IMPLEMENTAÇÃO DE UMA ESTRUTURA DE CONTROLE INDIRETO DA CONCETRAÇÃO DE ETANOL EM UMA COLUNA DE DESTILAÇÃO HÍBRIDA

The unit operation of distillation demands the largest amount of energy in the ethanol separation. It is of utmost interest to minimize the energy expended in the process, playing the control an important role on this task. Here a Proportional-Integral- Derivative (PID) controller is proposed to ens...

Nível de Acesso:openAccess
Publication Date:2013
Main Author: Gehlen, Cindi de Oliveira lattes
Orientador/a: Hoffmann, Ronaldo lattes
Format: Dissertação
Language:por
Published: Universidade Federal de Santa Maria
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos
Department: Engenharia de Processos
Assuntos em Português:
Assuntos em Inglês:
Áreas de Conhecimento:
Online Access:http://repositorio.ufsm.br/handle/1/7958
Citação:GEHLEN, Cindi de Oliveira. IMPLEMENTATION OF A INDIRECT CONTROL STRUTURE OF THE ETHANOL COMPOSITION CONTROL IN A HYBRID DISTILLATION COLUMN. 2013. 109 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2013.
Resumo Português:A operação unitária de destilação exige uma grande quantidade de energia na separação de etanol. É de extremo interesse minimizar a energia gasta no processo e, nesta tarefa, o controle desempenha um papel importante. Neste trabalho, um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é proposto para assegurar a concentração de etanol combustível no valor desejado, isto é, próximo de 92º INPM, assim como economizar energia através do mínimo consumo energético no refervedor. É bem conhecido que os analisadores de concentração apresentam um alto custo e tem um tempo de resposta elevado. Devido a estas limitações foi desenvolvido um modelo de inferência no qual a concentração do produto é inferida através da combinação entre a temperatura do produto e relações termodinâmicas, proporcionando o monitoramento e, posteriormente, o controle indireto desta variável. Além disso, a inferência da concentração permite definir o valor de referência da temperatura do produto que assegure a produção de etanol na concentração desejada. A estrutura de controle escolhida leva em consideração o valor de referência da temperatura do produto, como ponto de ajuste do controlador SISO (Single Input Single Output) e, deste modo, a concentração de etanol no produto é controlada indiretamente pelo controle direto da temperatura do produto. O projeto do controlador depende de um bom modelo dinâmico entre a variável manipulada (potência do refervedor) e a variável controlada (temperatura do produto). Esta relação foi obtida por meio da identificação de dados do processo com modelos paramétricos discretos, sendo que o Output Error e o ARMAX os modelos que apresentaram o melhor desempenho. Vários métodos de sintonia foram comparados para o projeto do controlador. Entre estes métodos, o Internal Model Control (IMC) apresentou a melhor relação entre a robustez e o desempenho para ser utilizado no processo de destilação em estudo. A seguir, o controlador proposto foi validado no processo e os resultados mostraram o seu bom desempenho na obtenção da composição do produto no valor desejado. Pode-se concluir que o controlador PID proposto apresentou o desempenho esperado, dentro das limitações da instrumentação disponível e das particularidades do processo.
Resumo inglês:The unit operation of distillation demands the largest amount of energy in the ethanol separation. It is of utmost interest to minimize the energy expended in the process, playing the control an important role on this task. Here a Proportional-Integral- Derivative (PID) controller is proposed to ensure the fuel ethanol composition at desired value, i. e., above 92,5°INPM as the same time as save energy through the minimal use of reboiler power. It is well known that the composition analyzers are expensive and have a high response time. Due to such limitation, we have developed an inference model in which the product composition is inferred from the product temperature and thermodynamics relations, enabling the monitoring and the indirect control a posteriori of this variable. In addition, the inference of composition allows defining the reference value of product temperature which ensures the fuel ethanol production at desired composition. The chosen control structure takes into account the reference value of product temperature as set-point of a SISO (Single Input Single Output) controller, i. e., the product ethanol composition is indirectly controlled by the direct control of product temperature. The control design depends on a good dynamic model between the manipulated variable (reboiler power) and the controlled variable (product temperature). Such relationship was obtained by process data identification with discrete parametric models, being Output Error and ARMAX the models with the best performance. Several tuning methods were compared for the controller design. Among these methods, the Internal Model Control (IMC) has presented the best relationship between robustness and performance to be used in the distillation process of this study. Finally, the proposed controller was validated in the process and the results have shown its good performance to obtain the product composition at desired value. Thus, we can conclude that the proposed controller, through the simple PID control strategy, performed as expected within the limitations of available instrumentation and the process particularities.