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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/36221
Tipo: Dissertação
Título: Análise transiente e avaliação de um sistema de controle para uma planta de captura de CO2 via contatores de membrana
Autor(es): Passos, Wanderson Felipe Araujo dos
Primeiro Orientador: Morais Júnior, Arioston Araújo de
Primeiro Coorientador: Alcázar Rojas, Leopoldo Oswaldo
Resumo: Os contatores de membrana de fibra oca (HFMCs) são eficientes em separar o CO2 a partir de gases pós-combustão, haja vista a sua alta área de superfície de contato gás-líquido (solvente). Ele une as tecnologias de membrana e absorção, onde o nível de maturidade tecnológica se encontra em expansão e o conhecimento da dinâmica do processo é crucial para o aumento da escala. Por isso, modelos precisos de HFMCs à captura de carbono são necessários para compreender e otimizar sua operação, porém a maioria daqueles disponíveis são de estado estacionário e estão limitados à análise de parâmetros do projeto. Além disso, à medida que os processos de absorção de gases por membranas se consolidam e suas aplicações crescem, surge a necessidade de avaliar estratégias de controle para melhor operá-los. Neste trabalho, foram avaliados dois modelos dinâmicos rigorosos para um HFMC, validados com dados experimentais, um modelo isotérmico e outro não isotérmico. Por conseguinte, o HFMC foi inserido em uma planta de captura de CO2 (equipamentos da planta: torre de absorção, trocador de calor integrado e tanque pulmão/de solvente) substituindo o principal equipamento do sistema, a torre absorvedora. As simulações dinâmicas foram realizadas e demostraram que o modelo não linear reagiu bem frente às perturbações, alcançando estados estacionários em consonância com os limites práticos de estabilidade. Foram inseridas no processo estratégias de controle convencionais, que incluem um controlador razão para a taxa de captura de CO2- 𝜃(%) (CC) e dois controladores realimentação, controlador da temperatura do tanque pulmão- 𝑇𝐵𝑇 (TC-01) e controlador da temperatura de saída do solvente rico - 𝑇 𝐶2 (TC-02). Além disso, para contornar o problema multivariável (3 x 3), fortes não linearidades do modelo paramétrico distribuído (conjunto de equações diferenciais parciais-EDPs) e restrições operacionais do sistema, foi inserido um controlador preditivo adaptativo baseado em programação quadrática (AQDMC). Assim, de acordo com os resultados apresentados, verificou-se que os controladores CC, TC-01 e TC-02 foram capazes de rejeitar distúrbios e, após a correção com a ação de controle PID, manter as variáveis em seus setpoints. No entanto, percebeu-se que, para alguns distúrbios inseridos no processo, o controlador CC não foi capaz de rejeitar a dinâmica de resposta inversa de e/ou limitar a variável 𝜃(%) em seu valor máximo. Por fim, notou-se que o AQDMC, em comparação com CC, TC-01 e TC-02, permite menores flutuações para variáveis 𝜃(%), 𝑇 𝐶2 , 𝑇𝐵𝑇, menores sob/sobre-elevações percentuais (under/overshoot percentage) e cumpre restrições de barreiras impostas ao sistema, demostrando ser mais eficiente e um potencial sistema de controle à planta de captura de carbono em estudo.
Abstract: Hollow fiber membrane contactors (HFMCs) are efficient in separating CO2 from postcombustion gases, given their high gas-liquid (solvent) contact surface area. It combines membrane and absorption technologies, where the level of technological maturity is expanding and knowledge of the process dynamics is crucial for scaling up. Therefore, accurate models of HFMCs for carbon capture are necessary to understand and optimize their operation, but most of those available are steady-state and are limited to the analysis of design parameters. Furthermore, as membrane gas absorption processes become more consolidated and their applications grow, there is a need to evaluate control strategies to better operate them. In this work, two rigorous dynamic models for an HFMC were evaluated, validated with experimental data, an isothermal model and a non-isothermal model. Therefore, the HFMC was inserted into a CO2 capture plant (plant equipment: absorption tower, integrated heat exchanger and buffer/solvent tank) replacing the main equipment of the system, the absorber tower. Dynamic simulations were performed and demonstrated that the nonlinear model reacted well to disturbances, reaching steady states in line with practical stability limits. Conventional control strategies were inserted into the process, which include a ratio controller for the CO2 capture rate-𝜃(%) (CC) and two feedback controllers, the buffer tank temperature controller-TBT (TC01) and the rich solvent outlet temperature controller - TC2 (TC-02). Furthermore, to overcome the multivariable problem (3 x 3), strong nonlinearities of the distributed parametric model (set of partial differential equations-PDEs) and operational constraints of the system, an adaptive predictive controller based on quadratic programming (AQDMC) was inserted. Thus, according to the results presented, it was verified that the CC, TC-01 and TC-02 controllers were able to reject disturbances and, after correction with the PID control action, maintain the variables at their setpoints. However, it was noticed that, for some disturbances inserted in the process, the CC controller was not able to reject the inverse response dynamics of and/or limit the variable 𝜃(%) to its maximum value. Finally, it was noted that the AQDMC, compared to CC, TC-01 and TC-02, allows smaller fluctuations for variables 𝜃(%), 𝑇 𝐶2 , 𝑇𝐵𝑇, smaller under/overshoot percentages and meets the barrier restrictions imposed on the system, demonstrating to be more efficient and a potential control system for the carbon capture plant under study.
Palavras-chave: Captura de carbono
Modelagem e simulação dinâmica
HFMC
Controle de processos
Carbon capture
Dynamic modeling and simulation
Process control
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal da Paraíba
Sigla da Instituição: UFPB
Departamento: Engenharia Química
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Tipo de Acesso: Acesso aberto
Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil
URI: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/36221
Data do documento: 26-Jul-2024
Aparece nas coleções:Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

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