A Tabela V.7 ilustra uma comparação dos resultados dos casos de estudo deste trabalho de tese, sendo eles: primeira e segunda configuração da destilação reativa (DR), e o projeto conceitual proposto.
Tabela V.7. Comparação dos casos de estudo deste trabalho de tese.
Condições Operacionais Primeira
Configuração da DR Segunda Configuração da DR Processo Conceitual Proposto
Fluxo Molar de HAC (kmol/h) 20,34 15 21
Fluxo Molar de ETOH (kmol/h) 24,71 24,71 24,7
Carga Térmica do Refervedor da Coluna de purificação do
ETAC (kW)
1000 800 500
Pureza da ÁGUA que sai do sistema (fração molar)
0,972 0,999 0,999
Pureza do ETAC que sai do sistema (fração molar)
0,999 0,999 0,997
Através desta Tabela, verifica-se que os estudos realizados neste trabalho foram excelentes quanto á pureza dos produtos obtidos, salientando a melhora significativa na menor demanda térmica requerida pelo processo conceitual proposto.
V.6. CONCLUSÕES
Neste Capítulo, estudou-se a produção de acetato de etila via Processo Global Sustentável utilizando o sistema de reator acoplado/retificador.
Assim, como no Capítulo anterior, uma revisão da literatura foi realizada com o objetivo de se determinar as reações químicas principais e secundárias presentes, bem como os modelos termodinâmicos e cinéticos adequados. Esta tarefa foi altamente complexa, pois existem muito poucos trabalhos na literatura, e os existentes trazem poucos dados e informações limitadas.
Primeiramente, realizou-se a caracterização do sistema em estudo e, em seguida, a simulação do processo em estado estacionário. Esta simulação foi bastante complexa devido à presença de quatro correntes de reciclo, a convergência do sistema total foi uma tarefa difícil, mas conseguida, o que já foi importante para um sistema tão complexo.
Uma vez obtidos os perfis no estado estacionário, a metodologia de variação paramétrica para otimização do processo foi aplicada, verificando-se a influência das mais diversas variáveis na pureza dos produtos desejados. Entre estas variáveis, as que mais tiveram efeito nos produtos foram: o fluxo molar da corrente de alimentação do HAC, o fluxo molar da corrente de H2O injetada no
decantador, e a temperatura de operação do decantador.
Como contribuições deste trabalho e, em especial deste Capítulo, pode-se destacar o desenvolvimento de um Projeto Conceitual, abrangendo os conceitos de Processo Global Sustentável (SGP) e de Zero Avoidable Pollution (ZAP), que foi provado ser hoje, comparado com a literatura, o processo mais “limpo” e de acordo com a engenharia verde tão visada atualmente. Também, a utilização da metodologia de reator acoplado/retificador no simulador comercial Aspen Plus®.
CAPÍTULO VI – SIMULAÇÃO DINÂMICA
VI.1. INTRODUÇÃO
Relativamente pouco esforço tem sido direcionado para o estudo do comportamento dinâmico e de sistemas de controle de colunas de destilação reativa, apesar deste tipo de processo apresentar um comportamento dinâmico não linear bastante complexo. O comportamento dinâmico de colunas de destilação reativa é ainda tema pouco explorado na literatura aberta.
Atualmente, é de extrema importância à consideração das respostas dinâmicas dos sistemas já na fase de projeto do processo com o objetivo de visualizar as vantagens de se realizar a integração entre a idealização da estratégia de controle a ser adotada e o projeto de processo propriamente dito (Sneesby et al., 1997b). As considerações para controle do processo podem apresentar influência sobre o projeto do equipamento, os periféricos (especialmente instrumentação) e pode, em alguns casos, inviabilizar um projeto que é satisfatório em estado estacionário, porém de difícil controlabilidade.
Um profundo entendimento destes fenômenos, bem como sua predição, não é somente assunto de interesse científico, mas também um pré-requisito necessário para a melhoria do projeto de processos e de sistemas de controle industriais, uma vez que representa a realidade operacional em plantas contínuas, cujo conhecimento garante segurança, economia e produtividade (Mascolo, 2005). A operação de processos químicos considerados complexos em regime transiente, porém, é matéria relevante e deve ser levada em consideração quando da avaliação da tecnologia a ser escolhida. A dinâmica do processo de destilação reativa é complexa. Este tipo de coluna pode apresentar um comportamento dinâmico não usual e, freqüentemente, características de controlabilidade limitadas, de modo que os benefícios que tal tecnologia proporcionam podem, em
alguns casos, não se mostrarem efetivos sem a implementação de estratégias de controle adequadas.
Entre outros usos da simulação dinâmica, podem-se citar: • avaliação da operabilidade de processos alternativos;
• projeto e análise de estratégias de controle;
• avaliação de situações de falha humana ou de instrumentos e equipamentos; • dimensionamento e análise de sistemas de alívio;
• identificação de problemas operacionais;
• solução de problemas relacionados à qualidade dos produtos obtidos e às emissões atmosféricas;
• teste dos procedimentos de partida e parada da planta.
Neste capítulo, apresentam-se considerações a respeito do processo para exportar o programa realizado no simulador Aspen Plus® (em estado estacionário) para o Aspen Dynamics®, ou seja, para a simulação dinâmica, com as inclusões e
modificações adotadas para a simulação a fim de que se proceda à implementação em ambiente de simulação no modo dinâmico. Em seguida, apresentam-se os casos de estudo para esta simulação, e os resultados obtidos da simulação dinâmica.
VI.2. PROCEDIMENTO PARA A TRANSIÇÃO DO ESTADO ESTACIONÁRIO PARA A SIMULAÇÃO DINÂMICA.
Para o estabelecimento de uma simulação dinâmica, necessita-se recorrer a outro ambiente de simulação, denominado Aspen Dynamics®. Este ambiente de
simulação dinâmica apresenta duas opções de geração de simulações: uma, em que se pode trabalhar com simulações dinâmicas próprias, onde segue-se um procedimento semelhante ao ambiente de simulação Aspen Plus®, em que o
sistema é montado bloco a bloco, corrente a corrente e, após isso, ser executado e atingir convergência, ou pode-se optar por uma migração.
A migração consiste na exportação de uma simulação convergida a partir do ambiente de simulação Aspen Plus®, com simulação em modo “Dynamic” no lugar do modo “Flowsheet”. Essa modificação libera os blocos do sistema para a inserção adicional de parâmetros dinâmicos, (tais como espaçamento entre pratos, altura de vertedouro, diâmetros de coluna e queda de pressão) que serão usados para os cálculos em regime dinâmico. Com estes parâmetros fornecidos, e o sistema convergido para estes parâmetros adicionais, o sistema está pronto para a exportação. Estes parâmetros se fazem necessários para o cálculo de sistemas de controle de nível e pressão que o simulador Aspen Dynamics® gera
por definição.
A exportação consiste na tradução da simulação em ambiente de estado estacionário, para o ambiente em regime dinâmico. O simulador Aspen Plus® gera um arquivo de exportação para ser executado no ambiente de simulação dinâmica Aspen Dynamics®, que calcula, a partir deste arquivo traduzido, os valores iniciais
para a simulação dinâmica.
Durante o processo de exportação de uma simulação no estado estacionário com parâmetros dinâmicos, o módulo tradutor pode apontar algumas incompatibilidades entre os programas que necessitem ser corrigidos antes da geração do arquivo de exportação. Essas correções dizem respeito aos parâmetros dinâmicos inseridos, ou algum bloco ou recurso disponível no ambiente de simulação Aspen Plus® que não seja suportado pelo ambiente de
simulação Aspen Dynamics®. Esta é uma etapa complexa para os processos que
operam no seu limite em estado estacionário, pois qualquer mudança de blocos, ou inserção de novos valores, afeta diretamente a convergência do programa como um todo.
Não havendo correções adicionais, o módulo tradutor comanda a geração do arquivo de exportação, que pode ser carregado no ambiente de simulação Aspen Dynamics®.
Para a simulação dinâmica, o simulador gera, por default, controladores. Cada controlador gerado automaticamente tem uma variável de processo, um ponto ajustado do operador, e uma saída do controlador, cujos valores são calculados a partir dos resultados do estado estacionário do simulador Aspen Plus®. Cada controlador tem também seus próprios parâmetros que precisam ser ajustados, tais como o ganho, tempo integral, tempo derivativo, dentre outros.
Neste trabalho, para a simulação dinâmica, os seguintes controladores foram gerados pelo simulador Aspen Dynamics®:
• nível líquido do cilindro do refluxo (LC1) • pressão superior do estágio (PC2) • nível do líquido no refervedor (LC3)
O controlador PC2 da pressão é definido como um controlador proporcional integral (PI), com default no ganho e no tempo integral, e quando os controladores de nível forem apenas controladores proporcionais, apenas os valores para o ganho são gerados pelo simulador.
Além destes controladores gerados pelo simulador, foi implementado outro controlador, colocado no sistema, para avaliar a corrente de topo dos sistemas analisados, ou seja, a corrente que deixa a coluna de destilação reativa e a corrente que deixa o sistema reator/coluna acoplados, a fim de analisar o comportamento destes dois sistemas estudados. Este controlador que foi adicionado ao sistema é um PID (Proporcional Integral Derivativo), com a variável de saída sendo a vazão da corrente de alimentação de etanol (ETOH) e a variável manipulada a vazão da corrente, também de alimentação, do ácido acético (HAC).
Em suma, um roteiro genérico para simulação dinâmica é descrito a seguir (Vasconcelos, 1999).
• obtenção da solução do problema em estado estacionário.
• determinação das variáveis a serem controladas/manipuladas pela sistemática de controle adotada.
• instalação dos controladores e determinação de seus parâmetros, bem como instalação das válvulas de controle e dimensionamento das mesmas.
• criação de gráficos para acompanhamento das variáveis.
• introdução de perturbações e avaliação da efetividade da estratégia de controle adotada.