UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
Instrumentação e Controle de Processos
Petroquímicos
Álvaro Luiz Longo
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
Relatório Final de Bolsista Aluno
Período informado
Junho de 2001 a Maio de 2003
Identificação
Nome:
Álvaro Luiz Longo
CPF:
026.239.409-08
0
Matrícula PRH-ANP/MCT N : 2001.0483-2
Tipo de Bolsa:
Graduação
Orientador:
Prof. Dr. Ariovaldo Bolzan
Co-orientador:
Prof. Dr. Ricardo Antonio Francisco Machado
Tema: Instrumentação e Controle de Processos Petroquímicos
Em Florianópolis, Junho de 2003
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Agradecimentos
À UFSC, pela estrutura fornecida;
Ao LCP, pela eminente participação no desenvolvimento do trabalho;
Aos orientadores, prof. Ariovaldo e prof. Ricardo, pela dedicação e
paciência;
Aos colegas Gustavo e Cintia, pela colaboração;
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;
À Deus e à minha família, que estiveram sempre olhando por mim.
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Resumo
A indústria petroquímica tem por objetivo obter, a partir do petróleo bruto,
produtos de alto valor comercial e de maior utilidade industrial, seja para fins
energéticos, ou como matéria-prima para a indústria petroquímica. Seus
processos são complexos, geralmente operam com grandes volumes de produção
e em condições restritas. O controle da operação em condições ótimas e estáveis
é importante para manter a qualidade dos produtos obtidos e a segurança da
planta.
A implementação de um sistema de controle para uma indústria
petroquímica é uma tarefa complexa, que para ser eficiente necessita de muitos
conhecimentos. Desde a instrumentação, passando por modelos dinâmicos e
métodos de projetos e
estratégia de controle, as ações têm que ser
adequadamente integradas para que a planta opere em condições desejadas com
segurança e lucratividade.
Neste trabalho, buscou-se realizar as atividades relacionadas ao controle e
instrumentação de processos da indústria petroquímica. O desenvolvimento foi
dividido em duas etapas: a primeira, relacionada a colunas de destilação, foi
realizada no LCP, onde foi projetada, construída e instrumentada uma coluna de
destilação em escala piloto. A segunda etapa, foi desenvolvida em escala
industrial, envolvendo a instrumentação para o controle de um reator que opera
em batelada para a produção de poliestireno expansível.
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Abstract
Petrochemical industry aims to made high value products with greater utility
to other industries, used as energy source or as raw materials to the manufacture
industries. Its processes are complex, and often operate great production volumes,
under restrict conditions. The operations control under optimum and stable
conditions is important to maintain the products quality and the plant safety.
The implementation of a control system in a petrochemical industry is a
complex task, that requires many knowledge to be efficient. From the
instrumentation, to dynamic models, design methods and control strategies, the
actions may be adequately integrated to the plant operate under the desired
conditions, with safety and profitability.
In this work, it’s aimed to carry through the activities related to process
control and instrumentation on the petrochemical industry. The development was
divided in two stages: the first one, related the destillation columns, was carried
through in the LCP, where a pilot scale distillation column was projected,
constructed and instrumented. The second stage, was developed in industrial
scale, involving the instrumentation for the control of a batch reactor for the
production of expandable polystyrene.
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Sumário
Sumário ....................................................................................................... 1
Simbologia .................................................................................................. 6
Capítulo 1: Introdução................................................................................ 7
Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos ................................ 12
2.1: Controle de colunas de destilação ................................................... 14
2.2: Controle de reatores de polimerização............................................. 24
Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação ............................................... 28
3.1: Dimensionamento ............................................................................ 29
3.2: Construção da unidade piloto........................................................... 35
3.3: Instrumentação................................................................................. 40
3.3.1: Descrição dos sensores ............................................................ 41
3.3.2: Descrição dos elementos finais de controle .............................. 44
3.4: Controle distribuído .......................................................................... 46
Capítulo 4: Instrumentação da Planta de Polimerização Industrial ..... 48
Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas .................................................. 52
Anexos....................................................................................................... 54
Bibliografia ................................................................................................ 63
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Simbologia
Di – diâmetro interno da coluna
Fl – vazão de alimentação
H
– altura da coluna
Hs – espaçamento entre os pratos
Hx – altura extra
M – peso molecular da fase vapor
Na – número real de pratos
N
– número de pratos teórico
Qb – calor fornecido ao refervedor
R
– razão de refluxo
Sb – área de borbulhamento
T
– temperatura
u
– velocidade do vapor
Letras gregas
ηo – eficiência global da coluna
ρv – densidade do vapor
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Capítulo 1: Introdução
Mudanças permanentes das condições de mercado e operação das
plantas em condições limites tornam extremamente difícil a manutenção dos
processos nos pontos de máxima lucratividade. Morari et al. [1] citam a integração
da medição, controle, otimização e logística como o modo mais eficaz de gerar
lucros atendendo as variações de mercado, com o mínimo de investimentos.
Segundo Shinskey [2], o principal benefício da implementação ou da
melhoria de um sistema de controle é o incremento na recuperação do produto
mais valioso. Para produtos finais de um processo, recuperação é definida como a
quantidade de produto “que ser possa vender” gerado por unidade do componente
que foi alimentado. Uma vez que quantidade e qualidade são inversamente
proporcionais, o aumento na qualidade reduz a quantidade, ou seja a
recuperação. Assim, a solução para incrementar a recuperação de um
determinado produto é operar o mais próximo possível e com menor tempo de
desvio das especificações de qualidade do produto. Esta é uma meta
freqüentemente difícil de alcançar em processos envolvendo destilações devido à
presença de tempos mortos. Esta característica leva a tempos de operação
consideráveis, ou seja, leva a desvios das especificações de qualidade do produto
quando ocorre alguma perturbação no processo.
As operações físicas e químicas envolvidas no refino de petróleo têm por
objetivo a obtenção de produtos de maior valor comercial, que atendem as
necessidades das indústrias para fins energéticos (gasolina, óleo Diesel,
querosene, etc.) e matéria-prima (óleos lubrificantes, nafta petroquímica, etc.).
A indústria petroquímica é o setor industrial que compreende a fabricação
de produtos químicos como plásticos, fertilizantes, entre outros, a partir dos
derivados de petróleo ou gás natural. Este setor apresenta características
inerentes à indústria química dita pesada, necessitando de suprimento abundante,
contínuo e regular de matérias-primas com preços competitivos, devido à elevada
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escala de produção e do emprego de processos contínuos e automatizados.
Apresenta, geralmente, expressivo custo operacional, alto investimento para
implantação e participação relativamente baixa da mão-de-obra no custo final do
produto. Requer ainda elevado apoio de utilidades (água, vapor, energia elétrica,
etc.) e de facilidades (transporte, armazenamento, manuseio, etc.).
Cabe ressaltar que a indústria petroquímica parte de um pequeno número
de matérias primas (nafta, gás natural, gasóleo, etc.) e os produtos resultantes
(eteno, propeno, butadieno, benzeno, tolueno, amônia, metanol, etc.) constituem a
base de várias famílias de numerosos produtos. Há ainda a elevada valorização
advinda dessa transformação e a exigência da pesquisa científica e tecnológica
necessária para o desenvolvimento de novos processos e produtos, além do
aprimoramento dos processos já existentes [3].
Além da utilização de seus derivados para fins energéticos, o petróleo é a
principal matéria-prima para a indústria petroquímica. A partir da nafta e do
gasóleo, são produzidos os chamados produtos petroquímicos básicos: eteno,
propeno, butadieno e os aromáticos (benzeno, tolueno e xilenos). Os produtos
petroquímicos básicos, podem obtidos ainda a partir do álcool, carvão e gás
natural. Essa etapa é desenvolvida nas chamadas indústrias petroquímicas de
primeira geração. Nas unidades petroquímicas de segunda geração, esses
produtos são convertidos em produtos petroquímicos intermediários, como
cloreto de vinila, estireno, fenol, óxido propeno, etc.
Nas petroquímicas de terceira geração, os produtos intermediários são
utilizados para a produção dos produtos petroquímicos finais, onde se
destacam os plásticos, fibras, elastômeros, explosivos e os fertilizantes e
defensivos agrícolas nitrogenados. A Figura 1 apresenta o esquema geral de
processamento na indústria petroquímica.
Dentro das indústrias petroquímicas, destacam-se as indústrias de
polímeros, que através de reações de polimerização convertem derivados de
petróleo em materiais plásticos (p.e. polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.).
São consideradas indústrias petroquímicas de terceira geração, e respondem por
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grandes volumes de consumo de derivados não-energéticos oriundos das
refinarias em todo o mundo. No caso dos plásticos, as resinas obtidas nas
indústrias de terceira geração passam pelas indústrias de transformação
(petroquímicas de quarta geração), onde são produzidos os artefatos plásticos,
de reconhecida utilidade para o ser humano.
FIGURA 1 – Esquema de processamento na indústria petroquímica
Os processos da indústria de petróleo e petroquímica têm como
características grandes volumes de operação e forte dependência de variáveis
termodinâmicas, como temperaturas e pressões, e variáveis de processo, como
vazões e composições. Dessa forma, ressalta-se as seguintes peculiaridades
deste tipo de indústria:
a) Porte elevado, atendendo uma escala de produção competitiva;
b) Pesquisa e desenvolvimento intensivos;
c) Comercialização e assistência técnica especializadas;
d) Busca contínua por otimização dos processos e operações;
Essas
características
ressaltam
a
importância
do
controle
destes
processos, com o objetivo de manter as operações em um estado adequado para
se obter altos rendimentos, bom funcionamento de equipamentos e produtos de
qualidade desejada. Quando um desses processos atinge uma condição de
estabilidade, acaba gerando severas conseqüências para a produção da indústria.
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O projeto completo do sistema de controle de um processo envolve vários
procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da
engenharia, tais como:
a) A
mecânica
dos
fluidos,
para
a
especificação
de
bombas,
dimensionamento de tubulações, o tamanho de trocadores de calor, a potência de
compressores;
b) A transferência de calor, para a determinação da quantidade de calor
para o aquecimento (ou resfriamento) de reatores químicos, pré-aquecedores,
caldeiras de recuperação e o dimensionamento de condensadores;
c) A cinética das reações químicas, para o dimensionamento de
reatores, para a escolha das condições de operação (pressão, temperatura,etc.) e
dos catalisadores;
d) A termodinâmica, para os cálculos de transferência de massa, relações
de equilíbrio e balanço de energia.
Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de
controle adequado para o processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a
simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o seu entendimento e
da sua dinâmica.
O
presente
trabalho
tem
por
objetivo
projetar
e
implementar a
instrumentação necessária para a automatização e controle em processos
petroquímicos. Para tal, foram estudados dois casos: o primeiro, uma unidade
piloto de destilação, localizada no Laboratório de Controle de Processos do
Departamento
de
Engenharia
Química
e
Engenharia
de
Alimentos
da
Universidade Federal de Santa Catarina. O desenvolvimento dessa etapa incluiu
o projeto e a construção da coluna de destilação. Na unidade serão testadas as
estratégias desenvolvidas para o controle de colunas de destilação. O segundo
caso foi desenvolvido na unidade industrial de polimerização para a produção de
poliestireno expansível, localizada na empresa Termotécnica LTDA., na cidade de
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Joinville – SC. O objetivo dessa etapa é a implementação do controle dos reatores
de polimerização, já desenvolvido em escala piloto, bem como a automatização de
todo o processo.
A seguir será apresentada uma revisão bibliográfica sobre controle de
processos da indústria petroquímica, sendo destacadas as colunas de destilação e
os reatores de polimerização. Na sequencia, é descrito o projeto e a construção da
coluna de destilação, seguido pela instrumentação da coluna e dos reatores de
polimerização. O desenvolvimento foi financiado pela Agência Nacional de
Petróleo (ANP), através do PRH-ANP/MCT Nº 34.
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Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos
A necessidade de diminuir as variações existentes na qualidade dos
produtos, em conjunto com as rigorosas regulamentações ambientais que vigentes
sobre as indústrias de processos químicos, motivam o aperfeiçoamento dos
sistemas de controle, bem como a forma de controlar estes processos. Os
sistemas de controle de processos são desenvolvidos com o objetivo de
maximizar a produção e minimizar os seus custos, eliminando riscos inerentes ao
processo e aumentando a qualidade dos produtos.
Para um processo alcançar uma situação de elevada produtividade,
obtendo produtos com qualidade e baixos custos, atendendo às exigências da
legislação ambiental e respeitando as condições de segurança, é necessária a
implementação de técnicas cada vez mais avançadas referentes à otimização,
supervisão e controle de processos. A supervisão e o controle do processo são
passos importantes para a sua otimização. Entretanto, a maioria dos
pesquisadores procura implementar as novas técnicas de controle em processos
complexos para testar a sua eficiência, ao invés de procurar a melhor técnica para
o controle de um processo específico [4].
A implementação de um sistema de controle em um processo passa
necessariamente pela especificação das variáveis controladas e manipuladas e da
instrumentação de controle. Adicionalmente, os sistemas de controle podem ser
instalados de tal maneira que possam ser integrados a um sistema de supervisão.
Isso possibilita a disponibilização de informações sobre o estado da planta em
tempo real, programação e controle de produção, determinação de custos, etc. No
entanto, quando não há integração entre o projeto do sistema de controle e o
projeto do processo, existe a possibilidade de uma instrumentação redundante ou
insuficiente para a implementação do controle [5]. Isso ressalta a necessidade de
uma análise rígida a respeito da instrumentação do processo, como parte do
projeto do sistema de controle.
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Os processos da indústria de petróleo e gás natural caracterizam-se por
apresentar dinâmicas bastante complexas e grande grau de interação entre as
suas variáveis. Estes processos costumam apresentar ainda elevados atrasos e
não-linearidades em seu comportamento dinâmico, o que dificulta o projeto e
implementação de sistemas de controle [6].
O objetivo da implementação de um sistema de controle é baseado na
segurança do processo, especificação dos produtos, regulamentação ambiental,
restrições de operação e necessidade de economia no processo. Um sistema de
controle deve atender as seguintes necessidades:
a) Rejeitar perturbações externas;
b) Efetuar, de forma adequada, as transições entre condições de operação;
c) Garantir a estabilidade;
d) Otimizar a performance do processo.
O controle de processos, quando aplicado de forma adequada, resulta em
certos benefícios para o processo, como:
a) Maior qualidade do produto;
b) Estabilidade operacional;
c) Maior eficiência no uso de matérias-primas e energia;
d) Maior produtividade do processo;
e) Menor desgaste dos equipamentos;
f) Redução do impacto ambiental;
g) Maior segurança da planta.
O conjunto desses benefícios reflete em um melhor resultado econômico do
processo. Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda
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menores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes
graus ou especificações, como ocorre freqüentemente nas indústrias de refino de
petróleo e petroquímicas. Inevitavelmente, durante a transição haverá um período
em que serão gerados produtos fora de especificação. Nesse caso, o objetivo do
sistema de controle é minimizar a duração dessa transição, respeitando as
restrições que lhe são impostas.
2.1: Controle de colunas de destilação
O fracionamento inicial do petróleo envolve a destilação do material em
diversas frações, de acordo com a faixa de ebulição. Estas são normalmente
dependentes da natureza e composição do óleo. Os principais produtos obtidos
são o gás liquefeito de petróleo (GLP), nafta, gasolina, óleo Diesel, querosene,
gasóleos, óleos combustíveis e asfalto. As naftas são as precursoras da gasolina,
além de, juntamente com o eteno, propeno e butadieno, formar a base de matérias
primas para a indústria petroquímica.
A separação por destilação é responsável por um grande número de etapas
do processo de refino de petróleo. Altas capacidades de produção demandam por
equipamentos de grande porte. O comportamento dinâmico destas operações é
bastante lento, o que aumenta a importância de um sistema de controle
apropriado e que minimize os estados transientes oriundos de alterações entre
condições de operação, seja por uma mudança desejada dessas condições, seja
pela incidência de perturbações imprevistas.
Uma refinaria consiste em uma rede complexa de processos unitários
integrados com o objetivo de produzir uma grande variedade de produtos a partir
do óleo cru. O desempenho, tanto econômico como operacional da refinaria
depende da correta operação de todas as unidades, que via de regra operam de
forma contínua. Além disso, a característica dinâmica desses processos é típica
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de processos lentos, com constantes de tempo e atrasos muito altos, devido ao
grande porte das unidades de processamento.
A Figura 2 ilustra um exemplo geral de uma refinaria, destacando seus
principais processos. Os processos são divididos em processos de separação,
tratamento e conversão, conforme apresenta a Figura 3. Entre os processos de
separação, destacam-se as operações de destilação atmosférica e destilação a
vácuo, que são as operações primárias de uma refinaria, onde o petróleo cru é
separado em frações que darão origem a todos os produtos obtidos ao final do
processamento.
FIGURA 2 - Esquema dos processos de uma refinaria de petróleo
Segundo Brandon et al. [7], as refinarias de petróleo são excelentes
candidatos à estudos de otimização devido a:
a) Existência de inúmeros graus de liberdade, necessários para satisfazer
exigências de segurança, qualidade de produto e taxa de produção;
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b) Mudanças freqüentes em condições de alimentação e entrega de
produtos;
c) Existência de modelos e dados físicos razoáveis;
d) Movimentação de grandes quantias de dinheiro;
e) Alto grau de automatização.
Petróleo
Processos de
separação
Pré-vaporização
Destilação atmosférica
Destilação a vácuo
Desasfaltação a propano
Desaromatização a furfural
Desparafinação a MIBC
Desoleificação a MIBC
Extração de aromáticos
Absorção de n-parafinas
Processos de
conversão
HCC
FCC
Craqueamento térmico
Viscoredução
Reforma catalítica
Alcoilação catalítica
Coqueamento retardado
Processos de
tratamento
Derivados de
Petróleo
Tratamento cáustico
Tratamento Merox
Tratamento Bender
Tratamento DEA
FIGURA 3 - Classificação dos processos de refino de petróleo
É necessário estudar novos sistemas de controle para as operações de
refino de petróleo, uma vez que os projeto das refinarias atualmente em operação
datam de algumas décadas, quando não havia disponibilidade de tecnologia como
atualmente [8]. No Brasil, as refinarias processam quantidades próximas de suas
capacidades nominais, conforme é apresentado na Figura 4. Isso ressalta a
necessidade de incrementar a capacidade de produção dessas refinarias, através
da otimização dos processos com a implementação de sistemas de controle mais
eficientes.
A destilação pode ser caracterizada como um processo com restrições,
acoplado, não estacionário, não linear e que possui comportamento altamente
dinâmico [9]. Em muitos casos, o processo de destilação precede as etapas finais
da manufatura de um produto. Se a destilação passar por instabilidades, pode
comprometer também a qualidade dos produtos finais. Em virtude destas razões e
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de acordo com Remberg et al. [10] o projeto de sistemas de controle para essa
operação pode ser dividido em cinco partes:
a) Formulação dos objetivos de controle;
b) Seleção da configuração de controle;
c) Análise da estrutura de controle;
d) Projeto dos controladores;
e) Simulação do sistema proposto.
A execução dessas etapas, na ordem afirmada, deve ser seguida para uma
correta implementação de um sistema de controle.
FIGURA 4 – Volume de produção e capacidade nacional das refinarias nacionais
Este autor afirma também que o controle de uma coluna de destilação pode
ser abordado sob cinco aspectos. São eles: (1) especificação dos produtos, (2)
variações na qualidade, (3) recuperação do produto, (4) custo das utilidades e (5)
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práticas de operação. Para atender estes aspectos inúmeras estratégias e
técnicas de controle podem ser aplicadas conforme a dificuldade de um processo
de destilação em específico. Antes de apresentar estas dificuldades e técnicas de
controle serão abordadas as possibilidades de configuração das malhas de
controle existentes em uma coluna.
O controle de uma coluna de destilação visa basicamente atender a três
objetivos:
a) Manter estável as condições de operação da coluna;
b) Regular as condições de operação para que os produtos mantenham-se
dentro dos padrões de qualidade impostos;
c) Atingir esses dois objetivos de maneira mais eficiente possível.
A Figura 5 apresenta as variáveis tipicamente controladas em uma coluna
de destilação sem retiradas laterais. São elas: pressão na coluna, nível de líquido
acumulado na base da coluna e no acumulador de condensado, e a composição
dos produtos de base e de topo [11]. Essas variáveis podem ser classificadas
como:
a) Variáveis de operação: Incluem a pressão e os níveis de líquido citados.
O controle destas variáveis visa atender o primeiro objetivo citado, isto é, manter
as condições de operação estáveis. Essas condições são determinadas
considerando apenas a estabilidade do processo, sem levar em conta as
especificações dos produtos.
b) Variáveis de qualidade dos produtos: São as composições das correntes
do topo e da base. São reguladas para atender o segundo objetivo, ou seja,
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alcançar as especificações desejadas aos produtos. Essas variáveis são
determinadas apenas pela pureza dessas correntes.
Legenda
PC
Válvula de controle
Trocador de calor
LC
D
QC
TC
Controlador de nível
QC
Controlador de qualidade
(composição)
TT
Transmissor de temperatura
PT
Transmissor de pressão
F
LC
QC
B
FIGURA 5 - Variáveis controladas e correntes manipuladas em uma coluna típica
O controle da composição pode ser feito diretamente, usando medidas de
composição das correntes dos produtos, ou indiretamente, medindo uma ou mais
propriedades físicas que representem a composição. Entretanto, não existem
atualmente instrumentos capazes de medir diretamente a composição química das
correntes em linha. Assim, são mais utilizadas as técnicas indiretas, através da
medição de propriedades como índice de refração, densidade, pressão de vapor,
ponto de congelamento ou, o mais comum, a temperatura do estágio de equilíbrio.
De fato, o controle da temperatura é o mais rápido, mais barato e o mais popular
entre os citados acima [12].
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Resumindo, em uma coluna de destilação típica, além de manter a
condição de estado estacionário para as correntes de alimentação, produtos de
base e topo e refluxo, são controladas cinco variáveis. Três delas (pressão e os
níveis acumulados) são controladas para manter a estabilidade da operação, e as
outras duas (composição dos produtos), para atender as especificações de
qualidade dos produtos. O controle das variáveis citadas é feito através da
manipulação da vazão de cinco correntes: produto de topo e de base, resfriamento
do condensador (água), aquecimento do refervedor (vapor) e a razão de refluxo.
Essas vazões são manipuladas pela abertura de válvulas de controle,
posicionadas conforme apresenta a Figura 5.
Na sua essência, o projeto de um sistema de controle para uma coluna de
destilação é realizado pelo emparelhamento das cinco variáveis controladas com
as cinco variáveis manipuladas. Dessa maneira, 5! (=120) combinações são
possíveis, mas é fácil perceber que apenas algumas delas são possíveis de serem
utilizadas. Para a escolha desses emparelhamentos deve-se levar em conta a
interação entre todas as variáveis envolvidas, para selecionar as combinações
mais eficientes para o controle de toda a operação. A Figura 6 apresenta as
principais soluções possíveis para esse problema. Algumas regras práticas para a
correta definição dos emparelhamentos são apresentadas por Kister [11].
Em uma condição ideal, tanto a composição do produto do topo quanto da
base devem ser controlados. Mas na prática, se a composição da corrente de
alimentação é mantida constante, ou se existe interesse apenas em um dos
produtos, basta controlar a composição de apenas uma das duas correntes de
saída. [11]. Isto resulta em quatro variáveis a serem controladas, contra cinco
correntes manipuladas. A quinta corrente, chamada de corrente livre,
normalmente tem a sua vazão controlada. Essa corrente é normalmente o vapor
alimentado ao refervedor (Figura 6 b, d), ou a razão de refluxo (Figura 6 a, c).
Nos casos mais comuns, a pressão no topo da coluna e o nível do
acumulador são controlados manipulando-se a vazão de água no condensador ou
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PC
LC
FC
Legenda
D
Válvula de controle
Trocador de calor
Medidor de vazão
F
TC
LC
B
TC
Controlador de temperatura
LC
Controlador de nível
QC
Controlador de qualidade
(composição)
FC
Controlador de vazão
TT
Transmissor de temperatura
PT
Transmissor de pressão
PC
LC
D
TC
F
FC
LC
B
FIGURA 6 - Alternativas de controle de colunas de destilação.
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PC
FC
LC
D
F
TC
LC
B
PC
LC
D
TC
F
FC
LC
B
FIGURA 6 (continuação) - Alternativas de controle de colunas de destilação
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pela vazão do produto de topo (Figura 6 a, b, c, d). O nível da base é controlado
pela vazão do produto da base (Figura 6 a, b, c, d), enquanto a composição dos
produtos (controlando indiretamente a temperatura da coluna) é controlada pela
vazão de vapor no refervedor (Figura 6 a, c), pela razão de refluxo (Figura 6 b) ou
pela vazão do produto de topo (Figura 6 d).
Entre as técnicas aplicadas para controlar os parâmetros de uma coluna de
destilação, o controle multivariável apresenta maior facilidade de implementação.
De fato, diversos estudos são realizados com esta abordagem [12] . Algumas
estratégias avançadas de controle em destilação tem sido estudadas e
apresentadas na literatura com o objetivo de formular algoritmos de otimização e
controle, buscando o melhor ajuste de parâmetros como volume de produção,
recuperação de produto, e melhora nos perfis transientes da coluna. Estes
estudos enfocam principalmente controle multivariável com restrições [13],
modelagem neuro-fuzzy [14] e redes neurais [15, 16].
Porém estas estratégias continuam abordando o controle do processo
através de variáveis como fluxo de vapor no refervedor, controle do destilado e da
alimentação. Alguns trabalhos relatam as mesmas técnicas de controle preditivo
abordadas no estudo de controle de uma coluna de destilação [17, 18, 19, 20, 21].
No entanto, essas propostas mantêm as ações de controle concentradas nos
mesmos pontos dos sistemas de controle convencionais, e por isso são pouco
eficientes quando se deseja reduzir os tempos de transição entre dois estados de
operação de uma coluna.
Considerando as dificuldades inerentes ao processo, é proposta a inclusão
elementos de aquecimento localizados diretamente nos estágios de equilíbrio da
coluna de destilação, tornando mais próximas a ação de controle e a variável a ser
controlada. Essa ação visa tornar mais eficiente o controle do perfil de temperatura
ao longo da coluna, sob a forma de uma estratégia de controle distribuído, através
da qual pretende-se reduzir o intervalo de transição entre os estados estacionários
e minimizar o tempo que a coluna opera fora das condições especificadas.
23
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2.2: Controle de reatores de polimerização
Durante o século XX a indústria de polímeros passou por grandes
desenvolvimentos, quando materiais plásticos passaram a substituir a madeira, o
vidro, os metais, as fibras naturais, etc. Esta evolução gerou a necessidade de
automatização e controle de reatores de polimerização, com o propósito de reduzir
custos de mão-de-obra, melhorar a qualidade dos produtos e aumentar o grau de
segurança da operação.
A temperatura e a pressão exercem forte influência sobre a cinética das
reações químicas. No caso de reações exotérmicas, o calor liberado pela reação
pode por em risco a segurança do processo. Nesse ponto, o controle dessas
variáveis torna-se imprescindível para a operação adequada desses processos.
A possibilidade de se controlar as propriedades de polímeros, como a
distribuição de peso molecular (MWD) e de tamanho de partículas (DTP) é de
grande importância industrial, pois essas propriedades influenciam diretamente na
qualidade do produto. No entanto, é difícil a implementação de sistemas on-line
para o monitoramento dessas propriedades, principalmente pela falta de
instrumentação adequada.
Para contornar esse problema, a maioria das
estratégias monitora indiretamente essas propriedades através de variáveis de
fácil medição, como temperatura, pressão e velocidade de agitação, fazendo uso
de modelos matemáticos da reação de polimerização.
Do ponto de vista operacional, uma planta operando em regime contínuo é
muito mais produtiva do que se operasse em regime de batelada. Porém devido
ao alto valor agregado de alguns produtos, como fármacos, por exemplo, ou à
dificuldade de condução de algumas reações em regime contínuo, como reações
de polimerização em suspensão, estes sistemas são, preferencialmente,
conduzidos em regime de batelada [22].
24
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Basicamente, dois fatores diferem os processos batelada dos contínuos. O
primeiro está relacionado com a trajetória de partida da planta. Em processos
contínuos, esta etapa deve ser realizada de maneira segura, enquanto que num
processo de batelada, além de segura deve ser rápida e, preferencialmente, sem
sobreelevações. Em alguns casos o ciclo de operação é de apenas algumas
horas, e uma partida lenta pode elevar significativamente o ciclo da batelada e os
custos de produção.
O segundo fator de diferenciação está relacionado à manutenção das
condições ideais de operação após a partida. Em processos contínuos, esta etapa
se inicia quando o estado estacionário é atingido e, então, as condições de
operação e as propriedades físicas do meio permanecem aproximadamente
constantes. Nesse caso, esse estado deve ser mantido por um longo intervalo de
tempo. Por outro lado, nos processos batelada e semi-batelada, se um estado
estacionário de operação é atingido, sua duração é pequena, em relação a um
processo contínuo.
Desta forma, define-se que a melhor partida de um reator é aquela que faz
uma transição rápida e segura das condições iniciais até as condições de
operação e, preferencialmente, sem sobreelevações.
Muitos trabalhos apresentam o desenvolvimento de sistemas de controle
que buscam alcançar essa condição ideal. O desenvolvimento da eletrônica e da
microinformática facilitou o surgimento e a aplicação dessas técnicas. Modelos
matemáticos passaram a ser aplicados na etapa de projeto de sistemas de
controle.
Sobre as indústrias petroquímicas, mais especificamente as indústrias de
polímeros, são raras as publicações sobre controle de reatores em regime
batelada que apresentam resultados experimentais em nível industrial [22]. A
utilização de um controlador utilizando lógica Fuzzy para o controle de reatores de
polimerização em batelada é proposta por Mazzucco [23]. A maioria dos trabalhos
se concentra em resultados obtidos através de simulações, cuja implementação é
mais fácil e de menor custo, por não necessitar de equipamentos e
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instrumentação, não consumir reagentes, insumos e utilidades, e gerar resultados
mais rapidamente. No entanto, resultados validados experimentalmente são mais
valiosos e seguros para serem extrapolados a nível industrial.
O controle de reatores de polimerização é uma tarefa árdua, onde se
encontram as seguintes dificuldades:
a) Dificuldade na especificação do objetivo de controle;
b) Grande variação de viscosidade do meio;
c) Alta exotermicidade das reações de polimerização;
d) A dinâmica do processo geralmente é bastante complexa;
e) Dificuldades na realização de medidas on-line das propriedades do
polímero, devido à falta de instrumentação adequada.
Sob este enfoque, na segunda etapa do trabalho, foi realizada a
instrumentação de uma unidade industrial de polimerização para a produção de
poliestireno
expansível,
realizado
na
empresa
Termotécnica
LTDA.
A
instrumentação é necessária para a automatização do processo e controle dos
reatores de polimerização. As variáveis controladas são a temperatura e a pressão
do reator e da camisa de aquecimento e refrigeração, além da velocidade de
agitação do reator.
Algumas técnicas de controle de reatores de polimerização em batelada já
foram desenvolvidas e implementadas em escala piloto no Laboratório de Controle
de Processos (reator de 5 l – Figura 7) e na Termotécnica (250 l). [22, 23, 24, 25,
26]. A instrumentação tem por objetivo permitir a implementação de um sistema de
controle
utilizando
lógica
Fuzzy
nos
reatores
industriais
(20.000
l).
A
automatização da planta de polimerização tem por objetivo minimizar a
interferência da ação humana e por conseqüência aumentar a segurança e
confiabilidade do processo.
26
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FIGURA 7 – Reator piloto de polimerização
Controlando as variáveis do processo de polimerização, é possível atingir
os níveis de qualidade dos polímeros a cada batelada, mantendo sob controle as
propriedades como as distribuições de peso molecular e de tamanho de
partículas. Além disso, o processo é conduzido de forma segura e eficiente,
contendo as sobreelevações de temperatura causadas pela liberação de calor
proveniente da reação (exotérmica).
27
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Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação
No desenvolvimento de técnicas destinadas a processos industriais, é
adequado que estudos preliminares sejam realizados em equipamentos de menor
porte. Neste caso, experimentos em escala laboratorial e piloto são próprios para
suprir essa necessidade. Paralelamente a simulações numéricas, os resultados
obtidos podem ser extrapolados às dimensões industriais, respeitando-se alguns
parâmetros e proporções próprios para cada tipo de processo. Ainda, ensaios em
escala piloto são mais ágeis, despendem menores recursos e geralmente não
comprometem o processo produtivo de uma indústria, o que muitas vezes
inviabiliza testes em plantas industriais.
Aliado a estes motivos, o fato de não haver uma coluna de destilação em
escala piloto com instrumentação adequada, disponível para a realização de
experimentos de controle, justifica a necessidade de projetar, construir e
instrumentar uma unidade experimental de destilação, onde serão testadas as
estratégias de controle propostas para essa operação a nível industrial.
A coluna de destilação foi projetada para a separação de misturas
multicomponentes, operando em regime contínuo com recirculação das correntes
produzidas. A configuração do interior é do tipo pratos perfurados, dispondo de
pontos de aquecimento e retiradas laterais em todos os estágios de equilíbrio. A
coluna tem configuração modular, tornando-se flexível em relação ao número de
estágios. Além do dimensionamento e construção da coluna, foram projetados e
construídos (ou adquiridos) todos os equipamentos periféricos necessários para a
sua operação, como bombas, tanques, tubulações, instrumentação, utilidades e
obras de infra-estrutura.
A proposta de controle apresenta a inclusão de pontos de aquecimento
distribuídos, localizados junto aos pratos da coluna, objetivando descentralizar as
ações de controle em relação à base e topo da coluna. Essa técnica deve ser
testada experimentalmente na planta piloto, onde os resultados obtidos sejam
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representativos o suficiente para que possam ser implementados processos de
destilação de unidades industriais, especialmente na indústria de petróleo.
Dessa maneira, pretende-se em um primeiro estágio obter uma estratégia de
controle de uma coluna de destilação, caracterizada como uma abordagem de
controle distribuído, que seja capaz de minimizar as variações que ocorrem nos
processos de destilação atmosférica de petróleo. A unidade piloto será utilizada
ainda para a realização de outros trabalhos do PRH-ANP/MCT Nº 34 sobre
controle de colunas de destilação, além de sua utilização para fins didáticos no
ensino de controle de processos.
3.1: Dimensionamento
O dimensionamento de um equipamento é uma parte fundamental do seu
projeto. O comportamento dinâmico e a eficiência do processo dependem
diretamente das dimensões do equipamento, o que acaba se refletindo sobre o
desempenho dos controladores que lhe são implementados. Por esse motivo,
muita atenção é dada para o dimensionamento de equipamentos dentro do ensino
de engenharia química, especialmente no campo de projetos.
Em colunas de destilação, o primeiro passo para o dimensionamento é o
cálculo do número de estágios de equilíbrio. O método mais utilizado é o de
McCabe-Thiele, mas este é aplicado apenas para misturas binárias. Como o
sistema proposto é multicomponente, cálculos mais rigorosos são necessários.
Uma forma simplificada de realizar esses cálculos é obter o número mínimo de
estágios em simuladores comerciais [27], que foi o método utilizado nesta etapa.
Neste método, usa-se o critério de busca da menor coluna em que há
convergência, que é função do número de estágios e da posição ótima de
alimentação. Esta análise foi realizada estudando-se dois casos, os quais
pretende-se utilizar nos experimentos: no primeiro, foi testada a alimentação com
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uma mistura de isômeros de butanol, onde o número mínimo de estágios teóricos
encontrado foi quatro. No segundo caso, foi testada a alimentação com uma
mistura de alcanos (hexano, heptano e octano), onde o resultado foi seis pratos
teóricos, que foi o valor escolhido para os cálculos de projeto da coluna por ser o
maior valor encontrado. O prato de alimentação foi determinado através das
simulações, sendo definido o quarto prato. Este valor foi obtido analisando-se a
quantidade de calor necessária ao refervedor de acordo com o local de
alimentação.
O número de estágios reais é calculado através da equação 1 para
eficiência global da coluna de 51%. Este valor de eficiência é recomendado por
Gomide (1988) para um sistema de hidrocarbonetos. Obteve-se um valor de 13
estágios reais.
Na =
Onde:
N
ηo
(1)
Na = número de estágios reais;
N = número mínimo de estágios teóricos;
ηo = eficiência global da coluna;
Para validar os resultados obtidos, a eficiência da destilação é avaliada
através de simulações no Hysys®. A Figura 8 representa o resultado de uma das
simulações efetuadas, para a separação de isômeros de butanol, mostrando a
composição da mistura em cada estágio da coluna (estágio 1 – topo, estágio 15 –
base). A partir desse dado foram realizados os cálculos para a determinação das
dimensões das colunas (altura, diâmetro, configuração dos pratos, etc.) [28].
O cálculo da altura da coluna depende do espaçamento mínimo entre os
pratos. Esse espaçamento é função do coeficiente de inundação da coluna.
Segundo Gomide [28], um espaçamento adequado entre os pratos (para uma
mistura de hidrocarbonetos) é em torno de 0,15 m. Com este dado, a altura da
coluna foi calculada conforme a equação 2.
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H = N a ∆H s + ∆H x
Onde:
(2)
H = altura da coluna (ft);
Na = número de estágios reais;
∆Hs = espaçamento entre os pratos (ft);
∆Hx = altura necessária para adaptação dos extremos da coluna (ft);
Cabe ressaltar que é necessário acrescentar 10 a 20% da altura da coluna
para a adaptação dos extremos da coluna (base e topo). A altura total da coluna e
extremos resultante foi de 2,4 m.
FIGURA 8 - Frações molares ao longo da coluna
Para determinar o diâmetro da coluna, o primeiro passo é estimar a
densidade da fase vapor, segundo a equação 3.
ρv =
Onde:
MP
R(T + 460)
(3)
ρv = densidade da fase vapor (lb.(ft3)-1);
M = peso molecular da mistura (lb.lbmol-1);
31
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R = constante dos gases ideais (psia.ft3.(lbmol.R)-1);
T = temperatura do prato (R);
P = pressão no prato (psia)
A velocidade do vapor (equação 4) e a área de borbulhamento (equação 5)
são determinadas como uma porcentagem da velocidade de inundação, expressa
como fator-F (F-factor). Este fator é dependente do espaçamento entre os pratos e
da densidade da fase vapor. Segundo Douglas [29], o fator F a ser utilizado é igual
a 0,66.
u=
Onde:
F − factor
ρv
(4)
ρv = densidade da fase vapor (lb.(ft3)-1);
u = velocidade da fase vapor (ft.s-1);
F-factor = expressão da taxa de inundação
Sb =
Onde:
MV
3600 ρ v u
(5)
ρv = densidade da fase vapor (lb.(ft3)-1);
u = velocidade da fase vapor (ft.s-1);
Sb = área de borbulhamento (ft2);
M = peso molecular da mistura (lb.lbmol-1);
V = corrente da fase vapor (lbmol.h-1);
O diâmetro interno da coluna pode ser calculado pela equação 6.
Di =
Onde:
4S b
π (1 − f D )
(6)
Di = diâmetro interno da coluna (ft);
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Sb = área de borbulhamento (ft2);
fD = fração da área do prato destinada ao vertedouro;
A razão de refluxo adotada foi 1,1, de acordo com Douglas [29], que
recomenda uma razão de refluxo ótima entre 1,1 e 1,4. A eficiência de separação
dos pratos depende do caminho que o vapor deve atravessar pelo meio líquido e
do tamanho das bolhas de vapor [30]. É recomendada uma altura do vertedouro
de 0,05 m, e comprimento de 0,15 m. O diâmetro dos furos sugerido é de 0,006 m,
com passo triangular.
Com os resultados obtidos foram realizadas simulações em regime
transiente, utilizando o modelo fenomenológico implementado em linguagem
Fortran® [31], com o intuito de avaliar o comportamento dinâmico da coluna com a
configuração obtida. A Tabela 1 apresenta os demais dados utilizados nas
simulações.
TABELA 1 - Dados das simulações
Variável
Número de pratos
Prato de alimentação
Razão de refluxo
Vazão de alimentação
Holdup (base e topo)
Temperatura de alimentação
Composição molar da alimentação
Fração molar do componente mais volátil no topo
Fração molar do componente mais pesado na base
Pressão do topo
Calor do refervedor
Eficiência de Murphree
Valor
13
4
1,1
0,2 m3/h
0,014 m3
107 ºC
0,35 n-butanol
0,35 t-butanol
0,3 s-butanol
0,6
0,6
179 kPa
14 kW
0,5
A Figura 9 apresenta o perfil dinâmico da temperatura no condensador,
para três variáveis perturbadas: vazão de alimentação (FL), calor no refervedor
(QB) e razão de refluxo (R). As perturbações foram realizadas primeiramente
acrescendo-se 50% do valor da variável perturbada no estado estacionário, e
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depois decrescendo-se 50%. Os resultados demonstram que o modelo é sensível
às perturbações aplicadas, apresentando um comportamento típico de sistemas
de primeira ordem, em concordância com o esperado e discutido na literatura.
Fl
Qb
R
225
0
Temperatura do Destilado ( F )
220
215
210
205
200
195
190
0
2
4
6
8
10
Tempo (h)
FIGURA 9 - Resultado das simulações com modelo dinâmico
Cabe ressaltar que, mesmo existindo simuladores comerciais muito
poderosos, uma configuração que se ajusta ao processo pode não ser uma
configuração otimizada, porque o resultado partiu de uma estimativa, e não de um
dimensionamento otimizado [32]. Dessa maneira, é prudente restringir o uso das
simulações no dimensionamento de uma coluna ao ajuste de alguns parâmetros,
como realizado neste trabalho.
O dimensionamento das resistências elétricas (cálculo da potência máxima
de aquecimento) foi realizado com o auxílio das simulações em regime
estacionário e transiente, a partir da análise dinâmica da coluna com aquecimento
distribuído feita por Marangoni et al.[33], onde foi avaliada a sensibilidade do perfil
de temperatura da coluna em relação às perturbações aplicadas ao calor fornecido
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nos pratos. Neste estudo verificou-se que, quando se aplica uma perturbação no
calor fornecido à coluna através do refervedor em conjunto com o calor fornecido
ao(s) prato(s), o perfil de temperatura da coluna alcança um estado estacionário
diferente da situação em que a mesma quantidade de calor fornecida é
concentrada no refervedor.
Através do balanço de energia, calculou-se a quantidade de calor
necessária aos pratos para que se alcance o mesmo estado estacionário em
ambos os casos, e a partir desse valor foi calculada a potência máxima das
resistências elétricas, encontrando-se o valor de 3,5 kW. Mais detalhes sobre esta
metodologia podem ser encontrados em [6], uma vez que esta etapa foi realizada
em conjunto com os demais membros do PRH Nº 34.
3.2: Construção da unidade piloto
Com o dimensionamento concluído, foram realizados os desenhos para a
construção da coluna de destilação. No Anexo 1 são apresentados os desenhos
desenvolvidos para a construção da coluna. Os desenhos foram elaborados
utilizando o software CorelDraw® versão 10.0. Uma ilustração da unidade piloto é
apresentada na Figura 10, representando a coluna de destilação em conjunto com
os demais equipamentos que compõem a unidade. O sistema opera em regime
contínuo, em ciclo fechado, onde os produtos da base e do topo são retornados ao
tanque de alimentação. Duas bombas centrífugas são utilizadas: uma para a
alimentação da coluna, e a outra para o retorno do produto de fundo. O produto de
topo é transferido por gravidade.
Foi necessário incluir no projeto as obras de infra-estrutura para a unidade
piloto, a estrutura de sustentação da coluna, instrumentos de controle (válvulas,
sensores, variadores de potência, resistências elétricas, etc.), sistema de
aquisição e tratamento de dados (placa de aquisição, cabos, conversores, etc.),
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acessórios para transporte de fluidos (bombas, tubulações, conexões, tanques,
etc.) e unidades de transferência de calor (condensador e refervedor).
Condensador
Acumulador
Coluna
Trocador
de Calor
Tanque
de Mistura
Bomba
Bomba
FIGURA 10 – Representação esquemática da unidade experimental de destilação
O material utilizado para a construção da coluna foi aço inox 304. A escolha
do material foi realizada com base na necessidade de aplicar uma ampla faixa de
condições de operação, como pressão, por exemplo, além da exigência quanto à
resistência à corrosão. A coluna possui 13 estágios de equilíbrio, construída em
módulos com 0,15 m de altura e 0,20 m de diâmetro, sendo que a sua estrutura
modular lhe confere flexibilidade em relação ao número de estágios de equilíbrio.
Os pratos são perfurados (diâmetro de 0,006 m, com passo triangular). Uma
ilustração do encaixe entre módulo e prato pode ser visualizada na Figura 11.
Cada módulo possui conexões para a inclusão dos sensores de
temperatura, das resistências elétricas e para a coleta de amostras. O módulo da
base e o tanque acumulador de condensada têm conexões para a instalação de
sensores diferenciais de pressão, que serão utilizados para a medição do nível de
líquido acumulado nesses estágios.
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FIGURA 11 - Forma de encaixe entre o módulo e o prato da coluna de destilação.
O condensador é utilizado para retirar calor da corrente de vapor produzida
no topo da coluna. Como resultado, tem-se uma corrente líquida que será dividida
em duas frações: uma será retornada ao último estágio da coluna (refluxo), e outra
será direcionada ao tanque de alimentação. É composto de um tanque construído
em aço carbono, contendo uma serpentina em seu interior, por onde passa o
fluido a ser condensado; a serpentina permanece imersa em água que é utilizada
como fluido refrigerante (Figura 12).
FIGURA 12 – Condensador
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O tanque acumulador é acoplado logo na saída do condensador e recebe a
fase líquida com o objetivo de garantir a razão de refluxo necessária ao processo.
Este foi construído no mesmo material da coluna e possui as dimensões de
0,20 m de diâmetro e 0,15 m de altura (Figura 13). O nível de líquido acumulado
neste equipamento (bem como no estágio da base da coluna) é monitorado
através de um sensor diferencial de pressão.
FIGURA 13 – Acumulador
O trocador de calor a placas da marca Alfa Laval é utilizado como
refervedor, para vaporizar a mistura acumulada na base da coluna (Figura 14).
Este equipamento opera na faixa de operação de temperatura entre 150ºC e
160º C. Será utilizado vapor saturado para alimentar o trocador de calor, fornecido
por uma caldeira já disponível no EQA (Figura 15), a uma pressão de
aproximadamente 5 Kgf.(cm2)-1 na linha.
As bombas centrífugas utilizadas são responsáveis por alimentar a coluna e
o trocador de calor (Figura 16). Operam com vazão máxima de 500 L.h-1, com
potência de 0,75 HP. Sensores de temperatura do tipo termorresistores Pt-100 são
utilizados para monitorar a temperatura em todos os estágios de equilíbrio bem
como no tanque de mistura e acumulador. Sensores de pressão manométrica na
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base e no topo juntamente com a temperatura permitem inferenciar a composição
nestes pontos.
FIGURA 14 – Trocador de calor a placas
FIGURA 15 – Caldeira para geração de vapor
As utilidades definidas para o processo, disponíveis para operar o
equipamento são: (1) vapor – para o aquecimento da base da coluna; (2) água –
para o resfriamento no topo da coluna, (3) energia elétrica – para o acionamento
das resistências elétricas e para o sistema de controle e (4) ar comprimido – para
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o acionamento de alguns elementos de controle. No Anexo 2 são apresentadas
algumas fotos da unidade piloto de destilação, que está localizada no
Departamento
de
Engenharia
Química
e
Engenharia
de
Alimentos
da
Universidade Federal de Santa Catarina, anexo ao Laboratório de Controle de
Processos.
FIGURA 16 – Bomba centrífuga
3.3: Instrumentação
Para implementar o controle de um processo, é necessária a instalação de
instrumentos capazes de medir direta ou indiretamente as variáveis a serem
controladas, e executar as ações corretivas que mantenham essas variáveis sob
controle. Para tanto, é necessário que os instrumentos sejam especificados de
acordo com as características do processo, obedecendo às restrições inerentes, e
que atendam as necessidades do sistema de controle. No caso da coluna de
destilação, a instrumentação projetada foi dividida entre os seguintes elementos:
a) Aquisição
de
dados
–
Microcomputador,
controlador
lógico
programável e módulo Universal Bridge Fieldbus;
b) Sensores de temperatura e pressão (diferencial e manométrica);
c) Transmissores de sinais;
d) Elementos finais de controle;
e) Equipamentos para transferência de fluidos.
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A instrumentação é baseada no protocolo de comunicação Foundation
Fieldbus. Essa tecnologia permite que o controle da coluna seja extremamente
flexível em relação às malhas de controle utilizadas, pois os emparelhamentos de
variáveis
controladas-manipuladas
podem
ser
rapidamente
alterados.
Os
algoritmos de controle serão executados em um microcomputador, onde será
implementado um sistema supervisório. A Figura 17 representa de maneira
simplificada a instrumentação proposta, com as malhas de controle que serão
inicialmente implementadas. A seguir serão descritos os instrumentos utilizados na
planta piloto.
3.3.1: Descrição dos sensores
Estes elementos são necessários para converter a magnitude da variável do
processo (pressão, temperatura, nível, etc) em um sinal que possa ser enviado
diretamente ao controlador.
Sensores de Temperatura
Em termorresistores (Pt-100) a medida da temperatura baseia-se na
variação da resistência elétrica de dois metais. O metal mais utilizado é um cabo
de platina, com resistência de 100 Ω (por isso Pt-100). Este sensor possui uma
precisão em torno de ± 0,25 % sendo bastante sensível a pequenas variações de
temperatura. O tempo de resposta é bastante rápido e não possui restrição de
distância máxima para retransmissão de sinal. A Figura 18 apresenta o sensor
utilizado.
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FIGURA 17 – Instrumentação da unidade piloto de destilação
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FIGURA 18 – Sensor de temperatura
Sensores de Pressão
O nível de líquido na base e no acumulador pode ser obtido através de
medidas de pressão nestes pontos. A pressão diferencial pode ser medida pela
inserção de duas medidas em lados opostos de um diafragma. Esta diferença
entre o vapor acima do líquido e ao fundo de uma coluna do mesmo líquido pode
ser utilizada para o cálculo do nível do ponto desejado. A precisão de atuação do
diafragma que detecta as mudanças de pressão pode chegar a 1% da escala total
para este tipo de sensor. O sensor diferencial de pressão é apresentado na Figura
19.
FIGURA 19 – Sensor diferencial de pressão
Medidores de vazão tipo Placa-Orifício
Esses medidores determinam a vazão de fluido que passa por um orifício
disposto no centro de uma placa inserida em uma tubulação. A vazão é
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proporcional à raiz quadrada do diferencial de pressão estática, antes e após a
placa.
3.3.2: Descrição dos elementos finais de controle
O controle das variáveis do processo poderá ser realizado basicamente de duas
formas: através de potência dissipada em uma resistência elétrica instalada no
interior do equipamento, ou através da variação de vazão de líquido refrigerante
ou de aquecimento no interior de sua camisa ou serpentina.
Válvulas de controle
Válvulas de controle são utilizadas para manipular o escoamento de
material ou energia em um processo. Em geral, utilizam algum tipo de dispositivo
mecânico para mover o cabeçote da válvula em seu eixo, abrindo ou fechando a
válvula. O dispositivo mecânico pode ser um diafragma operado pneumaticamente
que movimenta uma haste contra a força oposta do sinal enviado. Este tipo de
válvula é denominado ar-abre, falha-fecha. A Figura 20 apresenta uma válvula de
controle pneumática.
FIGURA 20 – Válvula de controle pneumática.
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As válvulas de controle pneumáticas são em geral equipadas com um
posicionador: um instrumento mecânico que compara a posição atual com a
posição desejada e ajusta a pressão de ar necessária a válvula. Posicionadores
são utilizados para aumentar a força mecânica relativamente pequena e podem
ser exercidas com sinal de pressão de 3-15 psig operando diretamente no
diafragma da válvula.
Válvulas solenóide
Essas válvulas têm como característica o fato de permitirem apenas a
passagem plena do fluido. Em outras palavras, pode adquirir apenas dois estados:
aberta ou fechada. São acionadas através de um sinal elétrico, de maneira que é
possível manipulá-las a partir do microcomputador. Uma válvula solenóide pode
ser vista na Figura 21.
FIGURA 21 – Válvula solenóide
Variadores de potência
O controlador de potência é um instrumento destinado ao controle de
potência para processos em geral, especialmente envolvendo cargas resistivas ou
indutivas. Este recebe o sinal enviado de um controlador (temperatura, por
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exemplo) e em função do sinal, modula o tempo de condução do tiristor. Desta
forma, a carga recebe energia, cujo tempo de duração é proporcional ao nível de
sinal de entrada.
3.4: Controle distribuído
O sistema de controle distribuído proposto consiste numa adaptação dos
sistemas convencionais de controle de colunas de destilação, incluindo pontos de
aquecimento distribuídos ao longo da coluna. Com essa configuração, pretende-se
descentralizar as ações de controle, que em sistemas convencionais são
concentradas no topo e na base da coluna, obtendo uma estratégia que seja mais
eficiente no controle do perfil de temperatura ao longo da coluna. Para a
implementação do controle nesta unidade pretende-se aplicar as malhas de
controle descritas na Tabela 2.
TABELA 2 – Malhas de controle da coluna de destilação
Variável controlada
Variável manipulada
Nível da base
Vazão de realimentação do refervedor
Nível do acumulador
Razão de refluxo
Temperatura da alimentação
Vazão de vapor no pré-aquecedor
Temperatura do acumulador
Vazão de água de condensação
Temperatura da base
Vazão de vapor no refervedor
Temperatura
intermediário
de
um
estágio Potência fornecida à resistência elétrica
do mesmo estágio.
As seguintes variáveis também devem ser monitoradas:
a) vazão da corrente de produto de topo;
b) vazão da corrente de produto de fundo;
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c) temperatura dos estágios intermediários da coluna;
d) pressão na base;
e) pressão no topo.
A instrumentação da coluna foi projetada de forma flexível para que permita
a aplicação de diversas técnicas de controle, conforme descrito anteriormente. A
inclusão das resistências elétricas junto aos pratos permite a realização de
experimentos com aquecimento distribuído. Através dos sensores de pressão e
temperatura, é possível implementar o controle da composição das correntes de
topo e de base. Dessa maneira, a coluna de destilação atende todos os requisitos
para que sejam testadas experimentalmente as estratégias de controle que serão
desenvolvidas.
Portanto, o projeto da unidade piloto, bem como a sua instrumentação,
possibilita que sejam testadas inúmeras técnicas de controle para esse processo,
como aquelas descritas na literatura ou outras que venham a ser desenvolvidas.
Não se tem relato sobre precedentes a esta unidade, utilizando uma
instrumentação com tecnologia Fieldbus. Assim, a coluna será extremamente útil
para o desenvolvimento dos estudos relacionados a colunas de destilação,
desenvolvidos pelo PRH Nº 34.
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Capítulo 4: Instrumentação da Planta de Polimerização
Industrial
O planta industrial de polimerização da empresa Termotécnica LTDA é
destinada à produção de poliestireno expansível, através da polimerização de
estireno em mecanismo de suspensão, utilizando pentano como agente de
expansão. É composta de dois reatores de polimerização operando em regime de
batelada.
Além dos reatores, a planta conta ainda com um tanque de pré-emulsão,
onde os catalisadores da reação são misturados ao estireno, e um tanque pulmão
para descarga dos reatores. Para compor a suspensão, os reatores são
carregados com água além da fase orgânica preparada no tanque de préemulsão. A água e o estireno são dosados através de um medidor de vazão
mássico de efeito Coriolis quando são carregados aos reatores.
Os reatores são do tipo tanque agitado encamisado, sendo o fluido de
aquecimento/resfriamento utilizado é a água. Para o aquecimento, a água da
camisa é aquecida com vapor d’água saturado através de um trocador de calor a
placas, enquanto no resfriamento a água é resfriada em torres de refrigeração.
A instrumentação da unidade de produção de poliestireno expansível deve
atender, além do controle da reação de polimerização, a automatização das ações
necessárias ao processo, como:
a) Carga e descarga dos reatores;
b) Aditivação do polímero;
c) Transferência da carga, reagentes e aditivos;
d) Monitoramento do processo;
e) Acionamento de alarmes e dispositivos de segurança;
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Essas operações são efetuadas principalmente pela abertura/fechamento
de válvulas de passagem plena (tipo On/Off) e pelo acionamento de bombas
centrífugas. Esses instrumentos são acionados a partir de sinais elétricos oriundos
de uma unidade central de controle, e com o auxílio de relês e contatores
elétricos.
Como variáveis de controle, são relacionadas:
a) Temperatura e pressão nos reatores;
b) Temperatura e pressão nas camisas dos reatores;
c) Taxa de agitação dos reatores;
d) Temperatura na descarga dos reatores.
No aquecimento, a vazão de vapor é manipulada, enquanto no resfriamento
a vazão de água fria que passa pela camisa é manipulada. Atualmente, esses
procedimentos são realizados através de abertura ou fechamento manual de
válvulas. Com o controle das variáveis citadas acima, controla-se indiretamente as
propriedades que determinam a qualidade do polímero, que são:
a) Peso molecular médio do polímero;
b) Distribuição de tamanho de partículas;
c) Teor de pentano incorporado ao polímero;
d) Teor de monômero residual.
Para atender essas operações foi proposta a instrumentação conforme é
apresentado na Figura 22. Essa configuração permite a automatização completa
da planta de polimerização, além da implementação de um sistema supervisório e
o controle da temperatura, pressão e agitação dos reatores.
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Água
Estireno
Medidor
Mássico
Aditivos
Legenda
Válvula de controle
Válvula On/Off
Válvula de retenção
Bomba centrífuga
Tanque de
Pré-emulsão
Trocador de calor
TT
Transmissor de temperatura
PT
Transmissor de pressão
Aditivos
Pentano
TT
PT
Torre de
refrigeração
TT
Reator
PT
Condensado
Vapor
Tanque de
descarga
FIGURA 22 - Instrumentação da planta de polimerização
Atualmente, já se encontra em operação na planta um sistema de
monitoramento da temperatura na camisa, temperatura e pressão dos reatores,
que foi desenvolvido pelo LCP. Esse sistema está conectado a uma unidade de
aquisição de dados composta de um microcomputador com placa de interface
analógico/digital, sensores e transmissores de temperatura e pressão. Dessa
maneira o sistema de controle está operando em malha aberta, uma vez que não
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há ação de controle direta sobre o processo. A partir da instrumentação, o
processo pode ser operado em malha fechada, através da ação automática sobre
as variáveis manipuladas do processo (abertura das válvulas de aquecimento e
resfriamento dos reatores). Para tal, um controlador utilizando lógica Fuzzy foi
desenvolvido pelo LCP com o intuito de ser aplicado a este processo. Esse
controlador já foi testado em escala piloto, no LCP e na Termotécnica,
apresentando um ótimo desempenho para o controle desses reatores.
Com a instrumentação da planta de polimerização, será possível operá-la
de maneira automatizada, processando as reações de polimerização de maneira a
controlar as propriedades que definem a qualidade do polímero, já citadas
anteriormente.
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Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas
Experimentos em escala piloto são importantes para um desenvolvimento
científico e tecnológico, especialmente nos estudos sobre controle de processos,
que dependem do comportamento dinâmico das plantas. Nesse caso, a etapa de
projeto é fundamental para que não haja comprometimento dos resultados
experimentais, e para que a unidade piloto tenha um comportamento
representativo em relação aos processos industriais.
O controle e automação de processos é um investimento que traz grandes
benefícios para uma indústria, como melhora na qualidade dos produtos e
aumento na eficiência e produtividade dos processos. No entanto, sua
implementação requer o conhecimento dos processos que são operados, do qual
definem-se as variáveis a serem manipuladas e controladas. Além disso, é
necessário conhecer os instrumentos que são utilizados, suas potencialidades e
restrições em relação às condições de operação.
Dentre os processos estudados, a coluna de destilação e os reatores de
polimerização apresentam certas semelhanças, principalmente quanto às
variáveis controladas e manipuladas. No entanto, o primeiro trata-se de um
processo contínuo e em escala piloto, enquanto o segundo é um processo
descontínuo e em escala industrial.
Em colunas de destilação, o controle com aquecimento distribuído se
apresenta como uma técnica promissora para minimizar as dificuldades para
controlar esse processo, causados pelo seu comportamento dinâmico particular,
que tem dinâmica lenta e comportamento altamente não-linear. Nos reatores de
polimerização, A automatização da sua operação trará benefícios para a qualidade
dos polímeros produzidos, além de permitir que o processo seja conduzido de
maneira mais segura e eficiente.
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Dessa maneira, o presente trabalho permitiu o contato com diferentes
situações quanto às configurações dos processos, fornecendo assim um
aprendizado bastante amplo a respeito do tema estudado.
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Anexos
Anexo 1: Desenhos utilizados para a construção da coluna de destilação.
Figura A1.1 – Desenho do módulo de alimentação da coluna
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Figura A1.2 – Desenho do módulo da base da coluna
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Figura A1.3 – Desenho do módulo padrão da coluna
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Figura A1.4 – Desenho do módulo do topo da coluna
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Figura A1.5 – Desenho do prato perfurado
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Anexo 2: Fotos da unidade piloto de destilação
FIGURA A2.1: Vista geral da unidade piloto de destilação
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FIGURA A2.2: Detalhe da coluna de destilação
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FIGURA A2.3 – Seção inferior da coluna de destilação
FIGURA A2.4 – Seção superior da coluna de destilação
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Figura A2.5 – Vista externa dos módulos da coluna.
Figura A2.6 – Vista do interior da coluna: detalhe do prato perfurado.
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