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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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Figura 4: Coluna de destilação com aquecimento distribuído.
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Capítulo 3: Metodologia
Os recursos necessários para a realização deste projeto foram pelo
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Figura 10 - Composição ao longo da coluna sem aquecimento.
Figura 11 - Composição ao longo da coluna sem aquecimento.
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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
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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 -
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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