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Título: Simulação e controle de uma coluna de absorção para purificação de biogás: avaliação da viabilidade técnica e econômica do processo
Autor(es): Gasparovic, Claudia Luiza Manfredi
Orientador(es): Eyng, Eduardo
Palavras-chave: Metano
Biogás
Biocombustíveis
Methane
Biogas
Biomass energy
Data do documento: 9-Dez-2014
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Medianeira
Referência: GASPAROVIC, Claudia Luiza Manfredi. Simulação e controle de uma coluna de absorção para purificação de biogás: avaliação da viabilidade técnica e econômica do processo. 2014. 96 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Medianeira, 2014.
Resumo: Nas últimas décadas tem-se buscado fontes alternativas de energia. Um exemplo é a mistura gasosa conhecida como biogás que tem seu potencial energético melhorado ao passar por um processo de purificação. Uma das técnicas mais utilizadas para tal processo é a lavagem com água sob pressão em colunas de absorção para a remoção de dióxido de carbono (CO2) e sulfeto de hidrogênio (H2S). Porém, como existe uma variação da concentração do CO2 no biogás, é importante a aplicação de um sistema de controle. Um exemplo é o controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) cujo funcionamento depende de parâmetros (as constantes e ) que, geralmente, podem ser ajustados por meio de tentativa-e-erro. Para que o ajuste possa ocorrer de forma mais precisa, pode-se utilizar de metodologias que auxiliem na escolha do intervalo que contenha os valores ótimos dos parâmetros. O Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) é uma das metodologias que podem contribuir para o controle de sistemas desta natureza. Assim, o objetivo deste trabalho foi realizar a modelagem, simulação e controle de uma coluna de absorção de pratos para remoção de CO2 de biogás, utilizando o planejamento experimental na sintonia dos parâmetros do controlador PID considerando o estudo de viabilidade econômica do sistema. Este foi realizado utilizando o método da Taxa Interna de Retorno, considerando um horizonte de 10 anos. O dimensionamento e projeto da coluna foram realizados através de balanços de massa, e de recomendações de Spellman e Whiting (2004); a modelagem foi efetuada utilizando o modelo dinâmico proposto por Maia (1994), enquanto a simulação e controle foram realizados no software MATLAB 2013b. Aplicou-se um controlador feedback ao problema regulatório, cujo desempenho foi avaliado através do critério de desempenho ITAE (Integral do erro absoluto ponderada pelo tempo). O DCCR consistiu em um esquema fatorial 23, com oito ensaios fatoriais, seis ensaios nos pontos axiais e três repetições no ponto central, em que a variável resposta foi o critério ITAE, e os fatores, os parâmetros do controlador. As faixas de estudo foram determinadas a partir de estimativa inicial e testes preliminares. A coluna de absorção projetada possui 5 pratos, 4,04m de altura e 17cm de diâmetro. Apenas o parâmetro se mostrou estatisticamente significativo, sendo possível obter um modelo quadrático de ITAE em função desta variável. O modelo se mostrou válido e preditivo para a faixa de estudo, através da Análise de Variância. Foram geradas superfícies de resposta e curvas de contorno, e obter uma região ótima para as variáveis. Realizou-se a validação dos resultados na condição ótima, obtida através do modelo. Os valores ótimos encontrados no DCCR mantiveram o sistema estável mesmo com a inserção de diferentes perturbações, comprovando a eficácia desse metodologia na sintonia dos parâmetros. O sistema se mostrou viável economicamente, com TIR igual a 13%, superior à Taxa Mínima de Atratividade adotada, e tempo de retorno do investimento de menos de 6 anos.
Abstract: In the last few decades, there has being an effort in searching alternative energy sources such as biogas, a gas mixture which presents an improved energetic potential after a process of purification. In order to do so, one of the most commonly used techniques is the hydraulic water wash in absorption columns for carbon dioxide (CO2) and hydrogen sulfide (H2S). However, given that there is a variation in the biogas CO2 concentration, it is important to apply a control system. An example is the PID (Proportional Integral Derivative) controller, which operation depends on parameters (the and constants) that may generally be adjusted through a trial and error process. In order for the adjustment to occur more precisely, there can be used techniques that assist to choose an interval that contain the optimal values for the parameters. The Central Composite Rotatable Design (CCRD) is one of the techniques that could contribute to the control of systems of this nature. Therefore, the purpose of this paper was to model, simulate and control an absorption column process for CO2 removal from biogas, using experimental design techniques in the PID controller tuning, considering the economical feasibility of the system. The economical evaluation was carried out with the Internal Rate of Return method, considering a project 10 years long. The column sizing and project were done through mass balances and criteria obtained from Spellman e Whiting (2004). The column modeling was carried out according to the dynamic model proposed by Maia (1994), whereas the simulation and control were executed with the software MATLAB 2013b. It was applied a feedback controller to the regulatory problem, and its performance was measured using the ITAE (Integral of time-weight absolute error) index. The CCRD carried out was a 23 factorial design, with eight factorial trials, six axial points, plus three replications in the central point, and the real values for the levels were previously defined based upon a preliminary estimate. The absorption column projected has 5 trays, 4,04m of height and diameter of 17cm. It was possible to obtain a quadratic model of the statistically significant variables, which was only . The model was proven valid through the ANOVA test, allowing to generate surface response and response profiles graphs, as well as to obtain a optimal region for the variables. It was carried out a validation test of the optimal conditions found through the model. These optimal values, obtained through the CCRD, kept the system stable even when it was inserted a number of disturbances, therefore proving this method’s efficiency in the controller tuning. The system proved to be economically feasible, with a IRR value of 13%, superior to the Minimum Attractiveness Rate, and a payback time of less than 6 years.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4477
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