Modelagem, controle e otimização de processos da indústria do etanol: uma aplicação em energia solar

Abstract

Resumo: A indústria do etanol exerce um papel importante no cenário econômico do Brasil, em virtude da sua representatividade nos setores de biocombustíveis e energia. Desse modo, o etanol brasileiro é reconhecidamente uma alternativa concreta para a substituição dos combustíveis fósseis. Todavia, apesar dos avanços obtidos em termos de manipulações biogenéticas e químicas para um melhor aproveitamento da cana, são imprescindíveis as aplicações modernas de tecnologia nas engenharias envolvidas no processo. Nesse contexto, este trabalho propõe soluções na área de Engenharia de Controle e Automação que otimizam a produção de etanol. Ainda, visando à viabilidade ambiental das propostas, a aplicação da energia solar e o uso da água se enquadram na parte inovadora do estudo. Em particular, as duas principais etapas de fabricação da usina sucroalcooleira são abordadas em uma linguagem de cunho teórico com experimentos industriais. Na unidade de fermentação, um modelo completo é desenvolvido para analisar o comportamento das principais variáveis do processo. A estratégia proposta consiste em um sistema multivariável de duas camadas que utiliza o controle preditivo não linear para maximizar a concentração final de etanol no reator. No entanto, o projeto geral possui uma planta solar que auxilia o resfriamento dos processos fermentativos. A destilaria foi modelada em escala industrial utilizando o software Hysys, em que é possível estudar a produção dos álcoois de 2a, hidratado e anidro de acordo com os sistemas de controle aplicados. Nessa unidade, uma estratégia que possui PIDs (Controlador Proporcional- Integrativo-Derivativo), MPCs (Model Predictive Control) e uma camada de controle supervisório é proposta para avaliar os ganhos obtidos em termos de fabricação do álcool de 2a e do hidratado, formação da vinhaça e consumo energético das colunas. Finalmente, o trabalho é concluído apontando as principais contribuições e perspectivas dos pontos de vista de pesquisa e aplicação tecnológica.<br>

Abstract: The ethanol industry has an important role in the economic scenario in Brazil by virtue of its representation in the areas of biofuels and energy. Thus, Brazilian ethanol is recognized as a concrete alternative for replacing of fossil fuels. However, despite the progress achieved in terms of chemical and biogenetic manipulations to make better use of the sugarcane, it is essential the use of modern technologies in the different types of ingineering involved in the process. In this context, this work proposes solutions in the area of Control and Automation Engineering to optimize ethanol production. Also, aiming to the environmental viability of the proposals, the application of solar energy and the minimization of the consumption of water appear at the innovative part of the study. In particular, the two main steps of the manufacturing sugarcane plant are addressed at a theoretical language with industrial experiments. In the fermentation unit, a complete model is developed to analyze the behavior of the main process variables. The strategy proposed consists in a multivariable system of two layers which uses the nonlinear predictive control to maximize the final concentration of ethanol in the reactor. However, the overall project has a solar plant that assists the cooling of fermentation processes. The distillery was modeled on an industrial scale using the software Hysys, in which it is possible to study the production of the 2nd, hydrated and anhydrous ethanols according to the control systems applied. In this unit, a strategy that has PIDs (Proportional-Integrative-Derivative Controller), MPCs (Model Predictive Control), and supervisory control layer is proposed to evaluate the gains obtained in terms of fabrication of 2nd and hydrated ethanols, generation of stillage, and energy consumption of the columns. Finally, the work is concluded by pointing the main contributions and future prospects of the views of research and technological application.