[pt] Este trabalho descreve uma metodologia para modelagem de cargas elétricas, utilizando dados de tensão e corrente registrados durante distúrbios no sistema de potência. Estes modelos são utilizados na representação de subsistemas da rede elétrica em simulações computacionais que preveem o comportamento dinâmico do sistema de potência após perturbações em suas condições normais de operação.São apresentados resultados práticos da metodologia proposta, onde a carga é definida como um sistema cuja saída é a variação da potência consumida e a entrada é a variação da tensão, ambas medidas em barramentos de 69 kV da Companhia Hidroelétrica do São Francisco (CHESF), ponto de entrega de energia para concessionárias distribuidoras de energia do nordeste brasileiro. Estas distribuidoras são modeladas como cargas, supridas pelo sistema de transmissão da CHESF e todos os elementos consumidores de energia são agregados nestes modelos equivalentes, parametrizados para simular o maior número de contingências típicas medidas em cada um destes barramentos de carga.A técnica de estimação de parâmetros dos modelos de cargas é o Algoritmo Genético (AG) cujos resultados apresentaram precisão para a simulação de contingências de características bem distintas, caracterizando a abrangência alcançada no processo de identificação de sistemas.Ao final do trabalho são apresentadas curvas de desvios de potência ativa e reativa causadas por afundamentos de tensão, ambos registrados nos barramentos das subestações da CHESF. Estas curvas foram utilizadas para estimar os parâmetros dos modelos, obtidos individualmente para cada uma das subestações estudadas. / [en] This work describes a measurement-based load modeling methodology, using voltage and current data registered during power system disturbances. These load models are used on computational simulations for predicting power system stability after disturbances of system operational points. Practical results are presented of the proposed methodology, defining load as a system whose output is power deviation from its operational state and input is voltage sags, both measured at 69 kV bus bars of São Francisco Hydroelectric Company (CHESF), points of common coupling (PCC) between CHESF and local distribution utilities. Therefore, distribution utilities are seen as loads supplied by CHESF’s transmission system. All devices consuming power from the PCC are aggregated into an equivalent model, parameterized to simulate most typical contingencies measured by these 69kV load bars. Optimization technique used for load model parameter estimation is Genetic Algorithm (GA), showing his flexibility on implementation and good coverage and accuracy in the final results. At the end, it will be presented a set of active and reactive power curves during and after voltages sags, measured on CHESF’s substations. These curves were used as estimation data to parameterize load models for each substation chosen.

A pesquisa acerca da modelagem de colunas de destilação não é mais uma novidade nos dias de hoje. Os primeiros trabalhos, com metodologias propostas para a solução de sistemas de separação modelados prato a prato, surgiram na década de 30. Porém, só a partir da década de 50, com o advento do computador digital, foram realizados investimentos sólidos no desenvolvimento de novos algoritmos e simuladores. Apesar deste investimento, apenas modelos simplificados eram utilizados devido à baixa capacidade de processamento. A partir da década de 70, os primeiros simuladores comerciais começaram a ser introduzidos na indústria e o desenvolvimento de modelos rigorosos não parou mais. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo rigoroso de coluna de destilação, genérico, dinâmico e de fácil aplicação nos mais variados tipos de estudos, desde simples simulações de operação até otimizações e previsões de comportamentos de parada e partida de plantas. Ou seja, um modelo projetado para situações onde uma representação fiel do comportamento dinâmico é necessária. Os modelos gerados neste estudo foram implementados na linguagem de modelagem do simulador EMSO e fazem parte da biblioteca EML (EMSO Model Library). Esta biblioteca é distribuída no conceito de software livre, disponibilizando todos os modelos via internet e sem custo. Para a validação dos modelos desenvolvidos foram utilizados dois exemplos: uma coluna de destilação reativa com dados provenientes da literatura e uma coluna deisobutanizadora industrial da PETROBRAS com 80 pratos que separa o isobutano de uma mistura de 13 componentes. Este último problema resulta em um sistema com mais de 6300 variáveis, provando que o simulador utilizado é muito eficiente para a resolução de problemas de grande escala. Os resultados da validação foram satisfatórios, assim como o desempenho do simulador EMSO quanto à eficiência computacional e à robustez na solução do problema. / Nowadays, modeling and simulation of distillation columns are not a new research subject anymore. It was around the 1930’s that the first methodologies were proposed to solve staged separation systems. However, it was in 1950’s, with the advent of digital computers that most important investments were made for the development of new algorithms and simulators. In spite of these investments, only very simple models were used due to the low speed of the computers available at that time. In the 1970’s, the industry started to use the first commercial simulators and the development of rigorous models for distillation columns has not stopped since then. Inside this context, the main goal of this work is the development of a rigorous, generic, dynamic and easy-to-use model of distillation column to be applied on diferent targets, from operation simulations to dynamic optimizations and the prediction of the start up and shut down plant behaviour. To do so, the model must represent the dynamic performance of the unit. The models generated were implemented in the EMSO simulator environment with its own modeling language and are part of the EMSO Model Library (EML), which is distributed under the Free Software concept. In order to analyze the model performance, two examples were chosen: a reactive distillation column from the literature and an 80 tray deisobutanizer column from PETROBRAS which separates isobutane of a 13 component mixture. The solution of the last problem generates a 6300 variable system, that is used to confirm the great efficiency of EMSO to solve large scale problems. The validation results have been as satisfactory as the model prediction and the EMSO simulator performance in computational efficiency and robustness.

As atividades de gestão ambiental nem sempre têm levado a resultados satisfatórios. Uma das possíveis falhas pode estar ocorrendo por não se dar a devida importância à etapa de estruturação dos problemas, quando os objetivos e meios são adequadamente estabelecidos. Para que estes elementos sejam representativos do contexto decisório, eles devem estar de acordo com os valores dos decisores. A identificação destes valores permite uma modelagem mais fiel do problema que se deseja resolver. Uma vez estruturado o problema, parte-se para o estudo das possíveis alternativas. Como a decisão cabe apenas aos decisores e o papel dos técnicos é assessorá-los nesse processo, é importante que os mesmos possam compreender o papel desempenhado por cada uma das variáveis que julga relevante para descrever o problema. Esta compreensão geralmente não é uma tarefa fácil, visto que os problemas têm um caráter sistêmico, ou seja, os vários elementos envolvidos se relacionam de diversas formas. Assim, o efeito na mudança de apenas uma variável pode repercutir de uma maneira quase imprevisível, o que torna uma análise conjunta de todos os elementos extremamente complexa. Este estudo busca esclarecer a importância da avaliação da dinâmica dos sistemas, incorporando aspectos quantitativos e qualitativos considerados relevantes pelos decisores, para a obtenção de resultados mais satisfatórios nos processos de tomada de decisão, além de propor uma metodologia para melhorar a percepção das alternativas de gestão pelos decisores. A metodologia proposta agrega a identificação das variáveis do problema consideradas como relevantes pelos decisores, utilizando os conceitos de indicadores, modelo pressão-situaçãoresposta e mapas cognitivos, a modelos de simulação dinâmica que permitem o estudo de alternativas através da avaliação da dinâmica do sistema. Esta metodologia foi testada num estudo de caso, o Programa Pró-Dilúvio da Prefeitura de Porto Alegre, que visa promover ações que conduzam à melhoria da qualidade das águas da Bacia do Arroio Dilúvio através da ação conjunta de diversos órgãos municipais. Foi observado que a metodologia proposta de estruturação pode ser bastante útil para definir os elementos descritores do problema, pois facilita a sistematização do procedimento. Em relação à utilização de modelos de simulação dinâmica, constatou-se que os mesmos são úteis na medida em que são aceitos pelos decisores como ferramentas de suporte à decisão. Além disso, a utilização desses modelos em grupos de decisores pode ser bastante útil para facilitar que a negociação atinja soluções de consenso. / The environmental management practices have often led to unsatisfactory results. One possible fault could be happening at the structuring phase, when the basic evaluation elements such as the main objectives and the means to reach them are defined. To be representative for problem modeling, these factors must be according to the decision context to which they belong and to the decision makers’ subjective values. Done with the structuring phase, the potential alternatives are studied. As the decision should be exclusive to the decision makers and the technicians’ role is to facilitate and support this process, then it is important to make them realize the impact of each of those qualitative and quantitative elements in the whole system. This task is even more difficult than it seems, because of the systemic characteristic of the environmental problems. Therefore, the effect of changing just one of these variables could lead to imprecise schemes and thus an analysis considering all the interactions of these variables altogether is very complex. This study attempts to clarify the importance of considering these factors in order to achieve more satisfactory results and to propose a method to increase the decision makers’ perception of how the whole system works and how it affects the potential alternatives. The method binds the identification of the relevant aspects at the decision makers’ point of view (utilizing the concepts of indicators, pressure-state-response model and cognitive maps) with the simulation dynamic models which allow the alternatives’ study throughout the system dynamics assessment. This methodology was tested at the Pró- Dilúvio Program which was launched by the Porto Alegre Town Hall and aggregates many municipal institutions aiming at the revitalization of the Dilúvio Creek Basin by pollution impact mitigation. It was observed that the structuring methodology could be very useful for defining the decision context descriptive elements because it systematizes the proceedings. In terms of utilization of dynamic simulation, it was observed that it could be an alternative to negotiate a compromise solution in a group of decision makers. However, it is important to highlight that these models should only be built if they are to be accepted as a decisionsupporting tool.

Este trabalho aborda a modelagem matemática do processo de extração de óleos essenciais por arraste a vapor e a otimização deste processo em escala industrial. Utilizouse dados experimentais de óleos essenciais de alecrim e citronela obtidos em uma unidade industrial de extração por arraste a vapor. O modelo é constituído de um sistema de equações diferenciais parciais, que representam o balanço de massa unidimensional nas fases vapor e sólido. Para resolver o modelo desenvolvido, utilizouse o método das linhas com o uso da técnica de diferenças finitas para discretizar a coordenada espacial e suas derivadas, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias implementado no simulador EMSO. Os parâmetros do modelo foram estimados pelo método dos poliedros flexíveis, utilizando dois conjuntos de dados experimentais e um terceiro para sua validação. O modelo ajustou-se bem aos dados experimentais industriais, resultando, para duas condições ambientais e geográficas das plantas aromáticas de alecrim, em coeficiente global de transferência de massa de 8,64 x 10 -4 s -1 e 9,10 x 10 -4 s -1, e a constante de equilíbrio de 2,72 x 10 -4 m3=kg e 1,07 x 10 -2m3/kg. Enquanto que para a citronela obteve-se coeficiente global de transferência de massa de 8,29 x 10 -4s -1 e 1,23 x 10 -3 s -1, e constante de equilíbrio de 1,25 x 10 -2 m3/kg e 1,52 x 10 -3 m3/kg. Foi proposto também um problema de otimização para determinar o tempo ótimo de extração e o número de bateladas por dia. Os resultados da otimização do processo indicam que se pode reduzir o tempo de extração, permitindo que outras extrações sejam realizadas por dia, maximizando o volume de óleo extraído ao fim do dia. / This work has as objective the development of a mathematical model of essential oils extraction by steam distillation and the optimization of this process on an industrial scale. We used experimental data obtained from rosemary and citronella in an industrial steam distillation unit. The model consists a system of partial differential equations, which represent the one-dimensional mass balance in steam and solid phases. To solve the developed model, we used the method of lines with the finite differences technique to discretize the spatial coordinate and its derivatives, resulting in a system of ordinary differential equations implemented in the EMSO simulator. The model parameters were estimated by the method of flexible polyhedra, using two experimental runs and a third experimental run to test the model. The model fitted to the experimental data industry, resulting, for two environmental and geographical conditions of rosemary, in mass transfer coefficients of 8,64 x 10 -4 s -1 and 9,10 x 10 -4 s -1, and the equilibrium constant of 2,72 x 10 -4 m3/kg and 1,07 x 10 -2m3/kg. For citronella, the obtained mass transfer coefficient of 8,29 x 10 -4 s -1 and 1,23 x 10 -3 s -1 and equilibrium constant of 1,25 x 10 -2 m3/kg and 1,52 x 10 -3 m3/kg. It was also proposed an optimization problem to determine the optimum extraction time and number of batches per day. The optimization results indicate that the process can reduce the extraction time, allowing other extractions are performed each day, maximizing the essential oil volume extracted in the day.

A pesquisa acerca da modelagem de colunas de destilação não é mais uma novidade nos dias de hoje. Os primeiros trabalhos, com metodologias propostas para a solução de sistemas de separação modelados prato a prato, surgiram na década de 30. Porém, só a partir da década de 50, com o advento do computador digital, foram realizados investimentos sólidos no desenvolvimento de novos algoritmos e simuladores. Apesar deste investimento, apenas modelos simplificados eram utilizados devido à baixa capacidade de processamento. A partir da década de 70, os primeiros simuladores comerciais começaram a ser introduzidos na indústria e o desenvolvimento de modelos rigorosos não parou mais. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo rigoroso de coluna de destilação, genérico, dinâmico e de fácil aplicação nos mais variados tipos de estudos, desde simples simulações de operação até otimizações e previsões de comportamentos de parada e partida de plantas. Ou seja, um modelo projetado para situações onde uma representação fiel do comportamento dinâmico é necessária. Os modelos gerados neste estudo foram implementados na linguagem de modelagem do simulador EMSO e fazem parte da biblioteca EML (EMSO Model Library). Esta biblioteca é distribuída no conceito de software livre, disponibilizando todos os modelos via internet e sem custo. Para a validação dos modelos desenvolvidos foram utilizados dois exemplos: uma coluna de destilação reativa com dados provenientes da literatura e uma coluna deisobutanizadora industrial da PETROBRAS com 80 pratos que separa o isobutano de uma mistura de 13 componentes. Este último problema resulta em um sistema com mais de 6300 variáveis, provando que o simulador utilizado é muito eficiente para a resolução de problemas de grande escala. Os resultados da validação foram satisfatórios, assim como o desempenho do simulador EMSO quanto à eficiência computacional e à robustez na solução do problema. / Nowadays, modeling and simulation of distillation columns are not a new research subject anymore. It was around the 1930’s that the first methodologies were proposed to solve staged separation systems. However, it was in 1950’s, with the advent of digital computers that most important investments were made for the development of new algorithms and simulators. In spite of these investments, only very simple models were used due to the low speed of the computers available at that time. In the 1970’s, the industry started to use the first commercial simulators and the development of rigorous models for distillation columns has not stopped since then. Inside this context, the main goal of this work is the development of a rigorous, generic, dynamic and easy-to-use model of distillation column to be applied on diferent targets, from operation simulations to dynamic optimizations and the prediction of the start up and shut down plant behaviour. To do so, the model must represent the dynamic performance of the unit. The models generated were implemented in the EMSO simulator environment with its own modeling language and are part of the EMSO Model Library (EML), which is distributed under the Free Software concept. In order to analyze the model performance, two examples were chosen: a reactive distillation column from the literature and an 80 tray deisobutanizer column from PETROBRAS which separates isobutane of a 13 component mixture. The solution of the last problem generates a 6300 variable system, that is used to confirm the great efficiency of EMSO to solve large scale problems. The validation results have been as satisfactory as the model prediction and the EMSO simulator performance in computational efficiency and robustness.

As atividades de gestão ambiental nem sempre têm levado a resultados satisfatórios. Uma das possíveis falhas pode estar ocorrendo por não se dar a devida importância à etapa de estruturação dos problemas, quando os objetivos e meios são adequadamente estabelecidos. Para que estes elementos sejam representativos do contexto decisório, eles devem estar de acordo com os valores dos decisores. A identificação destes valores permite uma modelagem mais fiel do problema que se deseja resolver. Uma vez estruturado o problema, parte-se para o estudo das possíveis alternativas. Como a decisão cabe apenas aos decisores e o papel dos técnicos é assessorá-los nesse processo, é importante que os mesmos possam compreender o papel desempenhado por cada uma das variáveis que julga relevante para descrever o problema. Esta compreensão geralmente não é uma tarefa fácil, visto que os problemas têm um caráter sistêmico, ou seja, os vários elementos envolvidos se relacionam de diversas formas. Assim, o efeito na mudança de apenas uma variável pode repercutir de uma maneira quase imprevisível, o que torna uma análise conjunta de todos os elementos extremamente complexa. Este estudo busca esclarecer a importância da avaliação da dinâmica dos sistemas, incorporando aspectos quantitativos e qualitativos considerados relevantes pelos decisores, para a obtenção de resultados mais satisfatórios nos processos de tomada de decisão, além de propor uma metodologia para melhorar a percepção das alternativas de gestão pelos decisores. A metodologia proposta agrega a identificação das variáveis do problema consideradas como relevantes pelos decisores, utilizando os conceitos de indicadores, modelo pressão-situaçãoresposta e mapas cognitivos, a modelos de simulação dinâmica que permitem o estudo de alternativas através da avaliação da dinâmica do sistema. Esta metodologia foi testada num estudo de caso, o Programa Pró-Dilúvio da Prefeitura de Porto Alegre, que visa promover ações que conduzam à melhoria da qualidade das águas da Bacia do Arroio Dilúvio através da ação conjunta de diversos órgãos municipais. Foi observado que a metodologia proposta de estruturação pode ser bastante útil para definir os elementos descritores do problema, pois facilita a sistematização do procedimento. Em relação à utilização de modelos de simulação dinâmica, constatou-se que os mesmos são úteis na medida em que são aceitos pelos decisores como ferramentas de suporte à decisão. Além disso, a utilização desses modelos em grupos de decisores pode ser bastante útil para facilitar que a negociação atinja soluções de consenso. / The environmental management practices have often led to unsatisfactory results. One possible fault could be happening at the structuring phase, when the basic evaluation elements such as the main objectives and the means to reach them are defined. To be representative for problem modeling, these factors must be according to the decision context to which they belong and to the decision makers’ subjective values. Done with the structuring phase, the potential alternatives are studied. As the decision should be exclusive to the decision makers and the technicians’ role is to facilitate and support this process, then it is important to make them realize the impact of each of those qualitative and quantitative elements in the whole system. This task is even more difficult than it seems, because of the systemic characteristic of the environmental problems. Therefore, the effect of changing just one of these variables could lead to imprecise schemes and thus an analysis considering all the interactions of these variables altogether is very complex. This study attempts to clarify the importance of considering these factors in order to achieve more satisfactory results and to propose a method to increase the decision makers’ perception of how the whole system works and how it affects the potential alternatives. The method binds the identification of the relevant aspects at the decision makers’ point of view (utilizing the concepts of indicators, pressure-state-response model and cognitive maps) with the simulation dynamic models which allow the alternatives’ study throughout the system dynamics assessment. This methodology was tested at the Pró- Dilúvio Program which was launched by the Porto Alegre Town Hall and aggregates many municipal institutions aiming at the revitalization of the Dilúvio Creek Basin by pollution impact mitigation. It was observed that the structuring methodology could be very useful for defining the decision context descriptive elements because it systematizes the proceedings. In terms of utilization of dynamic simulation, it was observed that it could be an alternative to negotiate a compromise solution in a group of decision makers. However, it is important to highlight that these models should only be built if they are to be accepted as a decisionsupporting tool.

Este trabalho aborda a modelagem matemática do processo de extração de óleos essenciais por arraste a vapor e a otimização deste processo em escala industrial. Utilizouse dados experimentais de óleos essenciais de alecrim e citronela obtidos em uma unidade industrial de extração por arraste a vapor. O modelo é constituído de um sistema de equações diferenciais parciais, que representam o balanço de massa unidimensional nas fases vapor e sólido. Para resolver o modelo desenvolvido, utilizouse o método das linhas com o uso da técnica de diferenças finitas para discretizar a coordenada espacial e suas derivadas, resultando em um sistema de equações diferenciais ordinárias implementado no simulador EMSO. Os parâmetros do modelo foram estimados pelo método dos poliedros flexíveis, utilizando dois conjuntos de dados experimentais e um terceiro para sua validação. O modelo ajustou-se bem aos dados experimentais industriais, resultando, para duas condições ambientais e geográficas das plantas aromáticas de alecrim, em coeficiente global de transferência de massa de 8,64 x 10 -4 s -1 e 9,10 x 10 -4 s -1, e a constante de equilíbrio de 2,72 x 10 -4 m3=kg e 1,07 x 10 -2m3/kg. Enquanto que para a citronela obteve-se coeficiente global de transferência de massa de 8,29 x 10 -4s -1 e 1,23 x 10 -3 s -1, e constante de equilíbrio de 1,25 x 10 -2 m3/kg e 1,52 x 10 -3 m3/kg. Foi proposto também um problema de otimização para determinar o tempo ótimo de extração e o número de bateladas por dia. Os resultados da otimização do processo indicam que se pode reduzir o tempo de extração, permitindo que outras extrações sejam realizadas por dia, maximizando o volume de óleo extraído ao fim do dia. / This work has as objective the development of a mathematical model of essential oils extraction by steam distillation and the optimization of this process on an industrial scale. We used experimental data obtained from rosemary and citronella in an industrial steam distillation unit. The model consists a system of partial differential equations, which represent the one-dimensional mass balance in steam and solid phases. To solve the developed model, we used the method of lines with the finite differences technique to discretize the spatial coordinate and its derivatives, resulting in a system of ordinary differential equations implemented in the EMSO simulator. The model parameters were estimated by the method of flexible polyhedra, using two experimental runs and a third experimental run to test the model. The model fitted to the experimental data industry, resulting, for two environmental and geographical conditions of rosemary, in mass transfer coefficients of 8,64 x 10 -4 s -1 and 9,10 x 10 -4 s -1, and the equilibrium constant of 2,72 x 10 -4 m3/kg and 1,07 x 10 -2m3/kg. For citronella, the obtained mass transfer coefficient of 8,29 x 10 -4 s -1 and 1,23 x 10 -3 s -1 and equilibrium constant of 1,25 x 10 -2 m3/kg and 1,52 x 10 -3 m3/kg. It was also proposed an optimization problem to determine the optimum extraction time and number of batches per day. The optimization results indicate that the process can reduce the extraction time, allowing other extractions are performed each day, maximizing the essential oil volume extracted in the day.

O propósito desta Tese é realizar o estudo da implementação do controle avançado do tipo controle preditivo baseado em modelo (MPC) e otimização em tempo real (RTO) em uma unidade de processo industrial usando como ferramentas softwares comerciais de simulação e otimização de processos. As soluções propostas podem ser consideradas como estratégias de integração entre RTO e MPC de uma e duas camadas. Na estratégia de duas camadas, a camada superior que considera um modelo rigoroso não linear do processo computa e envia targets otimizantes à camada dinâmica do MPC, que computa as ações de controle necessárias para alcançar esses targets e estabilizar o processo. Na estratégia de uma camada, mais conhecida como MPC econômico, temos a inclusão do gradiente da função econômica na função custo do controlador preditivo. Ambas as estratégias foram estudadas e suas implementações na coluna de destilação de propeno/propano com integração energética da unidade de produção de propeno da refinaria de Capuava da Petrobras foram simuladas. Este estudo foi realizado em varias etapas. Primeiro, uma simulação dinâmica do processo foi realizada usando o simulador dinâmico SimSci Dynsim® para ser usada como uma planta virtual que também foi usada para a identificação dos modelos usados nos controladores preditivos. Segundo, os algoritmos de controle avançado foram desenvolvidos em Matlab® baseados no controlador preditivo de horizonte infinito (IHMPC), no controlador preditivo robusto (RIHMPC) e no MPC econômico. Terceiro, o algoritmo de RTO foi desenvolvido no pacote de otimização em tempo real Simsci ROMeo®, onde o modelo rigoroso não linear do processo foi implantado incluindo as etapas de simulação, reconciliação de dados e otimização. Quarto, modificações e adaptações dos algoritmos e rotinas desenvolvidas foram feitas para permitir a comunicação de dados em tempo real usando o protocolo de transferência de dados OPC entre Matlab®, Simsci Dynsim® e Simsci ROMeo ®. Finalmente, foram desenvolvidos o sequenciamento e automação dos algoritmos tanto para leitura e escritura de dados, assim como, para a rotina do RTO. Para todas as estratégias propostas nesta Tese, foram incluídos exemplos de simulação representativos onde se pode evidenciar a estabilidade e convergência das estratégias propostas, chegando-se à conclusão que as estruturas propostas de RTO/MPC podem ser implementadas no sistema real. / The aim of this Thesis is to study the implementation of advanced control, specifically, Model Predictive Control (MPC) and real time optimization (RTO) in an industrial process system using tools such as commercial software for process simulation and optimization. The proposed solutions can be considered as integration strategies of RTO and MPC with one and two layers. In the two layer approach, the upper layer that considers a rigorous non-linear steady-state model of the process computes optimizing targets that are sent to the dynamic layer that are based on the MPC, which computes the necessary control actions to reach those targets and stabilize the process system. In the one layer strategy, also called as Economic MPC, the gradient of the economic function is included in the cost function of the predictive controller. Both strategies were studied and their implementation in the energy-recovery propylene/propane splitter system of the propylene production unit at the Capuava Refinery of Petrobras was simulated. In order to accomplish this objective, the work was developed in several steps. Firstly, a dynamic simulation of the process was built in the dynamic simulator Simsci Dynsim® so that it could be used as a virtual plant in which the model identification could also be performed. Secondly, the advanced control algorithms were developed in Matlab® based on the Infinite Horizon Model Predictive Control (IHMPC), the robust predictive controller (RIHMPC) and the Economic MPC. Thirdly, the RTO algorithm was developed in the real-time optimization package Simsci ROMeo®, where the non-linear rigorous model of the process was built including the stages of simulation, data reconciliation and optimization. Fourthly, modifications and adaptation of the developed algorithms and routines were included to allow the real-time data communication considering the OPC data transfer protocol between Matlab®, Dynsim® and ROMeo ®. Finally, a sequence of algorithms was developed and automated for data reading and writing, as well as, for the RTO sequence. For all the strategies developed in this Thesis, representative simulation examples were presented in order to show the closed-loop stability and convergence of the proposed approaches, leading to the conclusion that the proposed RTO/MPC structures can be implemented in the real system.

A pesquisa acerca da modelagem de colunas de destilação não é mais uma novidade nos dias de hoje. Os primeiros trabalhos, com metodologias propostas para a solução de sistemas de separação modelados prato a prato, surgiram na década de 30. Porém, só a partir da década de 50, com o advento do computador digital, foram realizados investimentos sólidos no desenvolvimento de novos algoritmos e simuladores. Apesar deste investimento, apenas modelos simplificados eram utilizados devido à baixa capacidade de processamento. A partir da década de 70, os primeiros simuladores comerciais começaram a ser introduzidos na indústria e o desenvolvimento de modelos rigorosos não parou mais. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo rigoroso de coluna de destilação, genérico, dinâmico e de fácil aplicação nos mais variados tipos de estudos, desde simples simulações de operação até otimizações e previsões de comportamentos de parada e partida de plantas. Ou seja, um modelo projetado para situações onde uma representação fiel do comportamento dinâmico é necessária. Os modelos gerados neste estudo foram implementados na linguagem de modelagem do simulador EMSO e fazem parte da biblioteca EML (EMSO Model Library). Esta biblioteca é distribuída no conceito de software livre, disponibilizando todos os modelos via internet e sem custo. Para a validação dos modelos desenvolvidos foram utilizados dois exemplos: uma coluna de destilação reativa com dados provenientes da literatura e uma coluna deisobutanizadora industrial da PETROBRAS com 80 pratos que separa o isobutano de uma mistura de 13 componentes. Este último problema resulta em um sistema com mais de 6300 variáveis, provando que o simulador utilizado é muito eficiente para a resolução de problemas de grande escala. Os resultados da validação foram satisfatórios, assim como o desempenho do simulador EMSO quanto à eficiência computacional e à robustez na solução do problema. / Nowadays, modeling and simulation of distillation columns are not a new research subject anymore. It was around the 1930’s that the first methodologies were proposed to solve staged separation systems. However, it was in 1950’s, with the advent of digital computers that most important investments were made for the development of new algorithms and simulators. In spite of these investments, only very simple models were used due to the low speed of the computers available at that time. In the 1970’s, the industry started to use the first commercial simulators and the development of rigorous models for distillation columns has not stopped since then. Inside this context, the main goal of this work is the development of a rigorous, generic, dynamic and easy-to-use model of distillation column to be applied on diferent targets, from operation simulations to dynamic optimizations and the prediction of the start up and shut down plant behaviour. To do so, the model must represent the dynamic performance of the unit. The models generated were implemented in the EMSO simulator environment with its own modeling language and are part of the EMSO Model Library (EML), which is distributed under the Free Software concept. In order to analyze the model performance, two examples were chosen: a reactive distillation column from the literature and an 80 tray deisobutanizer column from PETROBRAS which separates isobutane of a 13 component mixture. The solution of the last problem generates a 6300 variable system, that is used to confirm the great efficiency of EMSO to solve large scale problems. The validation results have been as satisfactory as the model prediction and the EMSO simulator performance in computational efficiency and robustness.

As atividades de gestão ambiental nem sempre têm levado a resultados satisfatórios. Uma das possíveis falhas pode estar ocorrendo por não se dar a devida importância à etapa de estruturação dos problemas, quando os objetivos e meios são adequadamente estabelecidos. Para que estes elementos sejam representativos do contexto decisório, eles devem estar de acordo com os valores dos decisores. A identificação destes valores permite uma modelagem mais fiel do problema que se deseja resolver. Uma vez estruturado o problema, parte-se para o estudo das possíveis alternativas. Como a decisão cabe apenas aos decisores e o papel dos técnicos é assessorá-los nesse processo, é importante que os mesmos possam compreender o papel desempenhado por cada uma das variáveis que julga relevante para descrever o problema. Esta compreensão geralmente não é uma tarefa fácil, visto que os problemas têm um caráter sistêmico, ou seja, os vários elementos envolvidos se relacionam de diversas formas. Assim, o efeito na mudança de apenas uma variável pode repercutir de uma maneira quase imprevisível, o que torna uma análise conjunta de todos os elementos extremamente complexa. Este estudo busca esclarecer a importância da avaliação da dinâmica dos sistemas, incorporando aspectos quantitativos e qualitativos considerados relevantes pelos decisores, para a obtenção de resultados mais satisfatórios nos processos de tomada de decisão, além de propor uma metodologia para melhorar a percepção das alternativas de gestão pelos decisores. A metodologia proposta agrega a identificação das variáveis do problema consideradas como relevantes pelos decisores, utilizando os conceitos de indicadores, modelo pressão-situaçãoresposta e mapas cognitivos, a modelos de simulação dinâmica que permitem o estudo de alternativas através da avaliação da dinâmica do sistema. Esta metodologia foi testada num estudo de caso, o Programa Pró-Dilúvio da Prefeitura de Porto Alegre, que visa promover ações que conduzam à melhoria da qualidade das águas da Bacia do Arroio Dilúvio através da ação conjunta de diversos órgãos municipais. Foi observado que a metodologia proposta de estruturação pode ser bastante útil para definir os elementos descritores do problema, pois facilita a sistematização do procedimento. Em relação à utilização de modelos de simulação dinâmica, constatou-se que os mesmos são úteis na medida em que são aceitos pelos decisores como ferramentas de suporte à decisão. Além disso, a utilização desses modelos em grupos de decisores pode ser bastante útil para facilitar que a negociação atinja soluções de consenso. / The environmental management practices have often led to unsatisfactory results. One possible fault could be happening at the structuring phase, when the basic evaluation elements such as the main objectives and the means to reach them are defined. To be representative for problem modeling, these factors must be according to the decision context to which they belong and to the decision makers’ subjective values. Done with the structuring phase, the potential alternatives are studied. As the decision should be exclusive to the decision makers and the technicians’ role is to facilitate and support this process, then it is important to make them realize the impact of each of those qualitative and quantitative elements in the whole system. This task is even more difficult than it seems, because of the systemic characteristic of the environmental problems. Therefore, the effect of changing just one of these variables could lead to imprecise schemes and thus an analysis considering all the interactions of these variables altogether is very complex. This study attempts to clarify the importance of considering these factors in order to achieve more satisfactory results and to propose a method to increase the decision makers’ perception of how the whole system works and how it affects the potential alternatives. The method binds the identification of the relevant aspects at the decision makers’ point of view (utilizing the concepts of indicators, pressure-state-response model and cognitive maps) with the simulation dynamic models which allow the alternatives’ study throughout the system dynamics assessment. This methodology was tested at the Pró- Dilúvio Program which was launched by the Porto Alegre Town Hall and aggregates many municipal institutions aiming at the revitalization of the Dilúvio Creek Basin by pollution impact mitigation. It was observed that the structuring methodology could be very useful for defining the decision context descriptive elements because it systematizes the proceedings. In terms of utilization of dynamic simulation, it was observed that it could be an alternative to negotiate a compromise solution in a group of decision makers. However, it is important to highlight that these models should only be built if they are to be accepted as a decisionsupporting tool.