Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-15T20:44:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T13:38:01Z : No. of bitstreams: 1 180622.pdf: 1687175 bytes, checksum: 993456843b6e3899feeeea116821a0c3 (MD5)

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química / Made available in DSpace on 2012-10-23T02:16:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 243498.pdf: 2684334 bytes, checksum: 20d1d1765929f2aa80a2456e17a96b42 (MD5) / A modelagem dinâmica é hoje uma ferramenta importante na análise de processos. De posse de um modelo dinâmico é possível determinar e avaliar o comportamento de determinadas variáveis de interesse. O modelo disponibiliza tanto variáveis internas do processo, que dificilmente seriam medidas, como variáveis facilmente mensuráveis. É também possível realizar pertubações que dificilmente seriam realizadas em uma unidade industrial ou piloto, tanto devido a fatores economicos como de segurança. A partida de colunas de destilação é uma das operações mais difíceis na indústria química. O procedimento de partida, devido ao seu elevado período de tempo, possui tanto problemas de produtos fora de especificação quanto elevado gasto de energia. De posse de um modelo dinâmico diferentes condições e ações podem ser testadas e o procedimento pode ser otimizado. Entretanto, os modelos de colunas de destilação são representados por um sistema de equações algébrico-diferenciais de índice superior, e são escritos de forma a serem resolvidos sequencialmente. Este trabalho de tese implementa um modelo dinâmico de uma coluna de destilação para representar sua partida e operação. São analisados os resultados do estado estacionário, da dinâmica do processo quando submetido a perturbações e os perfis obtidos no procedimento de partida. O trabalho também apresenta uma forma diferenciada de escrever o modelo, forma simultânea e, utiliza um pacote de integração (PSIDE), até então não empregado em colunas de destilação. Este resolve o sistema de equações sem redução de índice. Como um trabalho complementar, foi proposta a utilização de uma rede neural wavelet para ser utilizada como sensor por software. A proposta basea-se no fato de que em problemas de grande porte pode não ser viável utilizar um modelo fenomenológico. Comuns são os problemas de inicializar todas as variáveis desejadas pois, pode não haver disponibilidade destes valores e o tempo de resolução do modelo pode ser elevado devido ao grande conjunto de equações algébrico-diferenciais. A rede neural, uma vez bem treinada, é capaz de fornecer os resultados sem os problemas citados acima.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2013-07-16T02:31:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 222949.pdf: 5242025 bytes, checksum: 8ddc6bff137ca19f60c4843db2f921da (MD5) / Colunas de destilação necessitam de sistemas de controle capazes de rejeitar flutuações que ocorrem com freqüência, mesmo quando o processo está operando em regime permanente. O comportamento não-linear, 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. Uma vez que o controle destas unidades é normalmente realizado centralizado na base e no topo propôs-se uma mudança nesta configuração: a introdução de pontos de aquecimento nos pratos ao longo da coluna. Assim, o objetivo deste trabalho foi implementar uma estratégia de controle com ação distribuída para minimizar os transientes de operação de colunas de destilação. O desenvolvimento do trabalho partiu da concepção, projeto e construção de uma unidade experimental instrumentada com protocolo de comunicação digital fieldbus até o estudo e validação da estratégia proposta com testes realizados com uma mistura de etanol-água. Estudou-se a partida da coluna e definiu-se uma rotina adequada às características da unidade construída. Da mesma forma, avaliou-se o comportamento em estado estacionário para a definição dos pontos de operação. Em relação à implementação da proposta de controle distribuído, preliminarmente foi estudada a dinâmica da unidade e determinaram-se os tempos de resposta e atrasos presentes no comportamento do processo. Observou-se, por exemplo, que para uma perturbação na composição da alimentação, o novo estado estacionário (em malha aberta) foi obtido com um tempo de transição de cerca de uma hora e meia. Foi realizada a análise de sensibilidade em conjunto com testes na planta para definir os pratos a serem utilizados para o aquecimento distribuído. Obteve-se como resultado a indicação dos pratos 2 e 3 para o estudo da estratégia com ação distribuída. Em seguida, foram ajustados controladores PID para as malhas da temperatura da base e do último prato, caracterizando o controle convencional. A dinâmica deste foi comparada com a abordagem distribuída (controle na base, no topo e nos pratos da coluna). Quando avaliada a abordagem convencional e a distribuída para uma perturbação na temperatura de alimentação verificou-se a redução no tempo de transição da coluna e das oscilações na variável controlada quando utilizada a abordagem proposta. Para uma perturbação na composição da alimentação foi observado que a ação distribuída reduziu o transiente em cerca de 1h. Assim, a introdução de aquecimento distribuído ao longo da coluna mostrou-se como uma opção válida para a redução de transientes, possibilitando uma dinâmica mais rápida e menores volumes processados fora dos parâmetros de qualidade pré-definido.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:53:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324010.pdf: 1249464 bytes, checksum: 1cb23ad717e31b591d4620df20b9dc52 (MD5) Previous issue date: 2013 / O gás natural é o único combustível fóssil com potencial de crescimento para os próximos anos. Uma das etapas do beneficiamento deste combustível compreende a recuperação do glicol, utilizado para desidratar o gás, oriundo da torre absorvedora. Usualmente, evaporadores comerciais são utilizados para promover a separação do agente secante da água, para posterior reutilização no processo. Porém, o mercado cada vez mais competitivo e rigoroso ambientalmente, o elevado consumo de energia necessário para promover a separação aliado a baixa eficiência energética são os principais itens motivadores a implantação de sistemas de integração energética em substituição a processos convencionais. Desta forma, este trabalho teve como objetivo avaliar a separação da mistura trietilenoglicol-água utilizando dois sistemas de destilação distintos: fracionada e por película descendente. Ensaios experimentais foram realizados na unidade de filme para separação da mistura e avaliadas as condições de fornecimento de energia e vazão de alimentação. Visando vazão de trietilenoglicol (TEG), produto de fundo da unidade, a melhor condição operacional obtida consistiu em vazão de alimentação igual a 17 L.h-1 e temperatura de base de 152,07 ºC. Para maior fração de TEG na base, o melhor resultado encontrado foi para vazão de alimentação igual a 15 L.h-1 e temperatura de base de 163,53 ºC. No entanto, ao buscar-se o incremento da corrente de topo, determinaram-se diferentes condições quando o objetivo foi a qualidade ou a produção desta corrente. Ao comparar a unidade de destilação por filme descendente com a convencional, verificou-se que esta última apresentou maior eficiência de separação da mistura com uma pureza de topo 97,63 % superior. Adicionalmente, um estudo da fração mássica em cada estágio demonstrou uma redução dimensional de 49 % para a coluna pelicular. Em relação ao consumo de energia, os resultados apontaram uma redução de 38,40 % do consumo para a coluna de filme descendente assistida por tubos de calor.<br> / Abstract : Natural gas is the only fossil fuel with growth potential for years to come. One of the stages in the processing of this fuel comprises the recovery of glycol, used for dehydrating the gas, from the absorber tower. Usually, commercial evaporators are used to promote the separation of the drying agent of the water for subsequent reuse in the process. However, the increasingly competitive and strict environmentally market, the high energy consumption required to promote separation combined with low energy efficiency are the main items motivating the implementation of energy integration systems in replacing conventional processes. Thus, this work aimed to evaluate the separation of triethylene glycol-water mixture using two distinct distillation systems: fractional and falling film. Experimental tests were carried out on film unit for separation of the mixture and assessed the conditions of energy supply and feed flow rate. Aiming flow rate of triethylene glycol (TEG), product of the bottom of the unit, the best operational condition obtained consisted of feed flow rate of 17 L.h-1 and base temperature of 152.07 ºC. For greater fraction of TEG at the base, the best result was found for feed flow rate equal to 15 L.h-1 and base temperature of 163.53 ºC. However, searching for the increment of the top stream, different conditions were determined when the goal was the quality or production of this current. When comparing the falling film distillation unit with the conventional, it was found that the latter showed greater separation efficiency of the mixture, with a purity of 97.63 % over the top. In addition, a study of the mass fraction at each stage showed a dimensional reduction of 49 % in the falling film distillation. In relation to energy consumption, the results showed a decrease of 38.40 % for the falling film distillation assisted by heat pipes.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2013-07-16T01:09:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 224159.pdf: 3070709 bytes, checksum: 003cf3306437dbd7f2c8960140c6f00e (MD5) / O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um simulador protótipo e a aplicação de controle preditivo baseado em modelo para o processo de destilação de uma planta piloto. Esta planta piloto foi projetada e implementada pelo Departamento de Engenharia Química desta universidade, numa parceria com o Departamento de Automação e Sistemas. O simulador desenvolvido, implementado no software comercial HYSYS, permite ao usuário implementar diversas estratégias e configurações de controle considerando controladores PID e controladores preditivos multivariáveis. Para a validação da metodologia se implementaram e compararam distintas estratégias de controle de coluna de destilação de uso industrial, baseadas em controladores PID. Também se implementou um controle multivariável com controlador preditivo de matriz dinâmica (DMC) e controlador preditivo generalizado (GPC). As simulações mostram concordância entre seus resultados e os resultados encontrados na revisão bibliográfica sobre as estratégias utilizadas para o controle de colunas de destilação. Além do mais, a partir da revisão bibliográfica e simulações realizadas, mostra-se que o uso dos controladores preditivos em plantas de destilação resolve vários dos problemas que este tipo de processo apresenta na prática. This work presents the development of a prototype simulator and the application of model based predictive control for a distillation process of a pilot plant. This plant has been projected and implemented by the Department of Chemical Engineering in partnership with the Department of Automation and Systems, both of this university. The simulator, based on the industrial software HYSYS, allows the users to implement several control strategies and configurations considering PID and multivariable predictive controllers. For the validation of the methodology, different control strategies for an industrial distillation column, based on PID controllers, are implemented and compared. There are also implemented multivariable predictive controllers based on: dynamic matrix control (DMC) and generalized predictive controller (GPC). The simulations show similar results as those found in the literature about the strategies used for the control in distillation columns. Besides, from the bibliographic review and simulations developed, it is shown that the use of predictive controllers in distillation plants solves several of the problems presents in practice for this sort of process.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, CentroTecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção / Made available in DSpace on 2012-10-16T01:06:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T15:49:28Z : No. of bitstreams: 1 179376.pdf: 3035743 bytes, checksum: 27f0dd84d8f9fda2dfb0299e8d5fb29c (MD5)

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.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2013 / Made available in DSpace on 2015-03-18T20:49:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 330190.pdf: 2358242 bytes, checksum: d3f70290d9897e56e57be0d830444b01 (MD5) Previous issue date: 2013 / A operação de colunas de destilação é um processo dispendioso em vários sentidos. Há grande gasto de energia vaporizando componentes a serem separados e também exige grande espaço físico. A própria coluna de destilação em si é um equipamento de enorme diâmetro e altura, ocupando grande espaço. Se forem levados em conta os equipamentos auxiliares, como refervedores, condensadores, bombas, pré-flash, dentre outros muitos, têm-se um volume ainda maior. Tal fato levou alguns pesquisadores como Saifutdinov (1999), Arrison (2000), Iwakabe (2006) buscar alternativas para redução de tamanho e aumento de eficiência do processo de destilação convencional. Uma das possibilidades é a destilação por película (fallingfilm). Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a viabilidade da utilização de coluna de destilação por película assistida por câmara de vapor em substituição às colunas de destilação convencionais, visando redução de dimensões e consumo energético. O desenvolvimento do trabalho partiu da concepção, projeto e construção de uma unidade de destilação por filme líquido descendente operando com mistura etanol/água. Os experimentos foram conduzidos com duas formas de operação distintas: uma isotérmica, onde a temperatura da câmara externa permanece constante durante o processo e outra com perfil de temperatura ao longo da câmara. Os resultados permitem concluir que a câmara operando com perfil leva a resultados melhores, obtendo concentração de etanol no destilado em torno de 14% maior. Pode-se também concluir que este tipo de processo viabiliza a redução das dimensões de colunas de destilação, visto que 1m de tubo de destilação realiza a mesma separação que sete estágios de uma coluna convencional (aproximadamente 1,70m), em concentração de etanol.<br> / Abstract: The operation of distillation columns is a costly process in many ways. There are large energy expenditure vaporizing components to be separated and also requires large physical space. The very distillation column itself has a huge diameter and height, occupying great space. If taken into account auxiliary equipment such as reboilers, condensers, pumps, preflash, among many others, it can be a greater volume. This fact has led some researchers as Saifutdinov (1999), Arrison (2000), Iwakabe (2006) seek alternatives to reduce size and increase efficiency on conventional distillation. One possibility is the falling film distillation. Thus, the objective of this study is to evaluate the viability of using a falling film distillation column assisted by vapor chamber, replacing the conventional distillation columns, in order to reduce size and power consumption. The development of the work departed from conception, design and construction of a distillation unit for liquid film descending operating with ethanol/water mixture. The experiments were conducted with two distinct modes of operation: an isothermal, where the temperature of the outer chamber remained constant during the process and, in another, the temperature profile varied throughout the chamber. The results allowed to conclude that operating chamber with temperature profile leads to better results, obtaining concentration of ethanol in the distillate around 14% higher. It can also be concluded that this type of process enables reduction of distillation columns dimensions, since 1m tube distillation performs the same separation that seven stages of a conventional column (approximately 1.70 m), in ethanol concentration.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química. / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:24:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 223537.pdf: 504385 bytes, checksum: 5d31252dde2055ac6195061d55c790c3 (MD5) / Este trabalho tem como objectivo principal, otimizar a coluna de destilação da unidade de produção de gás butano do Malongo, (V-104 estabilizador), tendo uma maior recuperação de butano no topo da coluna e consequentemente evitar o desperdício de butano no fundo da coluna estabilizadora. Esta coluna produz o destilado no topo da coluna (mistura de propano e butano, chamado LPG, usado localmente para cozinha e aquecimento), e tem como produto de fundo da coluna a gasolina natural estabilizada contendo algum butano. A metodologia usada para este trabalho, baseou-se nas amostras e dados obtidos em campanha no campo, e a sua posterior análise por cromatografia. Com os dados obtidos experimentalmente foram realizadas simulações, usando o modelo computacional HYSYS. HYSYS é o modelo computacional escolhido para este trabalho, por causa da sua capacidade de simular unidades complexas. HYSYS é um programa computacional para simulação de processos químicos. Peng-Robinson é a equação de estado seleccionada no HYSYS que é similar à equação original de Peng-Robinson, que estende suas taxas de aplicabilidade e representa melhor o equilíbrio líquido-vapor de sistemas complexos. Foram feitas quatro principais simulações sendo: a primeira para determinar a precisão do modelo escolhido HYSYS com o projecto original da coluna; uma segunda simulação com os parâmetros actuais da coluna; a terceira foi realizada com o objectivo de se encontrar um produto dentro das especificações, manipulando os parâmetros de operação da coluna; e por último uma simulação para se determinar a extensão de reaproveitamento que poderia ser aumentada dentro das especificações requeridas para o produto, fazendo pequenas mudanças no processo para o equipamento. No final do trabalho foi obtida uma maior recuperação de butano (n-C4 e i-C4) no destilado (produto do topo) de aproximadamente 55 mole percentual a mais do que o normal operado na coluna, obedecendo às especificações do produto. The main purpose of this work is to optimize a distillation tower from Malongo butane gas production unit, (V-104 Stabilizer), to obtain the best butane recovery on top to avoid lost butane on bottom of the tower. This tower produces a distillate on top (a propane and butane mixture, called "LPG", used locally for cooking and heating) and has as a bottom product a stabilized natural gasoline containing some butane. The methodology used for this work, is based on experimental data from field and later the chromatography results. These data obtained by chromatography, were used to simulate the tower using HYSYS model. HYSYS is a computational model used on this work, due to its capacity to simulate complex units. The HYSYS is a computational program to simulate chemical processes. Peng-Robinson is an equation of state selected on HYSYS, which is equal, the original Peng-Robinson equation. This equation has a big range of applicability and is the best to represent liquid-vapor equilibrium for complexity systems. Four different scenarios were run with the HYSYS model. A simulation with the designed feed and plant operating parameters was run to determine how accurately the model could reflect the original design of the process. Second simulation of the current operating facilities was then developed using current operating feed flow rates, and measured stream compositions and parameters. A third simulation was developed to determine if it was possible to meet the specifications in the LPG product by manipulating the operating parameters of the stabilizer tower. The last simulation was then run to determine to what extent the LPG recovery could be increased while still achieving the specifications in the LPG product, by making relatively minor process changes to the equipment. At the end of this work was obtained a better recovery of the butane (n-C4 and i-C4) on distillate about 55 % more than a normal operation, within of the specifications of the LPG product.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2013-07-15T23:31:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Esta dissertação descreve inicialmente a evolução da comunicação das redes industriais até a atualidade, onde o enfoque principal é a tecnologia FOUNDATION Fieldbus. São expostas suas características funcionais, diferenças e vantagens em relação a outras arquiteturas. Todo o desenvolvimento e aplicação desta tecnologia digital é direcionada para a instrumentação, controle e supervisão de uma coluna de destilação piloto. Além da descrição geral do processo de destilação, é feito um detalhamento construtivo e funcional de toda a unidade experimental. Todos os instrumentos da unidade que compõem o sistema FOUNDATION Fieldbus, bem como os que interagem com estes, são detalhados individualmente. São apresentadas sua arquitetura, seu princípio de funcionamento e sua função dentro de todo o sistema. Além do aplicativo do controle supervisório, que gerencia o sistema, um conjunto de softwares é responsável pela configuração dos dispositivos da rede e da programação do intertravamento de segurança do PLC. Exemplos ilustram a linearização de válvulas e a identificação de modelos, que são utilizados no controle do processo. Estratégias de controle, clássicas e avançadas, são projetadas e aplicadas no controle da vazão da alimentação e do nível da base. Um algoritmo preditivo, com comunicação OPC, é estruturado com a intenção de executar um controle multivariável do sistema.