Controle de Processos Quimicos

Controle de Processos Quimicos

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O controle de processos químicosO controle de processos químicosO controle de processos químicosO controle de processos químicos

Por definição, o processo químico é toda unidade de processamento (ou a combinação de várias unidades de processamento) usada para converter matéria-prima em produto acabado através de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou térmicas (Figura 1).

Figura 1 – Representação de um processo químico

Os processos químicos são por natureza "dinâmicos”, ou seja, estão variando continuamente no tempo, seja por interferências externas seja por mudanças (voluntária e involuntárias) na operação. Desta forma, para alcançar os objetivos básicos da operação de um processo químico faz-se necessário “monitorar” e ser hábil para “induzir mudanças” em certas variáveis chaves do processo que estão relacionadas à segurança, taxas de produção e qualidade dos produtos.

As duas tarefas - “monitorar certas variáveis do processo” e “induzir mudanças em variáveis adequadas do processo” - são as funções primordiais do Sistema de Controle.

O controle de processos se destina basicamente a: manter os processos em seus pontos operacionais mais eficientes e econômicos prevenir condições instáveis no processo que podem pôr em risco pessoas e equipamentos exibir dados sobre o processo aos operadores da planta, para que se possa conservar o ritmo seguro e eficiente

Para que estes objetivos possam ser alcançados envolvem-se:

manter os valores das variáveis do processo dentro de uma faixa aceitável para sua operação conveniente buscar, dentro de cada faixa, o valor ótimo para cada variável → valor desejado ou ponto de ajuste ou set point

CONTROLEDE PROCESO

atuação sobre o processo, ou sobre as condições nas quais ele está sujeito, de modo a se atingir algum objetivo gerente da planta visa baixos custos, lucratividade e a imagem da companhia engenharia de projetos procura conceber um projeto que resulte na produção eficiente, com baixo custo e o mínimo de alterações durante a sua implantação engenharia de processos aumentar a produtividade dos equipamentos de processo, prevenindo condições instáveis que possam pôr em risco pessoas e equipamentos operador da planta operação estável (conservação do ritmo seguro e eficiente) manutenção instrumentação e controle confiável e de fácil manutenção

Exemplo 1: Num reator, deseja-se manter a temperatura num determinado valor, mesmo que os efeitos externos tentem desviá-lo desta condição para atender os requisitos de qualidade e segurança de processo.

O que faz o sistema de controle? - fornece medidas das variáveis para as quais existem medidores

- executa programas que produzem, a partir de determinados sinais recebidos, um sinal emitido - manda abrir e fechar válvulas

Contudo, uma perturbação no processo, seja ela voluntária ou involuntária, pode desviálo de sua condição e, muitas vezes, há uma demora na resposta do sistema (sinal emitido). Estas distorções na resposta são devido aos denominados atrasos (lags), que podem ser de 3 tipos:

• atrasos relativos ao próprio processo- os processos, normalmente, não

conseguem absorver ou devolver energia de modo instantâneo, o que provoca um atraso na resposta do sistema a uma dada alteração na entrada. Um exemplo clássico pode ser ilustrado por um processo de aquecimento no qual uma variação na vazão de vapor determina uma alteração na temperatura do fluido que está sendo aquecido. Tanto a condução do calor pelas paredes do tubo da serpentina de vapor como a própria dinâmica de troca térmica pelo volume do líquido no vaso determinam uma resposta com o perfil mostrado na Figura 2

Figura 2 – resposta da temperatura a uma variação em degrau na vazão de vapor

• atrasos na medição das variáveis do processo - no caso da temperatura, este atraso é influenciado pela capacidade térmica do elemento de detecção e da velocidade de transmissão do calor entre o elemento e a superfície de fluido que o circula. Para visualizar, a Figura 3 mostra a comparação das respostas de um termopar colocado diretamente na corrente de processo (termopar nu) e o mesmo inserido em um poço termométrico de aço inox. Nota-se que o poço de proteção funciona como uma resistência à trandferência de calor, retardando a resposta do conjunto de detecção.

Figura 3 – Resposta de um termopar com e sem poço de proteção

• atrasos na transmissão dos valores das variáveis medidas - estes atrasos são próprios de sistemas pneumáticos, uma vez que sistemas eletrônicos praticamente não introduzem atrasos no sistema de controle

O controlador do processo deverá se encarregar de compensar estes problemas, garantindo uma boa sintonia do sistema de controle com o processo em si.

Os processos industriais são variados, ou seja, englobam diversos tipos de produtos e exigem controle preciso dos produtos gerados. Usualmente, os maiores usuários de instrumentação são as indústrias que atuam nas áreas de petróleo, química, petroquímica, alimentos, cerâmica, siderúrgica, celulose e papel, têxtil e geração de energia elétrica. Para atuar no processo, deve-se ter noção clara dos objetivos, ou seja, saber o que se deseja obter, pois cada processo tem seu objetivo específico.

Em todos esses processos, é indispensável se controlar e manter constantes as principais variáveis, tais como pressão, nível, vazão, temperatura, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Estas variáveis de um processo, no que diz respeito ao sistema de controle, podem ser classificadas segundo o fluxo de informação, como:

i) Variáveis de entrada – são as variáveis que estimulam o sistema e podem induzir mudanças nas condições internas do processo. As variáveis de entrada podem ser ainda classificadas como:

Variáveis manipuladas – são aquelas que estão dispostas para serem manipuladas livremente.

Variáveis distúrbios – são aquelas que interferem as condições do sistema, mas não estão dispostas para serem manipuladas.

i) Variáveis de saída – são as variáveis pelas quais são obtidas informações sobre o estado interno do processo.

i) Variáveis de estado – podem ser definidas como o conjunto mínimo de variáveis essenciais para descrever completamente a condição interna de um processo. Uma variável de saída pode ser a medida (informação) de uma única variável de estado (como por exemplo, temperatura ou pressão) ou a medida de uma combinação de variáveis de estado (como por exemplo, viscosidade).

No âmbito da disponibilidade de informação, as variáveis de entrada e de saída podem ser ainda classificadas como: variáveis medidas e não medidas. É importante salientar que, para efeito de sistema de controle, as variáveis que não são mensuradas com uma freqüência adequada são consideradas variáveis não medidas. Um exemplo típico desta situação é quando a medida do processo é obtida por amostragem com posterior análise em laboratório (off-line). A depender do tempo de análise, a informação desejada para efeito de controle só é obtida algum tempo depois do fato e, portanto, qualquer operação para correção do processo seria uma ação atrasada.

Em linhas gerais, a entrada e a saída de um processo é a representação do fluxo de informação que o mesmo recebe e gera, respectivamente. Um exemplo bastante simples e que permitirá um entendimento do que é um processo e a que se destina o controle do processo é o caso do chuveiro que possui duas válvulas: uma de água fria e outra de água quente. Com este equipamento (conjunto formado pelo chuveiro e pelas válvulas), é possível tomar banho com a água na temperatura e quantidade desejadas. Para tanto, basta que seja encontrada a posição correta de cada válvula (água quente e fria). Desta forma, é possível descrever tal chuveiro como um processo cujas variáveis de saída são a temperatura e a quantidade de água do banho e as variáveis de entrada (manipuladas) são as vazões de água quente e fria obtidas pela abertura e fechamento de cada válvula, conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 – Exemplo de um processo.

Admitindo-se agora que o chuveiro faça parte de uma complexa instalação hidráulica de um hotel onde a demanda de água quente oriunda da caldeira varia em diferentes horários. Como conseqüência da demanda, a água quente que chega ao chuveiro pode sofrer uma variação na temperatura e, portanto, não é possível estipular uma combinação única de vazões nas válvulas de água quente e água fria que permita alcançar a mesma temperatura do banho em diferentes dias e horários. Além disso, a temperatura da água fria está sujeita a variações externas significativas, conforme a maior incidência ou não de raios do sol em diferentes horas do dia e estações do ano. Desta forma, uma representação mais ampla para o processo pode ser vista na Figura 5.

Figura 5 – Exemplo de um processo – representação mais completa

Conforme já mencionado, do ponto de vista do controle, as entradas do processo são classificadas em dois tipos: variáveis manipuladas e distúrbios. As variáveis manipuladas no exemplo em questão são as vazões de água quente e fria, já que se tem liberdade de modificá-las para “controlar” o processo ou, em outras palavras, levar as saídas do processo (temperatura do banho e vazão do banho) a um valor desejado. Os distúrbios, no exemplo em questão, são as temperaturas das águas quente e fria, pois estas variáveis não são susceptíveis de atuação e não podem ser modificadas pelo controlador do processo. Como foi visto, os distúrbios variam devido a efeitos externos ao processo e o que resta ao controlador é compensar os efeitos destes distúrbios na saída do processo pela atuação nas variáveis manipuladas.

Desta forma, no exemplo abordado, é possível abrir ou fechar as válvulas de água quente e fria para levar a temperatura e a quantidade de água do banho ao valor desejado, mas não é possível modificar as temperaturas das águas quente e fria para este fim. Ao contrário, se por um fator externo qualquer a temperatura de uma das correntes for alterada, só restará ao controlador modificar as vazões para compensar a alteração (compensar o distúrbio).

A definição do problema de controle para este exemplo pode ser formulada da seguinte maneira: informa-se ao controlador a temperatura e a quantidade de água desejada para o banho (set points) e este terá que tomar as ações de controle (atuando nas vazões de água quente e fria através das válvulas) para levar as saídas do processo (temperatura e quantidade de água do banho) até os valores desejados, mesmo que ocorram distúrbios.

O controle de processo usado aqui como exemplo inicial pode parecer trivial, mas trata-se de apenas um exemplo cotidiano para fazer desenvolver o entendimento. Na prática, o controle dos processos industriais costuma ser bem mais complexo, podendo apresentar instabilidades, respostas inversas, distúrbios em grande freqüência, muitas variáveis de entrada e saída, além de tantos outros fatores complicadores. A tentativa de controlar manualmente um processo mais complexo é praticamente impossível e economicamente inaceitável.

O sistema de controle de processos é a entidade que tem a responsabilidade de monitorar as variáveis de saída, fazer decisões sobre como melhor manipular as variáveis de entrada (do tipo manipuladas) para obter o comportamento de saída desejado e efetivamente implementar tais decisões no processo. Uma representação esquemática é disposta na Figura 6.

Figura 6 – Representação esquemática simplificada de um sistema de controle de processo

Quando tais tarefas são realizadas por um operador, tem-se um sistema de controle manual. No entanto, quando tais tarefas são realizadas por uma máquina, tem-se um sistema de controle automático.

No caso do sistema de controle automático, o mesmo é constituído pelos seguintes elementos:

• Sensores: são os dispositivos usados para adquirir informações das variáveis do processo, principalmente das variáveis de saída. Na maioria das aplicações de controle de processos os sensores são para medir pressão (transdutores de pressão), temperatura (termopares e termoresistências), nível (sensores de nível por pressão diferencial), vazão (fluxímetro, rotâmetros), composição (cromatografia, espectrofotometria, densimetria) etc.

• Controladores: são os dispositivos responsáveis pela tomada de decisão de quanto mudar as variáveis manipuladas. São geralmente equipamentos eletrônicos com rotinas de decisão implementadas. Podem ser computadores ou equipamentos similares com capacidade de processamento.

• Transmissores: são dispositivos que transmitem os sinais dos sensores e dos controladores. Podem ser eletrônicos (quando transmitem sinais padrões de 4 a 20 mA ou 1 a 5

Vcc) ou pneumáticos (quando o sinal transmitido é um fluxo de ar com pressão padrão de 3 a 15 psi).

• Elementos finais de controle: são os dispositivos com a tarefa de implementar no processo o comando de mudança enviado pelo controlador. Podem ser válvulas de controle, relés, bombas, ventiladores, resistências elétricas, alarmes, etc.

Tipos de sistemas de controle

- sistema em malha aberta aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma ação de controle no sistema, ou seja, o sinal de saída não é medido nem realimentado para comparação com a entrada. Um exemplo comum para este tipo de configuração de controle são os semáforos de trânsito. O tempo de abertura e fechamento dos semáforos não é uma resposta de controle baseada na medida de fluxo de carros, mas sim uma resposta baseada num tempo predefinido de abertura e fechamento. Outro exemplo é a máquina de lavar roupas – as operações de colocar de molho, lavar e enxaguar em uma lavadora são executadas em uma função do tempo. A lavadora não mede o sinal de saída, ou seja, não verifica se as roupas estão bem lavadas.

- sistema em malha fechada (realimentação) a função fundamental é manipular a relação entrada/saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo seja mantida dentro dos limites estabelecidos. O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador (manual) ou mediante a realização de instrumentação (controle automático)

Figura 7 – Sistema de controle de temperatura do fluido

O controle automático economiza energia, pois elimina o superaquecimento de fornos e fornalhas e de secadores. Os instrumentos garantem a conservação da energia e a otimização de sua utilização.

O controle ou regulação automática de processos industriais trata do controle, por meio de dispositivos automáticos, das diversas variáveis físicas e/ou químicas ocorrentes nos processos industriais.

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