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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

Uma nova abordagem para o controle de

colunas de destilação

Gustavo Longo Panissa

Florianópolis, Junho de 2003

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina

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Relatório Final de Bolsista Aluno

Período informado

Junho de 2001 a Maio de 2003

Identificação

Nome: Gustavo Longo Panissa

CPF: 033445599-58

Matrícula PRH-ANP/MCT N0: 2001.0451-0

Tipo de Bolsa: Graduação

Orientador: Ariovaldo Bolzan

Co-Orientador: Ricardo Antonio Francisco Machado

Tema: Uma nova abordagem para o controle de colunas de destilação

Em Florianópolis, Junho de 2003


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Agradecimentos

À Cíntia Marangoni pela orientação, paciência e boa vontade para com o

desenvolvimento deste trabalho.

Ao colega de bolsa Álvaro L. Longo pelo desenvolvimento em conjunto do

projeto.

Aos professores Ricardo A. F. Machado e Ariovaldo Bolzan pela orientação.

Ao Laboratório de Controle de Processos pela oportunidade oferecida.

Aos colegas do Laboratório de Controle de Processos que muitas vezes

colaboraram no desenvolvimento deste trabalho.

Agradeço ainda o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo (ANP) e

da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), por meio do Programa de Recursos

Humanos da ANP para o Setor do Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT.


4

Resumo

Um dos problemas que as refinarias de petróleo encontram consiste no

tempo que uma coluna de destilação leva para alcançar um novo estado de

equilíbrio quando ocorre uma perturbação na alimentação do óleo crú. Este projeto

tem como objetivo, propor uma mudança na configuração de uma coluna a fim de

minimizar o tempo na qual esta opera em estado transiente. Para tanto propõe-se

a introdução de pontos de aquecimentos controlados ao longo da coluna. Estudos

foram realizados comparando o sistema de aquecimento distribuído com o sistema

convencional de aquecimeto. Tal estudo foi realizado baseado em simulações no

software HYSYS onde foi possível avaliar a melhor localização para o

aquecimento distribuído. Para a verificação dos dados simulados propõe-se a

construção de uma unidade de destilação com aquecimentos distribuídos em

escala piloto nas dependências do Laboratório de Controle de Processsos.


5

Abstract

One of most troubles that a petroleum refinery has is the time needed by the

distillation tower to reach a new equilibrium state when the system is disturbed.

The objective of this work is to develop a control strategy with distributed action to

minimize the operation transients of a distillation tower. This will be done through

the introduction of heating points in each tower plate. The choose of this plates

was done by simulations with software HYSYS and analysis of sensitivity. To verify

the simulated data its proposed to buid a distillation column with distributed heats

at the dependences of the Laboratório de Controle de Processos.


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Sumário

Capítulo 1 – Introdução....................................................................................7 1.1 – Objetivos................................................................................................9

Capítulo 2 – Fundamentação..........................................................................10 Capítulo 3 – Metodologia .................................................................................14

3.1 – Simulação.............................................................................................14

3.2 – Análise de Sensibilidade..................................................................15

3.2.1 – Método dos Pratos Sucessivos .........................................15

3.2.2 – Método de Simetria de Sensibilidade............................16

3.2.3 – Método da Máxima Sensibilidade......................................16

3.3 – Unidade Experimental.......................................................................16

Capítulo 4 – Resultados ...................................................................................18

Capítulo 5 – Conclusões..................................................................................29

Referências Bibliográficas ..............................................................................30


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Capítulo 1: Introdução

Uma das metas da indústria do petróleo nacional é alcançar a auto-

suficiência na produção da principal fonte de hidrocarbonetos, o petróleo.

Conforme ilustrado na Figura 1, o Brasil necessita avançar tecnologicamente, uma

vez que o volume refinado está próximo da capacidade nominal em algumas

refinarias. Para evitar gargalos operacionais, aprimorar a qualidade de seus

produtos e ampliar a segurança ambiental e operacional é necessário investir na

área de refino de petróleo.

Figura 1 - Produção das refinarias nacionais (fonte anuário estatístico

brasileiro de petróleo e gás da ANP 2002).

Dentro de uma refinaria de petróleo, a coluna de destilação caracteriza-se

por processar grandes vazões, ter uma dinâmica lenta, mudanças freqüentes de


8

carga, especificações de produtos e possuir alto grau de interação entre as

variáveis manipuladas e controladas.

O controle de uma coluna de destilação é uma etapa crítica do refino do

petróleo, pois em alguns casos é este equipamento que impede o aumento de

produção da unidade. Segundo Fairbanks [1] a maior parte das refinarias

brasileiras teve sua instrumentação realizada na década de 80 e foi projetada

para o refino de óleos mais leves do que os óleos que estão sendo processados

atualmente. Por isso o sistema de controle de colunas de destilação necessita de

uma maior atenção.

A coluna de destilação é um processo que possui uma dinâmica muito

lenta, com constante de tempo da ordem de horas e existência de tempo morto,

de acordo com Shinskey [2]. Devido a este fato, quando ocorre uma perturbação

na alimentação, inúmeras variáveis devem ser ajustadas e a unidade de

destilação opera durante um determinado período produzindo derivados de

petróleo fora das especificações. Então um dos principais problemas das refinarias

de petróleo é o tempo que uma coluna de destilação leva para alcançar um novo

estado de equilíbrio quando ocorre uma perturbação.

Com o intuito de implementar uma estratégia de controle distribuído ao

longo de uma coluna de destilação e minimizar o tempo em que esta leva para

responder a uma perturbação, propõe-se um aquecimento distribuído ao longo dos

pratos da coluna.


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1.1: Objetivos

Este projeto tem como objetivo principal disponibilizar uma unidade

experimental de destilação que permita o controle de forma distribuída. E como

objetivos específicos:

I. Caracterizar a dinâmica do processo com e sem pontos de

aquecimento distribuído, através de simulações;

II. Definir quais pontos podem ser utilizados para o aquecimento

distribuído.

III. Construir uma unidade em escala piloto de uma coluna de

destilação com pontos de aquecimento distribuídos.

Este projeto foi desenvolvido em conjunto com os projetos da doutoranda

Cintia Marangoni e do graduando Álvaro L. Longo.


10

Capítulo 2: Fundamentação

Destilação é um processo no qual uma mistura de liquido ou vapor de duas

ou mais substâncias é separada através da aplicação e remoção de calor.

A destilação baseia-se no fato de o vapor gerado por uma mistura em

ebulição é rico em componentes que possuem menor ponto de ebulição.

Entretanto, quando este vapor é resfriado e condensado, o liquido gerado será

mais rico no componente mais volátil do que o liquido que lhe deu origem. Porém

para este processo atingir alto grau de separação faz-se necessário o uso de uma

coluna de destilação.

A coluna de destilação é um dos equipamentos de separação mais

empregados na indústria química e petroquímica. Apesar da sua larga utilização, é

pequena a atenção dispensada ao sistema de controle de colunas de destilação.

Isto não deveria ocorrer, pois, na maioria das indústrias de transformação, 80% do

custo operacional energético é devido a essa operação unitária. Outras vezes a

coluna é o equipamento que impede o aumento da produção. Uma das formas de

solucionar esse problema passa pelo aperfeiçoamento do sistema de controle.

Do ponto de vista operacional dentro de uma refinaria, a coluna de

destilação não atua como um processo isolado. Ou seja, faz parte de um

complexo conjunto de processos onde suas correntes de saída são correntes de

entrada de outras unidades. A Figura 2 ilustra um fluxograma típico de uma

refinaria de petróleo.


11

Figura 2 – Fluxograma de uma refinaria de petróleo.

Segundo Genes et al [3] o sistema de controle para uma coluna de

destilação é realizado por pares de variáveis medidas e variáveis manipuladas,

que podem ser: razão de refluxo e composição no topo com o par vazão de vapor

e composição na base. Ou seja, as malhas de controle encontram-se nos

extremos da coluna, base e topo. A Figura 3 representa um esquema de um

sistema de controle de coluna de destilação.


12

Figura 3: esquema de controle convencional em coluna de destilação

Do ponto de vista de controle a coluna de destilação pode ser classificada

como um processo com restrições, acoplado, não estacionário e não linear. Além

de possuir uma dinâmica muito lenta e a presença de tempo morto na ordem de 3

a 6 segundos por prato. Em virtude deste fato, a coluna possui um transiente

muito longo quando uma alteração em alguma de suas variáveis de entrada

perturba o sistema. Este fato é extremamente desagradável pois, além de

consumir uma grande quantidade de energia, durante este período transiente a

coluna gera derivados fora de especificação que irão afetar a carga de outros

processos que estão acoplados com a coluna.

Visando uma melhoria na ação de controle de uma coluna de destilação

para minimizar o período na qual esta opera em estado transiente, propõe-se a

introdução de pontos de aquecimento distribuídos ao longo dos pratos da coluna

como uma alternativa de promover um controle distribuído ao longo da mesma. A

Figura 4 ilustra a configuração de aquecimentos distribuídos.

PT – Transmissor de pressão

PC – Controlador de pressão

LT – Transmissor de nível

LC – Controlador de nível

TT – Transmissor de temperatura

TC – Controlador de Temperatura

FT – Transmissor de vazão

FC – Controlador de vazão


13

Figura 4: Coluna de destilação com aquecimento distribuído.


14

Capítulo 3: Metodologia

Os recursos necessários para a realização deste projeto foram pelo

Programa: PRH-ANP/MCT Nº 34: Formação de Engenheiros nas Áreas de

Automação, Controle e Instrumentação para a indústria do Petróleo e Gás.

3.1: Simulações

Ferramentas como simulação, são extremamente úteis uma vez que

possibilitam resultados muito próximos do real e com relativa rapidez. A simulação

do processo de destilação pode ser realizada através de uma modelagem rigorosa

ou através da utilização de softwares comerciais para a obtenção de dados

preliminares. Inúmeros softwares deste tipo podem ser utilizados, diferenciando

pela sua capacidade de simular comportamento transiente ou estacionário,

Tiverios e Van Brunt [4]. As simulações realizadas neste trabalho foram

conduzidas com os modelos do HYSYS.Process sob licença da Hyprotech. A

Figura 5 ilustra a interface gráfica do software HYSYS.Process.

Figura 5 – Interface gráfica do simulador HYSYS.


15

Diversas simulações com diversos tipos de misturas foram realizadas para

analisar o comportamento da coluna de destilação frente à nova proposta de

aquecimento distribuído. Para isso foi verificada a influencia da quantidade e a

localização dos pontos de aquecimento. Ou seja, qual é a melhor localização para

o ponto de aquecimento a ser efetuado ao longo da coluna de destilação.

3.2: Análise da Sensibilidade

De acordo com Marangoni [5], colunas de destilação são processos com

variáveis distribuídas, isto é, processos cujas propriedades mudam com a posição

espacial. Composições, temperaturas e pressões se modificam ao longo da

coluna. A escolha apropriada do local de instalação do instrumento é fundamental

para a eficiência do sistema de controle.

Para a especificação de quais pratos devem ser aquecidos, utilizou-se a

metodologia proposta por Kalid [6], para a seleção de elementos primários e finais

de controle. Para tanto, aplicado a configuração de aquecimento distribuído, foram

realizados três testes de análise de sensibilidade:

I. Pratos sucessivos;

II. Simetria de sensibilidade;

III. Máxima sensibilidade.

3.2.1: Método dos Pratos Sucessivos

Tomando-se 2 pratos sucessivos, verifica-se a diferença de temperatura

entre o mais acima e o mais abaixo. Refaz-se esse cálculo ao longo de toda a

coluna, descendo um prato por vez. Escolhe-se o prato intermediário que

apresentou a maior diferença, ou seja, o prato de medição é o que tem maior

variação de temperatura entre os pratos. Desta forma, a influência da mudança da

pressão e/ou da composição sobre a temperatura é minimizada.


16

3.2.2: Método da Simetria de Sensibilidade

Este método consiste em perturbar o sistema com variações positivas e

negativas de mesma amplitude nas variáveis manipuladas (razão de refluxo, carga

térmica do refervedor e vazão de alimentação). O prato que apresentar maior

simetria frente às perturbações é o mais adequando. Esse método diminui

problemas com não-linearidades.

3.2.3: Método da Máxima Sensibilidade

Este método implica que o prato mais adequado, isto é, o mais sensível, é

aquele que apresenta o maior desvio em relação à perturbação nas variáveis

manipuladas. Seja este desvio positivo ou negativo.

3.3: Unidade Experimental

Para a realização dos experimentos onde se pretende avaliar a dinâmica e

o controle de uma coluna de destilação faz-se necessário á construção de uma

unidade experimental. Esta foi construída atualmente está em fase de

instrumentação nas dependências do Laboratório de Controle de Processos da

Universidade Federal de Santa Catarina.

A unidade experimental é constituída de uma coluna de destilação,

aquecida na base por um trocador de calor a placas e resfriada por um

condensador. O acumulador é responsável por receber o vapor condensado e

assim garantir a razão de refluxo necessário ao processo de separação. O tanque

de mistura é utilizado para produzir a alimentação da coluna, resultado das

correntes de topo e fundo. Dessa maneira o sistema opera em regime contínuo e

fechado. A Figura 6 ilustra a representação esquemática de unidade piloto.


17

Coluna

Condensador

Acumulador

Tanque de Mistura

Trocador de Calor

Bomba

Bomba

Figura 6 – Unidade piloto de coluna de destilação.


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Capítulo 4: Resultados

As Figuras 7 e 8 apresentam o perfil de temperatura obtido quando

aquecido o prato 2 e o parto 12. A curva vermelha apresenta o perfil de

temperatura da coluna com o aquecimento realizado na base, configuração

convencional. É possível observar que quando o aquecimento é feito na região

abaixo da alimentação, Figura 7, o perfil de temperatura da coluna com

aquecimento (curva azul) permanece praticamente igual ao perfil de temperatura

da coluna sem aquecimento (curva vermelha). Porém quando o aquecimento é

feito acima do prato da alimentação, Figura 8, promove um acréscimo significativo

no perfil de temperatura da coluna.

Figura 7 - Perfil de temperatura com aquecimento no prato 2.


19

Figura 8 - Perfil de temperatura com aquecimento no prato 12.

Seguiram-se as simulações, alterando-se a quantidade de pontos

aquecidos na coluna. Foram testadas variações entre 2, 3, 4, 5, e 6 pontos, bem

como todos os pontos da coluna. Em cada teste, o valor total da perturbação não

excedeu 30%.

A Figura 9 apresenta o perfil de temperatura para 3 pontos aquecidos.

Percebe-se que o perfil da coluna é incrementado de forma menos brusca com

uma quantidade menor de pontos aquecidos. Quanto maior é o número de pontos

de aquecimento, mais suave e uniforme é o acréscimo no perfil de temperatura.


20

Figura 9 - Perfil de temperatura com aquecimento nos pratos 2, 9 e 12.

As Figuras 10 e 11 apresentam a comparação do perfil de fração molar da

fase vapor entre a configuração de aquecimentos distribuídos e a configuração

convencional. Observa-se pouca alteração no perfil com seis pontos de

aquecimento. Este resultado é interessante uma vez que se busca pouca

alteração no estado estacionário final da coluna quando submetida a

aquecimentos distribuídos.


21

Figura 10 - Composição ao longo da coluna sem aquecimento.

Figura 11 - Composição ao longo da coluna sem aquecimento.


22

Então simulações em linguagem FORTRAN foram realizadas e os

resultados obtidos definiram os pratos mais sensíveis diante das perturbações

aplicadas. As variáveis analisadas foram a vazão de alimentação, a razão de

refluxo e a quantidade de calor fornecida ao refervedor, que futuramente serão as

variáveis manipuladas da unidade experimental.

É importante observar que os métodos descritos a seguir sempre

estabelecem a temperatura como variável medida, porém os mesmos

procedimentos podem ser aplicados quando a variável medida é a concentração.

A Figura 12 ilustra o perfil de temperatura em estado estacionário de uma

coluna de destilção onde o estágio 1 representa o refervedor e o estágio 17 o

condensador.

Perfil de Temp

140

150

160

170

180

190

200

210

220

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Estágios

Tem

p (º

F)

Figura 12 – Perfil de temperatura em estado estacionário.


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A Tabela 1 ilustra a diferença de temperatura entre o prato mais acima e o

mais abaixo. A coluna 1 representa o procedimento feito a partir do condensador.

A coluna 2 representa o procedimento feito a partir do refervedor.

Tabela 1 – diferença de temperatura entre pratos sucessivos.

As Figuras 13, 14 e 15 representam a variação de temperatura frente a

perturbações na razão de refluxo, carga térmica do refervedor e vazão de

alimentação respectivamente .

Prato Col. 1 Col. 2 1 2 2,3579 7,5036 3 1,6584 2,3579 4 1,3886 1,6584 5 1,3124 1,3886 6 1,3407 1,3124 7 1,3804 1,3407 8 -1,4201 1,3804 9 0,6073 -1,4201 10 0,8805 0,6073 11 1,2192 0,8805 12 1,7217 1,2192 13 2,4894 1,7217 14 3,6505 2,4894 15 5,9089 3,6505 16 12,2694 5,9089 17


24

Figura 13 – Desvios da temperatura para perturbação na razão de refluxo.

Desvios

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Temperatura (ºF)

Est

ágio

s

Estacionário Desvio + Desvio -


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Figura 14 – Desvios da temperatura para perturbação na carga térmica.

Desvios

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Temperatura (ºF)

Est

ágio

s

Estacionário Desvio + Desvio -


26

Figura 15 – Desvios da temperatura para perturbação na vazão.

Com base nos dados apresentados na Tabela 1 e nas Figuras 13, 14 e 15 e

de acordo com o conceito de sensibilidade apresentado pelos três métodos

anteriormente é possível construir a Tabela 2.

Tabela 2 – pratos ótimos relativos a cada método analisado.

Método Prato Ótimo Prato Ótimo Prato Ótimo Vazão Razão Calor

Simetria de Sensibilidade 11 16 7 Máxima Sensibilidade 2 15 ou 16 15 ou 16

Pratos Sucessivos 15

Desvios

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-5 -3 -1 1 3 5

Temperatura (ºF)

Est

ágio

s

EStacionário Desvio + Desvio -


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Com o intuito de verificar experimentalmente o comportamento dinâmico de

uma coluna de destilação perante pontos de aquecimento distribuídos, propõe-se

a construção de uma unidade em escala piloto nas dependências do Laboratório

de Controle de Processos (LCP). Este trabalho consiste em um esforço em

conjunto com o projeto do graduando Álvaro L. Longo e a doutoranda Cíntia

Marangoni. A Figura 16 ilustra a coluna de destilação em escala piloto.

Figura 16 – Unidade em escala piloto.


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Optou-se por construir um equipamento com flexibilidade em relação as

possíveis alterações necessárias quando da realização de um experimento com

misturas diferentes ou mudanças no local de controle.

O material utilizado para a construção da coluna foi aço inox 304. A coluna

possui 13 estágios de equilíbrio, construída em módulos com 0,15 m de altura e

0,20 m de diâmetro. Os pratos são perfurados (diâmetro de 0,006 m, com passo

triangular).

Cada módulo possui uma perfuração para medição de temperatura, para a

coleta de amostra e uma terceira para a adaptação do aquecimento distribuído.

Este último poderá ser realizado através de serpentinas de calor a base de vapor

ou elétrica. Em estudos iniciais serão utilizadas resistências elétricas projetadas

com potência de 3,5 KW.

A Figura 17 ilustra o vista superior de um modulo da coluna com a

resistência elétrica.


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Capítulo 5: Conclusões

A coluna apresenta comportamento diferenciado nas regiões de

esgotamento e retificação perante os aquecimentos distribuídos. Com base nas

figuras mostradas acima pode-se concluir que a região mais propícia para ser

realizada a ação de controle é a região de esgotamento. E que o número de

pontos aquecidos influencia substancialmente o perfil de temperatura da coluna de

destilação. Se a ação de controle necessária for uma ação brusca, é aconselhável

um menor número de pontos aquecidos e se ação necessária for uma ação mais

suave é recomendável um maior número de pontos aquecidos.

De acordo com a Tabela 2 pode-se concluir que os pratos ótimos, mais

sensíveis, são o prato 15 e o prato 16.

Percebe-se que os pratos mais sensíveis situam-se na região de

esgotamento, região esta que anteriormente foi definida como região propícia a

realizar a ação de controle.

A nova configuração de aquecimento proposta por este trabalho poderá ser

utilizada na indústria de petróleo e gás, uma vez que é de fácil implementação e

resultados preliminares já demonstram uma melhoria na dinâmica do processo.

Tal melhoria representaria uma economia para a refinaria. Testes experimentais

serão realizados na unidade piloto. Estratégias de controle clássico serão

implementadas devido a sua simplicidade pois como se trata de uma nova

configuração optou-se por uma análise menos complexa do sistema. As etapas

citadas acima poderão ser objetos para futuros trabalhos.


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Bibliografia:

[ 1 ] M. Fairbanks, “Investimentos ajustam refino para usar mais óleo nacional”,

Química e Derivados, no 407, ano 37, pp.12.

[ 2 ] F. G. Shinskey; Distilation control for productivity and energy conservation, Mc-

Graw-Hill, 2º ed., Massachusetts, 365p., 1984.

[ 3 ] O. Gennis; S.G. Simpson; D.W. Penner and B.K. Glover, “Roles of aromatics

and catalitic reforming in the 2000 plus refinery”, Erdoel-Erdgas-Kohle E KEP, vol.

116, no 10, pp. 92-496, 2000.

[ 4 ] P.G. Tiverios and V. Van Brunt, “Extractive distilation solvent characterization

and shortcut design procedure for methylcyclohexane-toluene mixtures”, Industrial

and Engineering Chemistry Research, vol. 39, no 6, pp. 1614-1623, 2000.

[ 5 ] C. Marangoni, “Controle distribuído de uma coluna de destilação de derivados

de petróleo”, Exame de Qualificação, CPGENQ, UFSC, março de 2003.

[ 6 ] R.A. Kalid, “Controle de Coluna de Destilação”, Disponível em :

http://www.eng.ufba.br/cecapi/ccd.html. Acesso em: janeiro, 2003.


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Gustavo Longo Panissa

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