Orientador: Osvaldir Pereira Taranto

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A técnica do leito de jorro têm sido utilizada em diversos processos industriais e com maior ênfase nos setores químico, alimentício e farmacêutico, visto que apresenta como principais vantagens excelentes taxas de transferência de calor e massa. Contudo, tais características estão...

Resumo: A técnica do leito de jorro têm sido utilizada em diversos processos industriais e com maior ênfase nos setores químico, alimentício e farmacêutico, visto que apresenta como principais vantagens excelentes taxas de transferência de calor e massa. Contudo, tais características estão diretamente condicionadas à manutenção do regime de jorro estável, sendo, portanto, um ponto crítico de controle e objetivo operacional que deve ser satisfeito. Em geral, as condições operacionais executadas durante a secagem de pastas em leito de jorro produzem uma atmosfera interna com elevado conteúdo de umidade devido à aspersão de líquidos, promovendo notória dificuldade de operação e manutenção do regime fluidodinâmico desejado neste tipo de processo. Uma forma de superar os problemas efetivos associados à dificuldade de manutenção do regime de jorro estável é através da engenharia de controle e automação de processos. Dentro deste contexto e objetivando a manutenção do regime dinâmico estável durante o processo de umedecimento de inertes em leito de jorro, utilizou-se a metodologia de análise espectral dos sinais de flutuação de queda de pressão no leito para estudar o comportamento dos regimes fluidodinâmicos e implementar uma estratégia de monitoramento e controle do processo. Como partículas inertes foram utilizadas microesferas de vidro, enquanto o umedecimento do leito foi por meio de água destilada. Ensaios em leito seco em malha aberta permitiram identificar os regimes de jorro estável, jorro interno, leito fixo e o instante de transição entre os regimes a partir das variáveis monitoradas, frequência e amplitude espectral dominante e desvio padrão da flutuação de pressão. A frequência dominante demonstrou ser a variável mais adequada para monitorar e controlar o processo. Ensaios em leito úmido em malha aberta tiveram o intuito de avaliar o comportamento da frequência dominante durante condições de instabilidade e definir o setpoint range do controlador para o regime de jorro estável (7,8 a 8,4 Hz). A última etapa deste trabalho consistiu na implementação das malhas de controle. A utilização de controladores PI e PID permitiu desenvolver diferentes malhas de controle atuantes na vazão de ar de jorro e na vazão de atomização (variáveis manipuladas) a partir de uma única variável controlada (frequência espectral dominante). Os resultados demonstram que o regime dinâmico de jorro estável pode ser monitorado através da análise espectral dos sinais de flutuação de pressão, e controlado utilizando simplesmente controladores convencionais PID. A metodologia utilizada neste trabalho demonstra grande potencial de aplicação em processos de secagem de pastas reais, uma vez que a análise espectral das flutuações de pressão é baseada em medições simples, versáteis, robustas, em tempo real e de forma não intrusiva ao processo, enquanto que os controladores convencionais (PID) são de fácil aplicação e conseguiram neste trabalho, dentro das faixas estudadas, controlar o regime de jorro estável evitando instabilidades fluidodinâmicas

Abstract: The spouted bed dryers have been widely used in many industrial processes, especially in chemical, food and pharmaceutical industries, since its main advantages are high rates of heat and mass transfer. However, such characteristics are related on the maintenance of stable spout regime,...

Abstract: The spouted bed dryers have been widely used in many industrial processes, especially in chemical, food and pharmaceutical industries, since its main advantages are high rates of heat and mass transfer. However, such characteristics are related on the maintenance of stable spout regime, therefore, beyond a critical control point and an operational objective that must be done. Usually, the moisture content during the drying of pastes in spouted bed is high due to the liquid atomization. Thus, the operational and maintenance of the desired fluid dynamic regime in this process is difficult. One way to overcome these problems is through the control engineering and process automation. In this context, and aiming to maintain the dynamic regime stable during the wetting in the spouted bed, we used the method of spectral analysis of pressure fluctuation signals for studying the behavior of fluid dynamic regimes and implement a strategy monitoring and control process. Glass beads were used as inert particles and distilled water was the atomize liquid. The open loop experiments in a dry bed allowed the identification of stable spout, internal spout and fixed bed and the moment of transition between the regimes from the monitored variables, dominant frequency, amplitude and standard deviation of pressure fluctuation. The dominant frequency was the most appropriate variable to monitor and control the process. The open loop experiments in a wet bed allowed to evaluate the behavior of the dominant frequency during unstable conditions and set the controller setpoint range for the system of stable spout (7.8 and 8.4 Hz). The last stage of this work consisted in the implementation of control loops, tuning controllers and closed loop tests. The use of PID controllers allowed the development of different control loops operating in the air flow rate and flow of pulp to be dried (manipulated variables) from a single controlled variable (spectral dominant frequency), demonstrating that stable dynamic regime can as well as monitored by spectral analysis of the pressure fluctuation signal to be maintained and controlled through the use of conventional controllers. The methodology used in this study demonstrates good potential for application for drying real slurries, because spectral fluctuations of the pressure measurement is based on simple, versatile, non-intrusive and with a real time, while conventional controllers (PID) are easy to apply and, in this work, controlled the stable spout regime in the range studied, avoiding fluid dynamics instabilities