Resumo: Os benefícios a serem ganhos com a automação de processos em batelada são muitos: aumento de produção, melhoria de qualidade, redução de custos e maior segurança operacional. A destilação em batelada, que está sendo largamente empregada na indústria, oferece grande flexibilidade de operação, porém o seu caráter não-linear e não-estacionário faz com que o controle e a automação se tomem um desafio. Os trabalhos experimentais sobre destilação em batelada são muito poucos, principalmente na área de controle. Além disso, os sistemas estudados apresentam comportamento ideal, não se encontrando nada na literatura a respeito de sistemas não-ideais. Considerando a carência de trabalhos práticos, o interesse pela automação de processos e a crescente importância da destilação em batelada, o presente trabalho estudou experimentalmente a operação de uma coluna de destilação em batelada em escala piloto controlada automaticamente por um microcomputador conectado "on-line" ao processo. A interface entre o micro e o processo foi feita através de uma placa conversora Analógica-Digital/Digital-Analógica (AD/DA). Foram desenvolvidas estratégias de controle para manter constante a composição do destilado (variável controlada) variando-se a razão de refluxo (variável manipulada). A primeira etapa do trabalho consistiu na elaboração de um programa simulador da coluna, com o qual foram testadas diferentes estratégias de controle. Três estratégias que se mostraram eficientes a nível de simulação foram, então, implementadas na prática. São elas: controle adaptativo auto-ajustável, controle por antecipação baseado no balanço de massa e controle proporcional baseado na simulação da coluna. Para implementar experimentalmente os algoritmos de controle, foi necessário considerar alguns aspectos não presentes a nível de simulação, tais como inferência da composição e presença de ruídos nos sinais.Devido ao alto custo e complexidade dos medidores de composição, desenvolveu-se um método para inferência da composição de sistemas binários não-ideais a partir da medida de temperatura. Um termopar foi conectado na base e outro no topo da coluna. Para diminuir o nível de ruído da temperatura lida pelo computador, foram feitos testes com alguns filtros digitais. As sub-rotinas de filtragem digital e inferência da composição foram inseridas no programa de aquisição de dados e controle. A cada período de amostragem, as saídas analógicas dos sensores de temperatura eram amplificadas, convertidas em sinais digitais, lidas e filtradas pelo computador. As temperaturas lidas eram utilizadas para inferência da composição da mistura no refervedor e do vapor no topo da coluna. A partir dos dados atuais e, a depender da estratégia de controle escolhida, dos dados passados, calculava-se a razão de refluxo necessária para manter a pureza do destilado no valor especificado.A razão de refluxo era, então, implementada através de uma válvula magnética controlada pelo computador. Os testes foram feitos com o sistema não-ideal etanol/água e com o sistema ideal etanol/l-propanol. Os três controladores apresentaram bom desempenho. Comparando-se os resultados obtidos com as três estratégias de controle, pode-se concluir que, para uma mesma precisão de controle, a diferença entre os tempos de batelada não é significativa. Porém, o perfil de razão de refluxo do controlador por antecipação é mais suave do que os perfis obtidos com os controladores adaptativo e proporcional. A influência do nível de ruído das medidas de temperatura sobre a inferência da composição depende das propriedades termodinâmicas da mistura a ser destilada. Para o sistema etanol/água na faixa X IND. EtOH > 0,60 , foram observadas grandes oscilações nos valores de composição pois, nesse caso, a precisão de + ou - 1°C não é suficiente para uma boa inferência.No entanto, para o binário etanol/l-propanol, essa precisão mostrou ser adequada para toda faixa de composição (O < ou = X IND. EtOHS < ou = 1,0) Ver menos

Abstract: The benefits to be gained from automation of batch processes are many: increased production, improved product quality, lower costs and greater safety. Batch distillation, which has been widely used in industry, provides operating flexibility but its non-linear and unsteady behaviour makes control and automation a challenge. Experimental works on batch distillation are rare, mainly in control area, and they are limited to ideal systems. Works with non-ideal systems have not been found in literature. Considering the lack of practical works, the interest in process automation and the growing importance of batch distillation, the present work studied experimentally the operation of a pilot-scale batch distillation column controlled by a microcomputer connected on-line to the process. The interface between the computer and the process was achieved by an AD/DA converter. Control strategies were developed to keep the distillate purity (controlled variable) constant by varying the reflux ratio (manipulated variable). The first step was the development of a batch distillation column simulator to test different control strategies. Simulation results of three controllers were good, so they were implemented experimentally: a self-tuning regulator (STR), a feed forward controller (FC) based on mass balance and a proportional controller (PC) based on simulation results. Some issues which were not taken into account in the column simulation, such as inference of composition and presence of noise, had then to be considered. Because of the high cost and complexity of on-line analysers, a methodology was developed to infer compositions of non-ideal binary systems from temperature measurements. The top column and still temperatures were measured with thermocouples. In order to reduce the noise leveI, different digital filters were implemented and tested. At each sampling period, the computer sent a digital signal to select the top or bottom thermo couple channel. The analogue output signals of the temperature sensors were amplified, converted to digital signals, read and filtered by the computer. The temperature measurements were used to infer the top vapour composition and the still composition. The current data and, depending on the chosen control strategy, the past data were used to calculate the reflux ratio to keep the distillate purity at the set-point. The reflux ratio was then implemented with a magnetic valve controlled by the computer. Tests were carried out with the non-ideal system ethanol/water and with the ideal system ethanol/l-propanol. The three controllers have shown good performance. For the same control accuracy, the difference in batch time was negligible.The main difference was found to be in the reflux ratio profile. The FC's reflux ratio profiles were smoother than the ones obtained with the STR and with the Pc. The influence of the noise of temperature measurements on the inferred compositions depends on the thermodynamic properties of each system. For the ethanol/water system, a higher leveIof oscillationswas present when the top vapour composition was above 0.6 because the available precision of + or ¿ 1ºC was not good enough to infer accurate composition values. However, for the ethanol/l-propanol system, this precision has shown to be suitable for the full composition range Ver menos