Simulação e controle de uma coluna de absorção para purificação de biogás: avaliação da viabilidade técnica e econômica do processo

• Autor(a) principal: Gasparovic, Claudia Luiza Manfredi
• Data de Publicação: 2014
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/12529
• topic: Engenharia Ambiental; Metano; Biogás; Biocombustíveis; Methane; Biogas; Biomass energy

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.