Controle de uma coluna de destilação azeotrópica não convencional – um estudo de caso industrial. - VASCONCELOS, Andre Luis Sousa de. (2006)
Colunas de destilação, em geral, constituem uma fração significativa do investimento de capital e do custo de produção de plantas químicas. Portanto, necessitam ser projetadas e controladas para manterem-se nas condições operacionais ótimas. Neste trabalho, desenvolveu-se uma nova proposta para uma estratégia de controle de composição para uma coluna de destilação pertencente a uma planta comercial de produção de cloreto de vinila. Algumas particularidades desta coluna e dos requisitos do sistema de controle propiciam e este estudo de caso aspectos não usuais. Trata-se de uma destilação multicomponente de alta pureza, com alta razão de refluxo, onde a mistura apresenta um comportamento azeotrópico não convencional. As respostas em malha aberta para perturbações na vazão de alimentação e na carga térmica do refervedor apresentam substancial sobreelevação e inversão. Os requisitos do sistema de controle são incomuns por incluírem controle de composição de dois componentes em níveis de concentração de partes por milhão na corrente da base da coluna, sendo que um deles, mais precisamente o CCl4 possui volatilidade intermediaria na mistura. A coluna apresenta dificuldades de estabilização deste componente. O projeto de um sistema de controle para um processo com as características citadas representa um grande desafio. Apresentou-se uma breve revisão da literatura sobre destilação, modelagem matemática de colunas e estruturas de controle de colunas de destilação. A simulação estacionária da coluna foi o ponto de partida para o desenvolvimento do trabalho, pois através da mesma o modelo do processo foi validado e os perfis de composição dos componentes obtidos. Ficou definido, controlar a composição de apenas um dos componentes, no caso o CHCl3, já que o CCl4 permaneceu sempre dentro da faixa de composição aceitável durante as várias simulações. A proposta inicial para controlar a composição do componente escolhido foi um controle por inferência, utilizando a temperatura do prato sensível como variável controlada e a carga térmica do refervedor como variável manipulada, mas a mesma foi abandonada devido a pouca sensibilidade apresentada pela temperatura em vários pontos ao longo da coluna e principalmente pelo elevado período de tempo apresentado pela coluna para atingir um novo estado estacionário. Como a vazão de refluxo apresentou uma boa sensibilidade frente a perturbações na vazão da alimentação e na carga térmica do refervedor, a mesma foi escolhida para o controle de composição do CHCl3 na base da coluna. Esta boa sensibilidade foi comprovada por um estudo de inferência dinâmica. O problema inicial era como utilizar esta variável para controlar a composição da base, pois a mesma era utilizada para o controle o nível da fase orgânica no vaso de refluxo. Foi pensado então em um controle “Override” com duas malhas: a primeira malha para o controle inferencial da composição do CHCl3 a partir da vazão de refluxo manipulando a carga térmica do refervedor e a segunda malha para o controle do nível da fase orgânica manipulando a vazão de refluxo. As simulações mostraram que esta estratégia de controle também teria que ser abandonada pelo fato do nível da fase orgânica apresentar variações muito bruscas, ou seja, tende para um máximo ou mínimo de forma muito rápida. Decidimos controlar o nível da fase orgânica no vaso de refluxo a partir da carga térmica deixando a vazão de refluxo livre para pode ser utilizada para o controle de composição. Verificou-se que os efeitos da vazão de alimentação e da vazão de refluxo sobre a composição na base eram contrários, o que nos levou a concluir que a melhor estratégia de controle seria um controle Feedforward, onde para uma dada modificação na vazão da alimentação o sistema de controle ajusta a vazão de refluxo de modo que a soma dos efeitos de cada uma dessas vazões na composição de CHCl3 se anulam mantendo assim a composição controlada. O desempenho do mesmo foi excelente principalmente porque além de controlar a composição do CHCl3 na base, também estabilizou a composição de CCl4. Concluiu-se que além de controlar a composição de CHCl3 e estabilizar a composição de CCl4 na base o sistema de controle ainda é capaz de fornecer de forma contínua estes valores, o que pode vir a permitir que os operadores acompanharem em tempo real as possíveis variações que possam vir a acontecer nos mesmos em relação ao setpoint.