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Type: TESE
Title: Controle "on-line" de colunas de destilação em batelada de alta pureza
Author: Oisiovici, Ronia Marques
Advisor: Cruz, Sandra Lúcia da, 1957-
Abstract: Resumo: Os processos em batelada são largamente empregados nas indústrias de Química Fina, produtos bioquímicos, polímeros e fármacos. As plantas em batelada tendem a crescer, já que esse tipo de configuração apresenta características que são desejáveis nas chamadas "plantas do futuro": flexibilidade operacional, resposta rápida às exigências do mercado, capacidade de processar produtos de alta pureza e alto valor agregado. A destilação em batelada, em particular, é a operação unitária mais freqüentemente utilizada nas plantas em batelada. Algumas dificuldades encontradas na sua automação são: fortes não-linearidades, desvios entre o modelo e o processo, ganhos variáveis no tempo, presença de ruídos nas medidas, analisadores de composição "on-line" complexos ou lentos, estimativa do estado do sistema dificil e cara em termos computacionais. O controle de colunas de destilação contínuas de alta pureza é um tópico bastante abordado na literatura. Porém, trabalhos sobre destilação em batelada de alta pureza são escassos e, normalmente, apenas simulações são apresentadas. Esse trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um sistema de controle por inferência para colunas de destilação em batelada de alta pureza robusto às dificuldades de automação encontradas na prática. O algoritmo de controle foi testado por simulação e, para confirmar a aplicabilidade do controlador desenvolvido, corridas experimentais foram realizadas numa coluna de destilação em batelada em escala piloto. Um Filtro de Kalman Estendido (FKE) para colunas de destilação em batelada foi desenvolvido para fornecer estimativas de composições instantâneas a partir de algumas medidas de temperatura. O FKE foi combinado a uma estratégia de controle baseada na estrutura GLC ("Globa1ly Linearizing Control"), resultando num sistema de controle por inferência que mantém constante a composição do produto de topo de colunas de destilação em batelada de alta pureza. O controlador GLC foi testado numa coluna de destilação em batelada em escala piloto com 29 pratos perfurados. As corridas experimentais foram realizadas com o sistema etanol/l-propanol. A interface entre o computador e o processo foi feita através de uma placa ADIDA. Termopares foram utilizados para medir temperaturas instantâneas em alguns estágios da coluna. A cada período de amostragem, o FKE fornece valores de composição instantâneos, utilizando os dados de temperatura lidos pelo computador. Com o objetivo de manter a pureza do produto de topo no valor especificado, o controlador GLC atualiza a razão de refluxo baseado nas estimativas mais recentes de composição. A razão de refluxo calculada é, então, implementada pelo computador que controla a posição e o tempo de abertura da válvula magnética de refluxo. O número de sensores e o intervalo de integração do modelo da coluna foram variáveis importantes no projeto do FKE. Convergência mais rápida e estimativas mais exatas foram obtidas aumentando-se o número de sensores e/ou reduzindo-se o intervalo de integração. No entanto, acima de um certo número de sensores, as melhorias na exatidão das estimativas são insignificantes. Nas corridas em malha fechada, a variável manipulada (razão de refluxo) apresentou um comportamento do tipo liga/desliga quando os sensores de temperatura foram posicionados nos estágios próximos ao topo da coluna, onde as variações de temperatura são pequenas. Afastando-se os sensores do topo da coluna, perfis mais suaves das variáveis manipulada e controlada foram observados e desvios inferiores a 0,2% entre a composição média do destilado estimada e a composição média do destilado medida foram obtidos. Para o controle da composição do destilado de alta pureza, os sensores devem ficar afastados do topo, mas não tão distantes a ponto de diminuir a exatidão das estimativas de composição. Devido à sua robustez em relação aos desvios entre o modelo e o processo, incerteza nas condições iniciais da coluna e a presença de ruídos nas medidas de temperatura, o controlador por inferência desenvolvido nesse trabalho, além de ser flexível, mostrou-se eficaz em aplicações práticas

Abstract: Batch processing has been widely used in the production of fine chemicaIs, biochemicals, polymers and phannaceuticals. Batch configurations present features which are desirable in the ca1led "future plants": flexibility of operation, rapid response to changing market demands, suitability for manufacturing high-quality and high value-added products. Batch distillation is the most frequent separation method in batch processes. Some ofthe challenges to be faced in the automation ofbatch plants are: pronounced nonHnearities, process/model mismatch, time varying process gains, presence of measurement noise, on-line sensors are unavailable or give delayed results, state estimation is difficult and computationally expensive. While the control of high-purity continuous distillation column is a subject often addressed in literature, there are very few papers regarding the control of high-purity batch distillation units. This work aimed to develop an inferential control system for high-purity batch distillation colurnns, which is able to cape with the automation difficulties common1yencountered in practice. The control algorithm was first tested by simulation and then experimental runs were carried out in a pilot-scale batch distillation column to confirm the practical appHcability ofthe designed inferential control system. An Extended Kalman Filter (EKF) for batch distillation columns was developed to provide fast and reHable instantaneous composition values from few temperature measurements. The EKF was then combined with a control strategy based on the Globally Linearizing Control (GLC) structure, resulting in an inferential control system for constant distillate operation of high-purity batch distillation columns. The GLC controller was tested in a pilot-scale batch distillation column with 29 sieve trays. The separation of ethanol/l-propanol mixtures were considered in the experimental runs. The interface between the computer and the process was achieved by an AD/DA converter. Thennocouples were used to measure instantaneous temperature values at some column stages. At each sampling period, the EKF provides instantaneous composition values from the temperature data the computer acquires. In order to keep the product quality at the set-point, the GLC controller updates the reflux ratio using the composition estimates, and the computer controls the position ofthe reflux magnetic valve to implement the calculated reflux ratio. The number of sensors and the model integration interval showed to be important variables in the design ofthe EKF. Faster convergence and more accurate estimates were obtained by increasing the number of sensors and/or reducing the integration intervalo However, above a certain number of sensors the improvement in the EKF performance may not be significant. Spiky reflux ratio profiles were observed when sensors were placed next to the top stages, where the temperature variations are small. As the sensors were placed further from the top stages, smoother manipulated and controlled variable profiles were obtained and the distillate product met the specified purity. The inferential control system achieved tight composition control. The selection of the sensors locations must be a trade-off between obtaining noise reduction and guaranteeing that the EKF will provide acceptable estimate accuracy. Due to its robustness with regards to plant model mismatch, uncertainty in the initial system state and measurement errors, the proposed inferential control scheme is flexible and demonstrated to be feasible for practical on-line applications
Subject: Destilação
Controle de processo - Automação
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2001
Appears in Collections:FEQ - Dissertação e Tese

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