Orientador: Roger Josef Zemp

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

Resumo: Com o desenvolvimento da análise pinch, foi possível estabelecer metas de consumo de utilidades em processos químicos e posteriormente sintetizar a rede capaz de atender as metas estabelecidas. Em contrapartida, os processos energeticamente integrados atendendo essas metas podem ser difíceis...

Resumo: Com o desenvolvimento da análise pinch, foi possível estabelecer metas de consumo de utilidades em processos químicos e posteriormente sintetizar a rede capaz de atender as metas estabelecidas. Em contrapartida, os processos energeticamente integrados atendendo essas metas podem ser difíceis de se controlar e isso motiva estudar a controlabilidade e a dinâmica desses processos. Porém, a literatura vem tratando esses estudos desacoplando a rede do restante do processo e isso pode introduzir erros nos resultados, pois dinâmicas importantes associadas aos reciclos são perdidas. Assim, neste trabalho foi levantada a hipótese de que a análise da controlabilidade de redes de trocadores de calor, assim como o projeto de seus controladores, desprezando-se outros equipamentos de processo como colunas, reatores etc., pode induzir a uma falsa compreensão da dinâmica do processo e levar à síntese de uma rede fora do ótimo entre objetivos econômicos e controlabilidade. Para a execução das simulações, foi construída uma ferramenta computacional em Matlab onde foram implementados os modelos dos trocadores de calor e dos outros equipamentos de processo. Foi proposto um estudo de caso para um processo fictício com cinco topologias de redes de trocadores onde a controlabilidade foi avaliada utilizando-se dois índices em estado estacionário e um índice dinâmico. Observou-se que existe uma tendência de redução na controlabilidade conforme a integração energética aumenta e por isso a topologia que atendia às metas da análise pinch foi indicada por todos os índices como tendo a pior controlabilidade. Também foi testada a influência do atraso de transporte e da diferença entre as velocidades das dinâmicas dos equipamentos. A hipótese levantada neste trabalho foi comprovada

Abstract: The development of pinch analysis gave a powerful tool for engineers to establish energy targets for chemical processes and, with some extra work, synthesize a heat exchanger network to attain those targets. On the other hand, these heat integrated networks are generally hard to control,...

Abstract: The development of pinch analysis gave a powerful tool for engineers to establish energy targets for chemical processes and, with some extra work, synthesize a heat exchanger network to attain those targets. On the other hand, these heat integrated networks are generally hard to control, motivating several studies on their controllability and dynamics. However, most scientific studies decouples the network from the rest of the process and it can introduce errors in the results, because important dynamics related to recycles are lost. Therefore, it was raised the hypothesis that the controllability analysis of a heat exchanger network, as the design of their controllers, disregarding the other process equipments such as columns, reactors etc., may lead to false comprehension of the process dynamics and make the network synthesis out of the optimum between economic and controllability objectives. To simulate the systems, a computational tool was developed in Matlab, where the models of the heat exchangers and the other equipments were implemented. A case study of a fictitious process was proposed and five heat exchanger topologies were synthesized, with controllability assessed by two steady state indexes and a dynamic one. It was observed that controllability decreases as heat integration increases, therefore, the pinch network was pointed as having the worst controllability. The effects of dead time and difference between dynamic velocities in the equipments were also tested. The hypothesis was proven