Desenvolvimento de modelo de primeiros princípios para simulação dinâmica de uma coluna de destilação contínua

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Este trabalho teve como principal objectivo o desenvolvimento de um modelo de primeiros princípios para simulação dinâmica de uma coluna de destilação contínua, com recurso ao software Matlab/Simulink. Numa primeira fase foram abordados os conceitos básicos de destilação, bem como os métodos gráficos e aproximados a que é possível recorrer para projectar colunas de destilação, quando apenas se dispõe de informação sobre as relações de equilíbrio e os balanços molares. Foram de seguida abordados com mais detalhe os métodos rigorosos de design, por serem os que servem de base ao trabalho desenvolvido. Sendo que estes se diferenciam grandemente dos métodos aproximados por introduzirem balanços entálpicos. De seguida, foi implementado em Matlab o modelo em estado estacionário e um layout com as mesmas condições no software Hysys, para que pudessem comparadosos resultados obtidos pelos dois softwares. Foi possível concluir que o modelo em estado estacionário descreve correctamente o funcionamento da coluna de destilação nas mesmas condições e assim proceder à implementação do modelo em estado dinâmico. O modelo em estado dinâmico foi implementado em Simulink, e a sua robustez foi analisada através das respostas dinâmicas do sistema quando este é sujeito a perturbações nas entradas do modelo. Foi possível concluir através deste estudo que o modelo implementado descreve o funcionamento de uma coluna de destilação, mesmo quando sujeita a perturbações. Este trabalho tinha ainda como objectivo o ajuste do modelo desenvolvido à instalação laboratorial da coluna de destilação instalada no ISEL, não tendo sido possível efectuar o mesmo em tempo útil.

Abstract: This work had the primary objective the development of a first principle model for dynamic simulation of a continuous distillation column, using Matlab/Simulink software. On a first phase the basic concepts of distillation were studied, as well as the graphical and approximation methods that we can use to project distillation columns, when only the equilibrium relations and molar balances are available. Next we studied with more detail the rigorous design methods, since they were the basis of the developed work. To be noticed that these differ greatly from the approximation methods, since they introduce enthalpic balances. Following this studies, the stationary model in Matlab was implemented and a layout with the same conditions was implemented using Hysys software, so that the results of both software could be compared. We could conclude that the stationary model correctly describes the inner workings of the distillation columns under the same conditions and, therefore, proceed to the dynamic state model implementation. The dynamic state model was implemented with Simulink, and it’s robustness analyzed through the system’s dynamic responses when subjected to input disturbances. We could conclude thought this study that the implemented model describes the behavior of a distillation column, even when subject to disturbances. This work also had the secondary objective of adjusting the developed model to the laboratorial installation of ISEL’s distillation column, but this objective was not possible to be achieved in the available time frame.