Simulação dinâmica e controle do processo de absorção de SO2 em torre de recheio usando o software Aveva Process Simulation

Abstract

Os poluentes gasosos são nocivos à saúde e ao meio ambiente. O dióxido de enxofre é um importante poluente proveniente principalmente da queima de combustíveis fósseis para produção de energia. Esse poluente pode causar problemas respiratórios aos seres humanos e colaborar com a formação de chuva ácida. Dentro desse contexto, é importante avaliar os processos de remoção do SO2 dos gases de combustão, de forma a torná-los mais eficientes e com menor custo. Neste trabalho, o objetivo foi realizar simulações em estado estacionário e dinâmico de uma torre de recheio, utilizando como entrada os dados experimentais de uma torre de pulverização real desenvolvida por Codolo (2010), a fim de avaliar suas características de desempenho e projeto para a remoção de SO2, empregando solução de NaOH. As principais variáveis de entrada usadas foram: as vazões de gás (entre 95,1 e 380,5 m3/h); as vazões de líquido (entre 800 e 1500 L/h); as composições de SO2 (aproximadamente 900 ppm); as quantidades de NaOH necessárias para a absorção e coeficiente de transferência de massa. A torre de recheio foi implementada no software AVEVA Process Simulation, um simulador projetado para atender os recentes avanços da indústria química moderna. A simulação estacionária possibilitou realizar a validação dos dados experimentais por meio da comparação entre as eficiências. O modelo simulado mostrou excelente correspondência com os dados experimentais. Foi obtido um coeficiente de correlação (R2) de 0,998 e 1 para os dados de entrada referentes as configurações da torre de pulverização com 1 bico e 5 bicos, respectivamente. Foi possível avaliar o perfil de perda de carga e a faixa de inundação da torre de recheio utilizando os recheios FLEXISADDLES ¾", FLEXISADDLES 1", FLEXIRING P1" e FLEXIRING P1,5". Os recheios do tipo SADDLES demonstraram maior perda de carga. O recheio FLEXIRING P1,5" demonstrou melhor capacidade de fator de inundação e menor perda de carga. O comportamento da concentração de SO2 na saída da torre foi avaliada em malha aberta ao realizar distúrbios na vazão de gás e composição de entrada da torre. Por fim, implementou-se um controle PID para avaliar as respostas dinâmicas da concentração de SO2 na corrente de gás de saída em decorrência de mudanças de setpoint e de distúrbios na vazão de gás e composição de entrada. Foi possível obter um controle capaz de estabilizar o sistema com valores inexpressivos de overshoot e rápida estabilização para o problema do tipo servo, alcançando desvios menores que 0,3% para o problema do tipo regulatório.

Gaseous pollutants are harmful to health and the environment, so they need to be removed properly and efficiently. Sulfur dioxide is an important pollutant that comes mainly from burning fossil fuels to produce energy. This pollutant needs to be removed as it can cause respiratory problems for humans and contribute to the formation of acid rain. Within this context, it is important to evaluate the processes of SO2 removal from the flue gas in order to make them more efficient and less expensive. In this work, the objective was to perform steady-state and dynamic simulations of a packed tower, using as input the experimental data of a real spray tower developed by Codolo (2010), in order to evaluate its performance and design characteristics for SO2 removal, employing NaOH solution. The main input variables used were: the gas flow rates (between 95.1 and 380.5 m3/h); the liquid flow rates (between 800 and 1500 L/h); the SO2 compositions (approximately 900 ppm); the amounts of NaOH required for the absorption and mass transfer coefficient. The packed tower was implemented in the AVEVA Process Simulation software, a simulator designed to meet recent advances in the modern chemical industry. The stationary simulation made it possible to perform validation of the experimental data by comparing efficiencies. The simulated model showed excellent correspondence with the experimental data. A correlation coefficient (R2) of 0.998 and 1 was obtained for the input data for the spray tower configurations with 1 nozzle and 5 nozzles, respectively. It was possible to evaluate the pressure drop profile and flooding range of the packed tower using the FLEXISADDLES ¾", FLEXISADDLES 1", FLEXIRING P1" and FLEXIRING P1.5" packings. The SADDLES type packing demonstrated the highest pressure drop. The FLEXIRING P1.5" packing demonstrated better flood factor capacity and lower pressure drop. The behavior of the SO2 concentration at the tower outlet was evaluated in open loop by performing disturbances in the gas flow rate and tower inlet composition. Finally, a PID control was implemented to evaluate the dynamic responses of the SO2 concentration in the outlet gas stream as a result of setpoint changes and disturbances in gas flow and inlet composition. It was possible to obtain a robust control capable of performing adjustments with negligible overshoot values and fast stabilization for the servo problem, reaching deviations smaller than 0.3% for the regulatory problem.