Estratégias de controle aplicadas a colunas de destilação de filme descendente assistidas por termossifão

Abstract

A maturidade tecnológica das colunas de destilação convencionais é destacada na indústria química para a separação de misturas, com um nível consolidado de desenvolvimento. No entanto, a ineficiência termodinâmica associada a este processo e a elevada perda de energia, resulta em altos custos operacionais. Nesse contexto, a destilação por filme líquido descendente assistida por termossifão bifásico (DESTUBCAL), surge como uma alternativa promissora para minimizar o custo energético, oferecendo dimensões reduzidas. Este trabalho tem por objetivo preencher uma lacuna significativa no conhecimento sobre estratégias de controle para tais colunas, propondo estratégias de controle que avaliam as especificidades dinâmicas e as interações entre variáveis dessas colunas em diferentes configurações: unitubular e multitubular, com aquecimento isotérmico e com perfil de temperatura. O comportamento do sistema pôde ser descrito com precisão por meio da modelagem de funções de transferência de primeira ordem com tempo morto. As simulações foram conduzidas no ambiente de simulação MATLAB/Simulink e foram analisadas duas estratégias principais: Single Input Single Output (SISO) e Two Input Two Output (TITO). A avaliação do desempenho das estratégias de controle foi realizada com base em critérios de erros integrativos (IAE, ISE e ITAE), além de parâmetros de desempenho como o tempo de transição e, a viabilidade operacional da variável manipulada. Os resultados indicam que, apesar do grau de acoplamento entre as variáveis, a interação favorece o uso de controles SISO, que obteve melhor desempenho em todos os cenários. Ainda que essa estratégia não controle a temperatura de base os valores para essa variável ficaram próximos ao setpoint, com exceção à unidade unitubular operando com perfil de temperatura, que obteve melhor desempenho por meio de uma estratégia TITO. Comparando-se aos processos convencionais, tem-se uma dinâmica muito mais rápida, com tempo de transição até seis vezes menor, praticamente ausência de tempo morto e, malhas de controle mais simples, sem a necessidade de controle de nível. O trabalho contribui significativamente para a compreensão do comportamento dinâmico de colunas de filme descendente assistidas por termossifão, entretanto, novos estudos voltados a controles avançados, como modelo de controle preditivo, redes neurais e lógica fuzzy são incentivados com o objetivo de maximizar a eficiência operacional.

Abstract: The technological maturity of conventional distillation columns is well-established in the chemical industry for the separation of mixtures, with a solid level of development. However, the thermodynamic inefficiency associated with this process and the high energy loss result in high operational costs. In this context, falling film distillation assisted by a two-phase thermosiphon (DESTUBCAL) emerges as a promising alternative to minimize energy costs, offering reduced dimensions. This work aims to address a significant gap in knowledge regarding control strategies for such columns, proposing control strategies that evaluate the dynamic specifics and interactions between variables of these columns in different configurations: unitubular and multitubular, with isothermal heating and with temperature profiles. The system behavior was accurately described through first-order transfer function modeling with dead time. Simulations were conducted using the MATLAB/Simulink environment, and two main strategies were analyzed: Single Input Single Output (SISO) and Two Input Two Output (TITO). The performance of the control strategies was evaluated based on integral error criteria (IAE, ISE, and ITAE), as well as performance parameters such as transition time and the operational feasibility of the manipulated variable. Results indicate that, despite the degree of coupling between variables, the interaction favors the use of SISO controls, which performed better in all scenarios. Although this strategy does not control the bottom temperature, the values for this variable remained close to the setpoint, except for the unitubular unit operating with a temperature profile, which achieved better performance using an TITO strategy. Compared to conventional processes, the systems exhibits a significantly faster dynamic, with transition times up to six times shorter, virtually no delay, and simpler control loops, eliminating the need for level control. This work achieves a substantial contribution to the dynamic behaviour of thermosiphon-assisted falling film colums knowledge. However, further studies focused on advanced control strategies, such as model predictive control (MPC), neural networks, and fuzzy logic are encouraged to increase operational efficiency.