposed by Klemola and Ilme overestimates the value of the efficiency, showing a slightly non-conservative results.

O aumento do custo e da demanda de energia, juntamente com a escassez de recursos não renováveis e o crescente apelo para a sustentabilidade dos processos, incentiva o desenvolvimento de equipamentos e sistemas mais eficientes mediante a otimização e o controle dos recursos energéticos disponíveis. A proposta deste trabalho consiste em estabelecer uma abordagem termodinâmica para o controle e a otimização de processos visando o aumento da eficiência na operação dos mesmos. Para tanto, foi desenvolvido um problema de controle ótimo formulado com base no critério de eficiência termodinâmica de acordo com a 2ª Lei, com o objetivo de otimizar a transição entre estados com respeito a taxa de geração de entropia do sistema, mantendo as variáveis controladas como restrições de desigualdade dependentes do tempo. A estratégia proposta, chamada COBET (controle baseado na eficiência termodinâmica), foi aplicada a uma coluna de destilação binária para controlar a pureza do destilado e do produto de fundo, manipulando a razão de refluxo e a taxa de transferência de calor do refervedor. O COBET apresentou ajuste simples, tempo computacional razoável e desempenho de controle aceitável, quando comparado com controladores convencionais. Foi proposta uma estratégia alternativa, de modo a aprimorar o COBET, chamada R-COBET, que consiste no uso de restrições adicionais que garantem que as variáveis de controle permaneçam entre o estado inicial e final. O R-COBET obteve um desempenho aceitável, menor integral do erro quadrático das variáveis de controle e maior lucro, quando comparado ao COBET. A fim de demonstrar a aplicabilidade da metodologia proposta a outras funções objetivo, uma função empírica de eficiência baseada na 1ª Lei da Termodinâmica foi determinada e utilizada no problema de controle ótimo, sujeito às mesmas restrições consideradas no controlador R-COBET. Também se aplicou a metodologia proposta a um reator CSTR com o intuito de controlar a temperatura e a concentração do produto, considerando-se o controlador na forma R-COBET, e obteve-se um desempenho similar ao do estudo da coluna de destilação. Com estas análises, concluiu-se que a metodologia proposta pode ser aplicada com sucesso a problemas de controle ótimo com estados final e inicial definidos. / The increasing demand of energy and its rising costs, in addition to the non-renewable resources depletion and to the growing interest in the sustainability in industrial processes, stimulate the development of equipment and systems that are more efficient through the control and optimization of available energy resources. The purpose of this work is to establish a thermodynamic approach to process control and optimization, in order to improve operational efficiency. To this end, it is developed in this work an optimal control problem formulated on the basis of a thermodynamic efficiency criterion, as dictated by the 2nd Law. The principle is to optimize the transition between states with respect to thermodynamic efficiency – regarded as the square of entropy generation rate – while maintaining the controlled variables as time dependent inequality constraints. The proposed strategy, called here TEBC (Thermodynamic Efficiency Based Control) was applied to a binary distillation column in order to control distillate and bottom product purities within specifications while manipulating the reflux ratio and reboiler heat transfer rate. When compared to other controllers, TEBC presented practical tuning, reasonable computational time and acceptable control performance. An alternative strategy was also proposed in order to improve TEBC, called R-TEBC, which considers additional constraints to ensure that control variables remain between the initial and final states. The R-TEBC achieved acceptable performance, smaller integral squared error in the control variables and larger profit, when compared to TEBC. In order to demonstrate the applicability of the proposed methodology to other objective functions, an empirical efficiency function was proposed for the distillation column example and used in the optimal control problem, in the form of a R-TEBC controller. Moreover, an exothermic CSTR reactor with product concentration and reactor temperature as controlled variables was also studied, using additional constraints (R-TEBC), and the results was similar to those obtained in the distillation column. With this analysis, it was concluded that the proposed methodology can be applied to optimal control problems of this kind with fixed initial and final states.

Este trabalho apresenta todos os passos para a implementação de técnicas de controle preditivo em uma coluna de destilação. Inicialmente a tese introduz basicamente o funcionamento e a meta do processo de destilação. Modelos linearizados em tempo contínuo da coluna de destilação são obtidos a partir de ensaios experimentais da coluna em diferentes pontos de operação. Com base nestes modelos, várias topologias de controladores preditivos baseados em modelo são implementadas. Um otimizador em tempo real é integrado aos controladores preditivos para a redução do custo operacional da planta. Resultados simulados e resultados experimentais de todas as topologias de controladores preditivos estudados são apresentados. / This work presents all the steps to the implementation of predictive control techniques in a distillation column. First the thesis basically introduces the working and the goal of the distillation process. Linearized models in continuous time of the distillation column are obtained from experimental tests of the column in different operating points. Based on this models, several model based predictive controllers topologies are implemented. A real time optimizer is integrated with the predictive controllers to the reduction of the plant operational cost. Simulated results and experimental results of all studied predictive controllers topologies are presented.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-12T16:25:13Z No. of bitstreams: 1 ARIOSTON ARAÚJO DE MORAIS JÚNIOR - TESE PPGEQ 2015..pdf: 4075446 bytes, checksum: 58c7745e3f0cf289b5f5d0a0a774ed88 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-12T16:25:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ARIOSTON ARAÚJO DE MORAIS JÚNIOR - TESE PPGEQ 2015..pdf: 4075446 bytes, checksum: 58c7745e3f0cf289b5f5d0a0a774ed88 (MD5) Previous issue date: 2015-11-06 / Neste trabalho é proposta uma metodologia para construção de sensores virtuais implementados em software, com objetivo de estimar e prever o comportamento de impurezas na corrente de base de uma coluna de destilação de alta pureza, do processo produtivo do 1,2 Dicloroetano (C2H4Cl2). A aquisição dos dados utilizados na construção dos sensores virtuais foi realizada através do modelo matemático do processo, simulado com dados reais de uma planta industrial. O estudo específico engloba a modelagem matemática/termodinâmica e avaliação do comportamento estacionário e dinâmico dessa torre, simulada aqui no software Aspen Plus e DynamicsTM. Desse modo, o modelo fornece os dados necessários para inferência das impurezas relacionadas, que são os teores dos compostos tetracloreto de carbono (CCl4) e clorofórmio (CHCl3), ambos devem ser mantidos, respectivamente, em valores ≤3000 e ≤400 ppm (partes por milhão). A metodologia também aborda dois algoritmos de seleção de variáveis secundárias, que utilizam técnicas estatísticas multivariadas (algoritmo de todas as regressões possíveis-TRP e da análise de componentes principais-PCA). Verifica-se também nos dados gerados quanto a real ou não necessidade de remoção de erros grosseiros (outliers), por isso é também inserida na metodologia uma etapa de pré-processamento de dados. Foram selecionados os dez melhores modelos de inferência para cada uma das saídas. Diante dessa informação, os melhores modelos produzidos não utilizavam as concentrações dos compostos das correntes de alimentação e sim medições de temperaturas ao longo da torre. Uma importante conclusão do ponto de vista de construção de sensores virtuais, porque na maioria dos trabalhos desenvolvidos essas variáveis são cruciais na produção de bons resultados. O treinamento dos sensores virtuais foi efetuado em um ambiente ruidoso, haja vista que foram simulados ruídos inerentes às medições (ruídos brancos Gaussianos). Na etapa final, os sensores virtuais são construídos utilizando uma técnica de modelagem empírica, redes neurais artificiais (RNA), onde foram utilizadas RNA do tipo Perceptron Multicamadas (MLP). Foram também avaliadas diversas variações quanto ao número de neurônios e camadas ocultas das RNA, empregando como critério de parada a técnica de validação cruzada. Os sensores virtuais desenvolvidos apresentaram erros satisfatórios do ponto de vista de engenharia, uma boa análise de regressão e um bom erro médio quadrático. Logo, com essas estimativas espera-se a minimização e a previsão do comportamento transiente dos compostos no referido processo. / This work proposes a methodology for software implementation to make soft sensors. The goal is to estimate and predict the behavior of impurities in the bottom current of a highpurity distillation column, for 1,2-Dichloroethane or 1,2-DCE (C2H4Cl2) production. The data acquisition used in the construction of soft sensors was performed through a mathematical simulation of the process, with real industrial data taken from an industrial plant. A specific study involves the mathematical modeling, thermodynamics, evaluation of the steady state and the dynamic behavior of this process, simulated here in Aspen Plus and Aspen DynamicsTM software. Thus, the model provides the necessary data to infer the contents of the carbon impurities mentioned above, Tetrachloride (CCl4) and Chloroform (CHCl3), which are to be fixed approximately below 3000 and 400 ppm (parts per million) respectively. The methodology also covers selection algorithms of secondary variables, using multivariate statistical techniques: All Possible Regressions (TRP) and Principal Component Analysis (PCA). The data generated was checked in order to know whether to include or not a step for removal of outliers, so it was also included in the methodology one preprocessing data step. The ten best inference models were selected for each output concentration. With this information, these models do not use concentrations measurements in the feed streams but measurements of the temperature along the column. This is an important conclusion from the point of view of virtual sensors building, because in most of the literature reported these variables are crucial in getting good results. The training of soft sensors was done in a noisy environment, considering that simulated noise was inherent to measurements (Gaussian noise). In the final step, the soft sensors devices are constructed using an empirical modeling technique of artificial neural networks (ANN), which were generated ANN type Multilayer Perceptron (MLP). Several variations were also evaluated on the number of neurons and hidden layers of networks, employing as a stopping criterion the cross-validation technique. The developed soft sensors presented satisfactory errors from the engineering viewpoint, a good regression and a good mean square error. Finally, with these estimations it is expected to minimize and predict the transient behavior of the compounds in the referred process.

Um problema-chave envolvendo processos químicos industriais é controlar, de forma confiável, eficiente e barata, a evolução dinâmica do sistema. Numa coluna de destilação, por exemplo, o objetivo do controle é manter a composição do destilado e do produto de fundo em torno de um valor desejado. As dificuldades operacionais e o alto custo dos analisadores industriais, existentes no mercado, usados na medição da composição têm motivado o projeto de sensores virtuais (soft sensors) para que, a partir de outras medições disponíveis, seja possível inferir de maneira online os valores das variáveis desejadas. Por outro lado, as redes neurais artificiais têm sido utilizadas em diversas aplicações práticas de engenharia, sendo possível usá-las para resolver problemas industriais complexos. Elas possuem diversas características que as fazem particularmente atrativas em aplicações envolvendo sistemas multivariáveis não lineares. Nesse trabalho, um estimador dinâmico virtual baseado em redes neurais é usado para inferir a composição de etanol destilado com base na temperatura e na pressão no interior da coluna, além das vazões de refluxo, do vapor no refervedor e da alimentação. Os resultados desse estudo poderão ser utilizados no desenvolvimento de futuros projetos envolvendo sensores virtuais aplicados ao controle e à otimização de processos industriais. / A key problem involving industrial chemical processes is to control the dynamic evolution of the system in a reliable, efficient and low cost way. In a distillation column, for example, the control objective is to keep the composition of both distillate and bottom product around a desired value. The operational difficulties and high cost of concentration analyzers, used for measuring the composition, have motivated the design of virtual sensors (soft sensors). They are used, in an online way, to infer the values of the desired variables from other available measurements. On the other hand, artificial neural networks have been used for solving many practical engineering applications involving complex industrial problems. They have several features, making them particularly attractive to applications involving nonlinear multivariable systems. In this work, a virtual estimator based on a dynamic neural network is used to infer the composition of distilled ethanol. Temperature and pressure within the column, and the flows of steam and reflux are used as inputs for the neural network. The results of this study can be used to develop future projects involving virtual sensors applied in control and optimization of industrial processes.

Um problema-chave envolvendo processos químicos industriais é controlar, de forma confiável, eficiente e barata, a evolução dinâmica do sistema. Numa coluna de destilação, por exemplo, o objetivo do controle é manter a composição do destilado e do produto de fundo em torno de um valor desejado. As dificuldades operacionais e o alto custo dos analisadores industriais, existentes no mercado, usados na medição da composição têm motivado o projeto de sensores virtuais (soft sensors) para que, a partir de outras medições disponíveis, seja possível inferir de maneira online os valores das variáveis desejadas. Por outro lado, as redes neurais artificiais têm sido utilizadas em diversas aplicações práticas de engenharia, sendo possível usá-las para resolver problemas industriais complexos. Elas possuem diversas características que as fazem particularmente atrativas em aplicações envolvendo sistemas multivariáveis não lineares. Nesse trabalho, um estimador dinâmico virtual baseado em redes neurais é usado para inferir a composição de etanol destilado com base na temperatura e na pressão no interior da coluna, além das vazões de refluxo, do vapor no refervedor e da alimentação. Os resultados desse estudo poderão ser utilizados no desenvolvimento de futuros projetos envolvendo sensores virtuais aplicados ao controle e à otimização de processos industriais. / A key problem involving industrial chemical processes is to control the dynamic evolution of the system in a reliable, efficient and low cost way. In a distillation column, for example, the control objective is to keep the composition of both distillate and bottom product around a desired value. The operational difficulties and high cost of concentration analyzers, used for measuring the composition, have motivated the design of virtual sensors (soft sensors). They are used, in an online way, to infer the values of the desired variables from other available measurements. On the other hand, artificial neural networks have been used for solving many practical engineering applications involving complex industrial problems. They have several features, making them particularly attractive to applications involving nonlinear multivariable systems. In this work, a virtual estimator based on a dynamic neural network is used to infer the composition of distilled ethanol. Temperature and pressure within the column, and the flows of steam and reflux are used as inputs for the neural network. The results of this study can be used to develop future projects involving virtual sensors applied in control and optimization of industrial processes.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-16T18:20:30Z No. of bitstreams: 1 ANGELA LUCÍNIA URTIGA VASCONCELOS - TESE PPGEQ 2015..pdf: 3505212 bytes, checksum: 24fcdf4a2acef884f73f1502723a100d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-16T18:20:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ANGELA LUCÍNIA URTIGA VASCONCELOS - TESE PPGEQ 2015..pdf: 3505212 bytes, checksum: 24fcdf4a2acef884f73f1502723a100d (MD5) Previous issue date: 2015-08 / Capes / As operações de processos químicos periodicamente são interrompidas para realização de procedimentos de manutenção preventiva e/ou corretiva nos equipamentos que fazem parte do processo. Após a parada e as etapas do comissionamento dos equipamentos, dá-se início a operação de partida. A operação de partida dos processos químicos, em especial das colunas de destilação, é uma das etapas mais complexas observadas na prática industrial. O procedimento de partida de uma coluna de destilação pode levar desde algumas horas até dias para atingir o estado estacionário. Quanto maior o tempo necessário para que a operação da coluna alcance o regime estacionário, maior será a quantidade de produtos fora de especificação e maior será o consumo de energia, o que eleva os custos da operação. Embora a operação de partida seja uma etapa de extrema importância nas plantas químicas, ainda é pouco o número de pesquisas realizadas com relação a esse tema. Além disso, não foi encontrado na literatura consultada nenhum trabalho sobre a operação de partida dos sistemas de colunas de destilação termicamente acopladas. O sistema estudado consiste de duas colunas de destilação interconectadas por duas correntes, uma corrente no estado vapor e outra no estado líquido, onde uma das colunas é do tipo extrativa, utilizada para a separação da mistura azeotrópica etanol-água, e a outra é uma coluna de recuperação do solvente etilenoglicol. O presente trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de procedimento de partida para o sistema de destilação extrativa termicamente acoplado estudado. Foi avaliado o comportamento dinâmico do sistema durante a operação de partida, bem como o efeito da variação do perfil da vazão do vapor de aquecimento no refervedor sobre o tempo total da partida, do efeito da composição da corrente de alimentação da coluna de recuperação sobre o tempo total da partida e do efeito do instante de alimentação do solvente na coluna extrativa sobre o tempo total da partida. A partir dos resultados e das análises realizadas, foi observado que a coluna de recuperação é quem demanda mais tempo para que a operação de partida do sistema seja concluída, logo quanto menor a quantidade de etanol que é alimentada na coluna de recuperação, menor o tempo total da partida do sistema. Foi observado também, que o solvente deve ser alimentado desde o início da operação de partida, pois quanto mais tardia a alimentação do solvente na coluna extrativa, maior é o tempo total da partida. / Preventive and/or corrective maintenance procedures in equipment’s process operations provoke periodically shut down in the plants. After the maintenance and commissioning step conclusions, initiate the equipment’s startup operation. The start-up operation of chemical processes, in particular distillation columns, is one of the most complex operations in industrial practice. The start-up procedure of a distillation column occurs in few hours or can to wait days to reach steady state. The longer the time required for the operation of the column reaches the steady state, the greater the amount of off-spec product and greater energy consumption. Therefore, the starting operation has a significant impact on operating costs. Although the startup operation is a step of great importance in chemical plants, still is little the number of researches performed with respect to this subject. Moreover, the literature focuses on startup conventional distillation columns. To fill this gap, this work focused startup distillation column thermally coupled. The system studied consists of two distillation columns. One of the columns is extractive distillation type used for separating the azeotropic mixture ethanol-water. The other is a solvent recovery column. The two column is interconnected by two streams. A stream is in vapor phase, and the another stream is in liquid phase. The dynamic behavior of the system was evaluated during the startup operation in a reference configuration. Then was studied the effect of varying the heating steam flow profile in the reboiler, the effect of the feed stream composition of the recovery column and the effect of the start solvent feed extraction column in the total startup time. From the results obtained, it was observed that the recovery column is responsible for most of the time required for completion of the starting. The smaller the amount of ethanol fed to the recovery column, the lower the total time of system startup. It was also observed that the solvent should be fed since the beginning of the start-up operation, because the later the feed of the solvent in the extractive column, the greater the total start-up time.

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T11:34:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maia_JulioPereira_D.pdf: 8705466 bytes, checksum: e604d7a471ca19eb99492912d431174b (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo de estratégias de esquemas de controle em unidades de destilação a vácuo de refinarias de petróleo, com o uso de dados e informações de uma refinaria brasileira, de modo a se desenvolver uma simulação representativa do processo, onde uma diferença global máxima de 5% entre os resultados de simulação e os dados de saída reais foi obtida. A simulação foi executada com alto nível de detalhamento, com cálculos de queda de pressão, dimensionamento de sistemas de bombeamento e uso de internos de coluna comerciais. Uma análise paramétrica foi executada para a verificação das variáveis mais influentes do processo. A simulação em estado estacionário resultante foi então convertida para o regime dinâmico, onde um esquema de controle equivalente ao esquema de controle da planta real foi implementado. Este esquema de controle foi submetido a um conjunto de perturbações usuais ao processo real, produzindo respostas dinâmicas do processo para cada perturbação aplicada. Pela análise das dinâmicas destas respostas e das respostas do sistema em malha aberta, um esquema de controle alternativo foi proposto e verificado da mesma maneira que o esquema de controle equivalente. Malhas de controle específicas para quantificar a qualidade dos produtos, tendo por base o índice ASTM D86 foram inseridas. A comparação entre os dois esquemas de controle por meio das respostas dinâmicas na qualidade dos produtos, considerando como parâmetro o ISE (Integral Squared Error) das malhas de cada esquema para comparação, apresentou uma redução média do erro em 70% na qualidade dos produtos principais / Abstract: A petroleum vacuum distillation unit study on control scheme strategies is developed in this work. Real plant data and information is gathered from a Brazilian Refinery to develop a representative simulation of the process, which had achieved a maximum 5% overall difference from the plant results. The simulation was set to be highly detailed, including pressure drop calculations, pumping system and the use of commercial column internals (packing and plates) in it. A parametric analysis was carried in order to verify the most influent variables in the process, with respect to temperature profiles, product flows and product qualities. The resultant steady state simulation was then converted into dynamic regime, when a control scheme equivalent to the real plant control scheme was implemented. This control scheme was then subjected to a set of common perturbations that occur in the real process, producing the dynamic response of the process to each perturbation applied. By analyzing the dynamics of these responses and the open loop responses, an alternative control scheme is proposed and verified in the same manner the later one was. A specific control loop was proposed to account a petroleum product quality index, such as ASTM D86 95% recovery. The comparison of the control schemes by means of the dynamic responses considering the correlated ISE (integral squared error) of each scheme has shown an average error reduction of 70% in the main products quality / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Cette thèse porte sur la modélisation, pour le contrôle, des profils de compositions dans les colonnes de distillation cryogénique. Nous obtenons un modèle non-linéaire de convection-diffusion par réduction d'un modèle d'équations-bilans singulièrement perturbé. Du point de vue de l'automatique, nous nous intéressons à la stabilité des profils de compositions résultants, ainsi qu'à leur observabilité. Du point de vue du procédé, la nouvauté de notre modèle réside dans la prise en compte d'une efficacité de garnissage dépendant des conditions d'opération de la colonne. Le modèle est validé par des comparaisons avec des données de fonctionnement dynamique issues d'une unité de séparation réelle, pour la séparation d'un mélange binaire. Sur le cas plus complexe d'une cascade de colonnes séparant un mélange ternaire, le modèle montre une grande sensibilité aux erreurs d'estimation des taux de reflux. Des résultats adaptés du champ de la chromatographie nous permettent de relier cette sensibilité à des erreurs d'estimation des vitesses d'ondes de compositions cohérentes. En parallèle, nous proposons et testons également un modèle de fonctions de transfert simple (fondé sur des gains statiques et des retards purs uniquement) pour les petites dynamiques de compositions, qui dépend explicitement de valeurs mesurables ou observables sur le procédé / This thesis addresses the problem of modeling the composition profiles dynamics inside cryogenic distillation columns, for control applications. We obtain a non-linear convection-diffusion model from the reduction of a singularly perturbed mass-balances model. In the control theory framework, we consider the stability of the resulting composition profiles and their observability. From the process viewpoint, we express the novelty of our model in terms of operating-conditions dependent packing efficiency. The model is validated against real dynamic plant data for a binary separation case. On a more complex, ternary separation columns cascade, the model shows highly sensitive to reflux rate estimation errors. Result adapted from the field of chromatography allows us to interpret this sensitivity in terms of erroneous coherent composition waves speeds. In parallel, we also propose and test a simple transfer functions model (based on static gains and pure delays only) for small composition dynamics, which explicitly depends on measurable or observable process data.