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Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39457
Tipo: Dissertação
Título: Integração de controladores preditivos de modelos econômicos e otimização em tempo real aplicados uma planta de captura de carbono
Autor(es): Diniz Filho, Jose Carlos
Orientador: Morais Júnior, Arioston Araújo de
Orientador: Sena, Rennio Felix de
Coorientador: Martins, Márcio André Fernandes
Membro da Banca: Cavalcante, Raquel Massad
Membro da Banca: Fontes, Raony Maia
Resumo: A mitigação das emissões de dióxido de carbono (CO₂) provenientes da queima de combustíveis fósseis constitui um dos principais desafios tecnológicos e ambientais da atualidade. Nesse contexto, os sistemas de Captura e Armazenamento de Carbono (Carbon Capture and Storage – CCS) têm sido amplamente investigados, com destaque para os processos de pós-combustão baseados na absorção química com aminas, em razão de sua maturidade tecnológica e da possibilidade de integração a plantas industriais existentes. Contudo, o elevado consumo energético e os custos operacionais associados ainda limitam sua aplicação em larga escala, o que torna necessária a adoção de estratégias avançadas de modelagem, controle e otimização. Neste trabalho, desenvolve-se, implementa-se e avalia-se o desempenho de uma arquitetura integrada de controle preditivo baseado em modelo (Model Predictive Control – MPC) com objetivos econômicos e otimização em tempo real (Real-Time Optimization – RTO) aplicada a uma planta de captura de CO₂ por absorção química com monoetanolamina (MEA), simulada de forma rigorosa no Aspen Plus Dynamics®. Inicialmente, realizou-se a simulação dinâmica da planta, seguida da aplicação de sinais de excitação do tipo sequência binária pseudoaleatória (PRBS) para a obtenção de dados e identificação de modelos lineares multivariáveis do processo. Com base nesses dados, foram desenvolvidos modelos orientados à predição da saída (Output-Prediction Oriented Models – OPOM) e implementados controladores CLMPC e IHMPCFF, os quais atuam no rastreamento dinâmico dos alvos econômicos definidos pela camada de RTO. Adicionalmente, foi incorporado um filtro de Kalman para a estimação de estados não mensuráveis, proporcionando maior precisão preditiva e eliminando erros de regime permanente (offset). Os controladores MPC foram então integrados a uma camada superior de otimização econômica baseada em modelo em regime estacionário (RTO), responsável por recalcular periodicamente os pontos ótimos de operação, considerando custos energéticos, preço do CO₂, consumo de solvente e penalidades ambientais. Os resultados demonstram que a integração RTO–MPC proporciona ganhos significativos em eficiência energética, maior estabilidade dinâmica e redução dos custos operacionais frente a variações de carga e composição do gás de combustão. Assim, conclui-se que a integração entre controle preditivo e otimização econômica constitui uma abordagem promissora para a operação sustentável e economicamente viável de plantas industriais de captura de CO₂.
Abstract: The mitigation of carbon dioxide (CO₂) emissions resulting from the combustion of fossil fuels represents one of the major technological and environmental challenges of modern society. In this context, Carbon Capture and Storage (CCS) systems have been extensively investigated, particularly post-combustion processes based on chemical absorption with amines, due to their technological maturity and potential for integration into existing industrial plants. However, the high energy consumption and operational costs associated with these systems still limit their large-scale deployment, highlighting the need for advanced modeling, control, and optimization strategies. In this study, an integrated architecture combining Model Predictive Control (MPC) with economic objectives and Real-Time Optimization (RTO) is developed, implemented, and evaluated for a post-combustion CO₂ capture plant based on chemical absorption with monoethanolamine (MEA), rigorously simulated in Aspen Plus Dynamics®. Initially, dynamic simulation of the plant was performed, followed by the application of pseudo-random binary sequence (PRBS) excitation signals to generate data for the identification of linear multivariable process models. Based on these data, output-prediction oriented models (OPOM) were developed, and CLMPC and IHMPCFF controllers were implemented to dynamically track the economic targets defined by the RTO layer. In addition, a Kalman filter was incorporated for the estimation of non-measurable states, providing improved predictive accuracy and eliminating steady-state offset. The MPC controllers were subsequently integrated with a higher-level steady-state model-based economic optimization layer (RTO), responsible for periodically recalculating the optimal operating points while accounting for energy costs, CO₂ pricing, solvent consumption, and environmental penalties. The results demonstrate that the integrated RTO–MPC framework leads to significant improvements in energy efficiency, enhanced dynamic stability, and reduced operational costs under variations in load and flue gas composition. These findings confirm that the integration of predictive control and economic optimization constitutes a promising approach for the sustainable and economically viable operation of industrial CO₂ capture plants.
Palavras-chave: Captura de CO₂
Controle preditivo
Otimização em tempo real
Aspen dynamics
Engenharia de controle
CO₂ capture
Predictive control
Real-time optimization
Control engineering
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/123456789/39457
Data do documento: 26-Fev-2026
Aparece nas coleções:Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química

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