(11) Número de Publicação: PT 104718 (51) Classificação Internacional: G06Q 99/00 (2006) (12) FASCÍCULO DE PATENTE DE INVENÇÃO (22) Data de pedido: 2009.08.18 (30) Prioridade(s): (43) Data de publicação do pedido: 2011.10.14 (73) Titular(es): CIENGIS - SISTEMAS DE CONTROLO AVANÇADO, LDA. RUA PEDRO NUNES 3030-199 COIMBRA PT (72) Inventor(es): ANDREY VALERIEVITCH ROMANENKO JOÃO RUI DE OLIVEIRA MARQUES LEAL PT PT (74) Mandatário: (54) Epígrafe: CONTROLO PREDITIVO MULTIVARIÁVEL CONJUNTO DE UMA LINHA DE REFINAÇÃO DE ÓLEOS E DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL (57) Resumo: A PRESENTE INVENÇÃO DESCREVE UM SISTEMA DE CONTROLO PREDITIVO MULTIVARIÁVEL (1) CONJUNTO DE UMA LINHA DE REFINAÇÃO DE ÓLEOS (3) E DE PRODUÇÃO DE BIODIESEL (4) EM QUE SÃO TIDOS EM CONTA AS INTERACÇÕES E A NÃO-LINEARIDADE EXISTENTE DENTRO DE CADA UNIDADE (REFINAÇÃO E PRODUÇÃO DE BIODIESEL) BEM COMO AS INTERRAÇÕES ENTRE AS UNIDADES, POR VIA DE UTILIZAÇÃO DE UM MODELO MATEMÁTICO E RESOLUÇÃO DE UM PROBLEMA DE OPTIMIZAÇÃO NÃO LINEAR COM RESTRIÇÕES. AS RESULTANTES VARIÁVEIS MANIPULADAS, INCLUÍNDO OS CAUDAIS DE REAGENTES E DAS UTILIDADES E DE ENERGIA E OS PARÂMETROS DE SEPARAÇÃO SÃO CALCULADOS PARA MINIMIZAR UMA FUNÇÃO OBJECTIVO E SÃO ENVIADOS PARA O PROCESSO EM TEMPO REAL DIRECTAMENTE E/OU VIA UM SISTEMA DE CONTROLO TRADICIONAL (2).
Resumo Sistema de controlo preditivo multivariável conjunto de uma linha de refinação de óleos e de produção de biodiesel A presente invenção descreve um sistema de controlo preditivo multivariável (1) conjunto de uma linha de refinação de óleos (3) e de produção de biodiesel (4) em que são tidas em conta as interacções e a não-linearidade existente dentro de cada unidade (refinação e produção de biodiesel) bem como as interacções entre as unidades, por via de utilização de um modelo matemático e resolução de um problema de optimização não linear com restrições. As resultantes variáveis manipuladas, incluíndo os caudais de reagentes e das utilidades e de energia e os parâmetros de separação são calculados para minimizar uma função objectivo e são enviados para o processo em tempo real directamente e/ou via um sistema de controlo tradicional (2).
Descrição Sistema de controlo preditivo multivariável conjunto de uma linha de refinação de óleos e de produção de biodiesel O presente invento insere-se no domínio técnico da optimização e controlo avançado de processos industriais na indústria de refinação de óleos e de produção de biodiesel. O processo de produção de biodiesel apresenta várias etapas, designadamente. 1) A trans-esterificação; 2) A separação do ester dos subprodutos (glicerina e sabão) dos reagentes em excesso (álcool e catalisador) e da água; 3) A lavagem e secagem do ester (biodiesel) produzido. Assim, uma a produção de biodiesel engloba várias unidades com caudais de reciclo para o reaproveitamento de reagentes e para uma melhor integração energética. No que respeita à matéria-prima, os óleos são um produto natural com uma intrínseca variabilidade na sua composição, que influencia a operação de produção de biodiesel e os resultados económicos desta. Esta característica dos óleos pode ser agravada pela necessidade de fazer transições de misturas de óleos de origens e/ou de tipos diferentes. Para além disso, o processo de transesterificação é significativamente influenciado pela composição e pureza do óleo na entrada do processo. O rendimento e a conversão são, por exemplo, negativamente afectados pela água e pela existência de acidos gordos livres. Para melhorar o desempenho económico de uma unidade de produção de biodiesel, Pedrosa, N. Romanenko, A., Leal, J., and Santos, L.O. (2008) Model predictive control of a biodiesel production plant: a plantwide approach. In Proceedings of Bioenergy: Challenges and Opportunities International Conference and Exhibition on Bioenergy, Guimarães, Portugal, April 6 9 descrevem uma nova aplicação de controlo preditivo não linear aplicável a processos de produção de biodiesel, na qual surpreendemos por um lado, a redução da variabilidade e as perdas de produção devidas à variabilidade de matéria-prima e, por outro lado, a manutenção das variáveis de qualidade do produto final dentro das normas aplicáveis, designadamente a Norma EN14214. É ainda apresentada uma comparação entre controlo preditivo e controlo adaptativo no contexto de produção de biodiesel em Mjalli, F.S., Hussain, M.A. (2009) Approximate Predictive versus Self-Tuning Adaptive Control Strategies of Biodiesel Reactors, INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH, 48, 11034-11047. A preparação da matéria-prima da fábrica de bioidesel faz-se mediante a utilização de um processo de refinação de óleos que inclui as fases 1/3
de remoção dos acidos gordos livres, dos fosfo-lipídeos e da água por via química e/ou física. O rendimento do processo de refinação é influenciado e habitualmente sacrificado pelas exigências da qualidade do produto no final desta fase. Tal como no caso da fábrica de biodiesel, o processo de refinação de óleos apresenta dinâmicas não-lineares com interacções entre as variáveis de processo e de qualidade. Por exemplo, um maior grau de acidez requer menores custos de processamento na unidade de refinação, mas implica maiores gastos com o catalisador na unidade de trans-esterificação da fábrica de biodiesel. Da mesma maneira, uma maior quantidade de água no óleo na saída de refinaria diminui os custos de processamento, mas o seu impacto negativo na fábrica de biodiesel manifesta-se pela verificação de uma maior saponificação e da constatação de dificuldades na separação de biodiesel das demais fases. O diagrama de funcionamento do sistema está esquematizado na Figura 1. A presente invenção descreve um sistema de controlo preditivo(1) que complementa o sistema de aquisição de dados e de controlo tradicionalmente observado em sistemas análogos (2) e que tem em conta a interacção entre a refinaria de óleos(3) e a fábrica de biodiesel(4). Egloba um modelo mecanístico do processo de refinação de óleos e de produção de biodiesel que representa conjuntamente a dinâmica dos dois processos por via de previsão do comportamento das variáveis (incluindo caudal, temperatura, pressão, concentração, eficiência e massa), das variáveis de qualidade (incluindo conversão e rendimento) e das métricas económicas (custos). O sistema tem em conta a especificação das restrições quer do processo (incluindo temperaturas, pressões e níveis) quer económicas (por exemplo, custos máximos). Para além disso, é definida uma função objectivo que, por um lado, penaliza os desvios das variáveis de saída dos seus valores de referência e, por outro, contempla os custos de manipulação. Por exemplo, esta função pode assumir a seguinte forma quadrática: J = erro^t * Q1 * erro + custo^t * Q2 * custo onde o erro é o vector de diferenças entre as variáveis de saída e as suas referências, custo é um vector de custos de manipulação e Q1/Q2 são matrizes de pesos. O resultante problema de optimização é resolvido por via numérica em tempo real e os valores óptimos das variáveis manipuladas são 2/3
enviadas para o processo directamente e/ou pela via do sistema de controlo tradicional. O controlo do processo de produção de biodiesel é efectuado pela seguinte ordem: Obtenção das medições provenientes dos processos (3) e (4) e/ou valores de um sistema DAQ/DCS/PLC (2). Optimização do perfil óptimo das variáveis manipuladas no controlador (1), utilizando os valores medidos e/ou estimados. Envio dos valores óptimos das variáveis manipuladas a implementar pelo sistema DAQ/DCS/PLC (2). Comparado com o sistema de Pedrosa, N. Romanenko, A., Leal, J., and Santos, L.O. (2008) Model predictive control of a biodiesel production plant: a plantwide approach. In Proceedings of Bioenergy: Challenges and Opportunities International Conference and Exhibition on Bioenergy, Guimarães, Portugal, April 6 9, em que se maximiza o desempenho económico da fábrica de biodiesel, o sistema de controlo apresenta como vantagem uma maximização do desempenho económico global dos processos de refinação de óleos e da subsequente produção de biodiesel. Coimbra, 11 de Março de 2011 3/3
REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de controlo automático caracterizado por ser constituído por uma unidade de controlo preditivo multivariável com um modelo dinâmico conjunto de uma linha de refinação de óleos e de produção de biodiesel. 2. Sistema de controlo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ter ligação bidireccional com o sistema de controlo tradicional via rede local. 3. Sistema de controlo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por conter um optimizador que efectua o dito controlo através da resolução de um problema de optimização dinâmica, baseado na previsão por simulação simultânea das váriaveis dos dois processos (incluindo caudal, temperatura, pressão, acidez, concentrações, conversão), tendo em conta as restrições de cada uma das duas unidades da linha produtiva(valores máximos e/ou mínimos) e as respectivas interacções. 4. Sistema de controlo preditivo multivariável, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por obter e implementar os valores para as variáveis através da minimização de uma função objectivo global, contemplando o desvio das variáveis processuais e/ou da qualidade das respectivas trajectórias de referência e os esforços e/ou custos de manipulação. Coimbra, 14 de Setembro de 2011