Controle avançado de um reator quimico de leito fixo

Orientador: Rubens Maciel Filho Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica Resumo: A utilização de reatores catalíticos de leito fixo nas indústrias químicas, e a necessidade de otimização e controle dos mesmos, motivaram o estudo de modelos dinâmicos e técnicas de controle, como a utilização de controladores "Feedback­Feedforward", funcionando simultaneamente. Na prática, muitos sistemas de controle "feedforward" são implementados usando sistemas de controle "ratio". O controlador "feedforward" controla as grandes e freqüentes perturbações mensuráveis e o controlador "feedback" controla quaisquer desvios que ocorram no processo devido às imprecisões do controlador "feedforward" ou outras perturbações não mensuráveis, como as alterações internas devido à desativação de catalisador. O projeto inicial do controlador "Feedback-Feedforward" foi feito através de um modelo empírico de 23 ordem obtido pelo planejamento fatorial, que apresentou "offsets" na variável controlada, mas boa previsibilidade para a variável manipulada. A construção de um novo controlador Estatístico-PID foi sugerida, de forma a eliminar os problemas anteriores e aproveitar a previsibilidade do modelo empírico através de um modelo dinâmico utilizando a lei de controle do PID em seu algoritmo. Assim, obteve-se um melhor desempenho quando comparado somente ao controlador convencional tipo PID. As variáveis de controle e manipulação foram escolhidas através de uma análise do comportamento dinâmico do reator em malha aberta, as quais permitiram a manutenção ou obtenção de um novo estado estacionário desejado. Para esta análise das variáveis também foram utilizadas técnicas estatísticas, como o planejamento de experimentos fatorial, que mostrou seus efeitos e suas interações. Como caso estudo, será considerada a oxidação do etanol a acetaldeído tendo como catalisador o Fe-Mo, cujos dados operacionais são conhecidos. O comportamento dinâmico do reator catalítico de leito fixo será descrito pelo modelo proposto por Maciel Filho, 1989. O método de resolução consiste na aplicação do método das Linhas, utilizando-se uma combinação da colocação ortogonal (Villadsen & Michelsen, 1978) na direção radial com o método de Runge-Kutta de quarta ordem para a direção axial Abstract: The use of fixed bed catalytic reactors in the chemical industry, and the necessity of controlling and optimizing these reactors, have motivated the studies of dynamic models and control techniques, such as the use of Feedback-Feedforward controllers, working simultaneously. In practice, several feedforward control systems are implemented using ratio control systems. The feedforward controller controls the big and fi'equent perturbations and the feedback controller controls any deviation that occurs in the process due to the feedforward controller imprecision, or other non-measurable perturbations, such as internal modifications due to catalyst deactivation. The first "Feedback-Feedforward" controIler design was done using a 2nd order empirical model obtained fi'om a factorial design that produced offsets in the controIled variable, but good predictability for the manipulated variable. The development of a new Statistical-PID controIler was suggested, to eliminate the problems of the first and take advantage of the predictability of the empirical model through a dynamic model using the PID controllaw in the algorithm. In this way, a better performance was obtained when compared only to the conventional controIler oftype PID. The control and manipulated variables were chosen through an analysis of the dynamic behavior of the reactor in open loop, which permits the maintenance or a new desired steady state. Statistical techniques, such as factorial planning experiments, were used for the analysis ofthese variables in order to obtain their effects and interactions. As case study, the oxidation of ethanol into acetaldehyde over Fe-Mo catalyst wiIl be considered. The dynamic behavior of the fixed bed catalytic reactor will be described by the model proposed by Maciel Filho, 1989. The solution method consists in the application ofthe Line Method, using the orthogonal collocation (Villadsen & Michelsen, 1978) in the radial direction with the fourth order Runge-Kutta in the axial direction Mestrado Desenvolvimento de Processos Químicos Mestre em Engenharia Química