Abordagem termodinâmica para avaliação da controlabilidade em processos integrados (Redes de trocadores de calor)

Abstract

Atualmente, a interação do projeto do processo com o projeto dos sistemas de controle passou a ser foco de desenvolvimento e pesquisa, devido ao fato de que nem sempre o melhor projeto do processo apresenta o melhor desempenho dinâmico, devido as implicações na controlabilidade da planta. Note-se que um projeto mais integrado (em termos de energia e de massa) leva a um sistema com menores gradientes por ser mais próximo da reversibilidade. Desta forma uma pre-análise termodinâmica, do posto de vista dissipativo no estado estacionário, pode auxiliar na obtenção de uma boa estimativa de um projeto ótimo que não comprometa a controlabilidade. A presente dissertação traz uma abordagem simultânea dos objetivos econômicos e de controlabilidade nas fases iniciais do projeto do processo. Um estudo sobre a controlabilidade e a resiliência de uma rede de trocadores de calor foi realizada, fazendo-se uso da matriz de ganho relativo (RGA) e do custo de perturbação (DC), tendo-se obtido as configurações e o controle das redes propostas e seu desempenho. Estes resultados são comparados com a abordagem termodinâmica proposta e um tempo de resposta foi alcançado, como uma medida da capacidade de controle (controlabilidade) do sistema do processo aplicado a uma rede de trocadores de calor (RTC), que mostra a relação entre a energia, a produção de entropia e a controlabilidade do processo. Esta análise mostrou coerência com os resultados da literatura. Adicionalmente a rede é sintetizada e simulações dinâmicas são desenvolvidas, que mostram como a resposta dinâmica da rede de trocadores de calor integrada não apresenta uma boa resposta a perturbações, e o efeito da adição de uma corrente de desvio na unidade mais próxima da temperatura de saída controlada

Nowadays, the interaction between process design and control has become the focus of research and development, because not always the best process design features the best dynamic performance, with implications in the controllability of the plant. Can be noticed that a more integrated design (in terms of energy and mass) leads to a system with smaller gradients for being closest to reversibility. Thus a thermodynamic pre-analysis from the dissipative point of view at steady state, can assist in obtaining a good estimative of an optimal design which will not compromise controllability. The present thesis proposes a simultaneous approach for the economic goals and controllability in the early stages of the process design. The controllability and resiliency are first analyzed using a known heat exchanger network and the Relative gain array (RGA) and disturbance cost (DC), obtaining the control configurations of the proposed networks and their control performance. This results are compared with the proposed thermodynamic approach, where a response time is achieved, as a measure of controllability of the process system applied to a heat exchanger network (HEN), showing the relation between energy and entropy production and process controllability. This analysis showed consistency with the literature results. In addition, the network is synthesized and dynamic simulations are developed, showing that the dynamic response of the integrated heat exchanger network presents a poor response to disturbances, and the effect of adding a bypass stream in the unit closer to the outlet controlled temperature