Otimização e controle integrado de variáveis-chave: unidade de destilação de peróxido de hidrogênio
The steam consumption by hydrogen peroxide (H2O2) distillation columns is quite representative. Aiming the energetic annual cost reduction, it is proposed to simulate an integrated control system that seeks the unity continuous operation under desired specifications and based on minimum required ste...
| Autor principal: | Carvalho, Paulo Afonso Alves de |
|---|---|
| Formato: | Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização) |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2020
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| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/17100 |
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riut-1-171002020-11-20T17:54:12Z Otimização e controle integrado de variáveis-chave: unidade de destilação de peróxido de hidrogênio Key-variables optimization and integrated control: hydrogen peroxide distillation unity Carvalho, Paulo Afonso Alves de Schneider, Guilherme Alceu Schneider, Guilherme Alceu Stebel, Sérgio Leandro Nabas, Kleber Kendy Horikawa Peróxido de hidrogênio Destilação Vapores Controladores PID Controle preditivo Hydrogen peroxide Distillation Vapors PID controllers Predictive control CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES INDUSTRIAIS E EQUIPAMENTOS PARA ENGENHARIA QUIMICA::OPERACOES CARACTERISTICAS DE PROCESSOS BIOQUIMICOS The steam consumption by hydrogen peroxide (H2O2) distillation columns is quite representative. Aiming the energetic annual cost reduction, it is proposed to simulate an integrated control system that seeks the unity continuous operation under desired specifications and based on minimum required steam flowrate. For the development of this control strategy, it is considered, by simplification, as key-process variables: H2O2 feed flow, reflux flow, steam flow, H2O2 column top overheads and H2O2 final product concentration. First of all, both the steam flow and H2O2 column top overheads modeling based on influence of other key-process variables are developed. Assuming the final product concentration is constant and equal to 70,3% by weight and the maximum allowable H2O2 column top overheads is 1000 ppm, the maximum savings related to the unity is associated to the operation that guarantees these specificities with minimum reflux flowrate and consequently with minimum possible steam flowrate. In this context, a methodology with statistical basis is applied to predict, without many field tests, a well adjusted predictive model for reflux and steam flow. Precisely these models, when applied, and fed by H2O2 feed flow, free control variable (choosed by Production sector), and by maximum allowable H2O2 column top overheads set-point, will first ensure the reflux flow minimization and consequently the steam flow minimization. In addition to predictive models destined to process optimization, open-loop transfer functions of both reflux and steam flow are also sought. Finally, the PID adjustment each loop is performed so that they are integrated. The reflux and steam open-loops can be classified as integrated, since the process value, optimized reflux flowrate, will be fed into the predictive model contained in steam controller to obtain the new minimum steam flowrate to process. Besides resulting financial gains, in the case of implementation, the project contemplates an innovative alternative for process control that can be diffused to other process areas. O consumo de vapor demandado por colunas de destilação de peróxido de hidrogênio (H2O2) é bastante representativo. Visando a redução do custo anual energético, propõe-se a simulação de um sistema de controle integrado que busque a operação contínua da unidade dentro das especificações desejadas e com a mínima vazão de vapor necessária. Para o desenvolvimento desta estratégia de controle, considera-se, por simplificação, como variáveis-chave de processo: a vazão de alimentação de H2O2, a vazão de refluxo, a vazão de vapor, o arraste de H2O2 pelo topo da coluna e a concentração de H2O2 produto final. Em um primeiro momento, tanto a modelagem da vazão de vapor quanto do arraste de topo da coluna com base na influência das demais variáveis-chave de processo são desenvolvidas. Admitindo que a concentração do produto final desejada seja constante e igual a 70,3% em massa e que a máxima perda permissível de H2O2 arrastado pelo topo da coluna seja de 1000 ppm, a máxima economia da unidade está associada à operação que garanta estas especificidades com a mínima vazão de refluxo e consequentemente com a mínima vazão de vapor possível. Neste contexto, uma metodologia com fundamentação estatística é empregada para prever, sem a necessidade de uma carga de testes exagerada, um modelo preditivo de bom ajuste para a vazão de refluxo e consequentemente para a vazão de vapor. Justamente estes modelos, quando aplicados, e alimentados pela vazão de alimentação de H2O2, variável-livre de controle (selecionada pela equipe de Produção), e pelo set-point de máximo arraste permissível pelo topo da coluna é que garantirão primeiramente a minimização da vazão de refluxo e conquentemente da vazão de vapor da unidade. Além dos modelos preditivos utilizados para a otimização do processo, as funções de transferência, em malha aberta, tanto da vazão de refluxo quanto da vazão de vapor também são buscadas. Por fim, o ajuste do PID de cada malha é executado, de tal forma que as mesmas se tornem integradas. As malhas de refluxo e de vapor podem ser classificadas como integradas, uma vez que o valor da vazão de saída (PV) otimizado do controlador de refluxo será alimentado no modelo preditivo contido no controlador de vapor para obtenção da nova vazão mínima de vapor para o processo. Além de resultar em ganhos financeiros, no caso de implementação, o projeto contempla uma alternativa inovadora para controle de processos que pode ser difundida para outras áreas de processo. 2020-11-20T17:54:12Z 2020-11-20T17:54:12Z 2017-10-24 specializationThesis CARVALHO, Paulo Afonso Alves de. Otimização e controle integrado de variáveis-chave: unidade de destilação de peróxido de hidrogênio. 2017. 58 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Automação Industrial) Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/17100 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Especialização em Automação Industrial UTFPR |
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The steam consumption by hydrogen peroxide (H2O2) distillation columns is quite representative. Aiming the energetic annual cost reduction, it is proposed to simulate an integrated control system that seeks the unity continuous operation under desired specifications and based on minimum required steam flowrate. For the development of this control strategy, it is considered, by simplification, as key-process variables: H2O2 feed flow, reflux flow, steam flow, H2O2 column top overheads and H2O2 final product concentration. First of all, both the steam flow and H2O2 column top overheads modeling based on influence of other key-process variables are developed. Assuming the final product concentration is constant and equal to 70,3% by weight and the maximum allowable H2O2 column top overheads is 1000 ppm, the maximum savings related to the unity is associated to the operation that guarantees these specificities with minimum reflux flowrate and consequently with minimum possible steam flowrate. In this context, a methodology with statistical basis is applied to predict, without many field tests, a well adjusted predictive model for reflux and steam flow. Precisely these models, when applied, and fed by H2O2 feed flow, free control variable (choosed by Production sector), and by maximum allowable H2O2 column top overheads set-point, will first ensure the reflux flow minimization and consequently the steam flow minimization. In addition to predictive models destined to process optimization, open-loop transfer functions of both reflux and steam flow are also sought. Finally, the PID adjustment each loop is performed so that they are integrated. The reflux and steam open-loops can be classified as integrated, since the process value, optimized reflux flowrate, will be fed into the predictive model contained in steam controller to obtain the new minimum steam flowrate to process. Besides resulting financial gains, in the case of implementation, the project contemplates an innovative alternative for process control that can be diffused to other process areas. |
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CARVALHO, Paulo Afonso Alves de. Otimização e controle integrado de variáveis-chave: unidade de destilação de peróxido de hidrogênio. 2017. 58 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Automação Industrial) Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017. |
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