Investigação do efeito da função objetivo no controle preditivo em colunas de destilação

Abstract

RESUMO: A destilação é um método comum e com grande gasto energético utilizado para separação nas indústrias petrolífera, de alimentos, químicas, etc. Porém, os princípios da destilação não são diferentes daqueles usados nas primeiras colunas de destilação do século 19. As exigências de energia térmica no processo de destilação são enormes. A eficiência termodinâmica do processo de destilação é menor que 10%. Estima-se que 8% de toda energia usada pelas indústrias dos EUA é consumida no processo de destilação. A energia é responsável por 50 a 60% do custo de operação das refinarias enquanto que nas indústrias químicas essa percentagem varia de 30 a 40%. Estes dados mostram o potencial de economia que o processo de destilação pode alcançar quando esse processo é submetido a um melhor controle e otimizado. O Controle Preditivo Baseado em Modelo (MPC) é uma técnica de controle avançado com características que resolvem problemas operacionais presentes em colunas de destilação. O MPC pode lidar com sistemas mutivariáveis com interações e tempos mortos apreciáveis, não linearidades e restrições nas variáveis. Uma das partes mais importantes no MPC é a minimização de uma função objetivo. Podem ser usados tipos diferentes de função objetivo no algoritmo de controle MPC, com parâmetros de ajuste específicos para cada tipo de função objetivo. Nesta tese, o modelo de Wood-Berry para colunas de destilação foi utilizado, sendo implementada uma estratégia de controle MPC que usa uma função objetivo com custo econômico integrado. Finalmente, foram feitos ajustes nos parâmetros da função objetivo de modo a verificar como esses ajustes influenciam na resposta do Controlador MPC. Dentro das condições em que as simulações foram realizadas, o controlador MPC com função objetivo proposta funcionou corretamente, estabilizando a coluna de destilação quando esta foi submetida a uma variação no setpoint a também a uma série de distúrbios na alimentação. É importante perceber que o controlador implementado é mais eficiente do ponto de vista energético que o controlador MPC padrão

ABSTRACT: Distillation is a common unit operation with great energy expenditure used for separation in the oil, food, chemical industries. However, the technology currently used today in the distillation process is not very different from that used in the first distillation columns in the 19th century. The requirements of thermal energy in the distillation process are enormous. The thermodynamic efficiency of distillation processes is less than 10%. It is estimated that 8% of all energy used by U.S. industries is consumed in the distillation process. Energy is responsible for 50 to 60% of refineries operating costs while in chemical industries that proportion varies from 30 to 40%. These data shows the potential of energy savings that the distillation process can be achieved when the process is subjected to better control and optimized. The Model Based Predictive Control (MPC) is an advanced control technique with features that solve operational problems present in distillation columns. The MPC can deal with of multivariable systems with interactions and considerable dead times, nonlinearities and restrictions on the variables. One of the most important steps in the MPC is the minimization of an objective function. Different types of objective functions can be used in the MPC control algorithm with specific parameter settings for each type of objective function. In this thesis, the Wood-Berry model for distillation columns was used. A MPC control strategy for distillation column using a objective function with economic cost was implemented. Adjustments in the parameters of the objective function were made in order to see how these settings influence the response of the MPC controller. Within the conditions under which the simulations were performed, the MPC controller with the objective function proposed worked properly, stabilizing the distillation column when it has undergone a change in the setpoint and also a series of disturbances in the feed. It is important to realize that the implemented controller is more efficient using energy point of view than the standard MPC controller