APOSTILA PETROBRAS - NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO

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Noções de Instrumentação. 2.15 Noções de Metrologia. Pág. 2 2.16 Tipos de Instrumentos, terminologia, simbologia. Pág. 10 2.17 Transmissão e transmissores pneumáticos e eletrônicos analógicos. Pág. 27 2.18 Noções de Operações Unitárias. Pág. 43 2.19 Noções de Processos de Refino. Pág. 47

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2.15 Noções de Metrologia. 1 - GENERALIDADES 1.1 - Introdução O conceito de medir, traz em si, uma idéia de comparação e como só se pode comparar " coisas" de uma mesma espécie, podemos definir medição como: " medir é comparar uma dada grandeza com outra de mesma espécie, tomada como unidade" . O homem precisa medir para definir seu espaço, sua atuação. Para isso, temos a metrologia como ferramenta de trabalho. A formação desta palavra é METRO = medir; LOGIA = estudo. 1.2 - Histórico Embora "soluções metrológicas" datem de 4800 a. C., período áureo egípcio, do qual a pirâmide de QUEOPS é o maior exemplo, os primeiros padrões de comprimento de que se tem registro são da civilização grega, que definiu o cúbito, 500 a. C.. Esse cúbito - distância do cotovelo até a ponta do indicador - foi subdividido em palmo, dígito e span, medindo cada um: - Cúbito = 523 mm - Span = 229 mm - Palmo = 76 mm - Dígito = 19 mm Com o domínio romano, o cúbito foi substituído pelo pé que era constituído de 12 polegadas, sendo esta igual ao cumprimento da segunda falange do polegar da mão do homem. A jarda que fora definida no século XII, provavelmente devido ao esporte de arco e flecha popular nessa época, como sendo a distância da ponta do nariz do Rei Henrique I até o polegar, só foi oficializada como unidade de comprimento em 1558 pela Rainha Elizabeth e materializada por uma barra de bronze. Nesta mesma época fixou-se o pé como unidade de comprimento, através de decreto real que versava: " Num certo domingo, ao saírem da igreja, dezesseis homens deverão alinhar-se tocando o pé esquerdo um no outro. a distância assim coberta será denominada vara e um dezesseis avos será o pé. A jarda, como é hoje conhecida, foi estabelecida em 1878 como sendo a distância entre os terminais de ouro de uma barra de bronze, medida a 62° F (18° C) . Nesse período, na Europa Continental, especificamente na França, procurou-se uma forma de definir um padrão de comprimento que não dependesse da estatura da família real. Assim, por volta de 1790, definiu-se o metro utilizando como referência o meridiano da terra - metro é 1:40.000.000 do comprimento do meridiano que passa por Dunquerque. Em 1837 foram refeitos os cálculos, obtendo-se, valores ligeiramente diferentes; por isso, a definição do

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metro foi alterada e passou a ser : " o metro é a distância medida à temperatura do gelo fundente, entre dois traços gravados em uma barra de platina irradiada, depositada no Bureau Internacional des Poids et Mesures (BIPM), e considerado o protótipo do metro pela Primeira Conferência Geral de Pesos e Medidas, e 1889, esta barra estando à pressão normal é apoiada sobre roletes nos pontos de deflexão mínima". Em 1960 foi adotados por convenção internacional, o metro como sendo 1.670.763,73 comprimentos da onda da raia alaranjada da lâmpada de vapor de criptônio 86; conseguia-se, assim, reproduzir o metro com uma precisão de 1:10. Em 1984 o metro foi relacionado com a velocidade da luz no vácuo, definindo-o em função do tempo; isto é, um metro equivale a 1 / 299.792.458 s. 1.3 - Finalidade A metrologia é uma das funções básicas necessárias a todo Sistema de Garantia da Qualidade. Efetivar a qualidade depende fundamentalmente da quantificação das características do produto e do processo. Esta quantificação é conseguida através de: · definição das unidades padronizadas, conhecidas por unidade de medida, que permitem a conversão de abstrações como comprimento e massa em grandezas quantificáveis como metro, quilograma, etc; · instrumentos que são calibrados em termos destas unidades de medidas padronizadas; · uso destes instrumentos para quantificar ou medir as "dimensões" do produto ou processo de análise. A este item, inclui-se o OPERADOR, que é, talvez, o mais importante. É ele a parte inteligente na apreciação das medidas. De sua habilidade depende, em grande parte, a precisão conseguida. É necessário ao operador: - conhecer o instrumento; - adaptar-se as circunstâncias - escolher o método mais aconselhável para interpretar os resultados. Nota: Laboratório de Metrologia - Temperatura 20±1°C - Grau Higrométrico controlado (55%) Obs: o cloreto de cálcio industrial retira cerca de 15% da umidade - Ausência de vibrações e oscilações - Espaço suficiente - Boa iluminação

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- Limpeza, etc. 2 - TIPOS DE MEDIDAS E MEDIÇÕES A partir da noção de que fundamentalmente medir é comparar, tem-se que uma medida pode ser obtida por dois métodos distintos: 2.1 - Medição por comparação DIRETA Compara-se o objeto da medida com uma escala conveniente, obtendo-se um resultado em valor absoluto e unidade coerente. Por exemplo: medição da distância entre dois traços utilizando-se uma régua graduada. 2.2 - Medição por comparação INDIRETA Compara-se o objeto da medida com um padrão de mesma natureza ou propriedade, inferindo sobre as características medidas/verificadas. Por exemplo, medições/controle de peças com calibradores passa-não-passa; utilização de relógios comparadores. Na prática, normalmente, simplifica-se os termos acima definidos. Assim, encontramos usualmente "medida direta" e "medição por comparação" ou "medição indireta". 2.3 - Critérios de escolha A passagem de medição direta para indireta pode, em geral, ser associada a dois fatos: - Tempo necessário para executar a medição; - Necessidade de resolução ou precisão incompatíveis com a dimensão a ser medida (com instrumentos de medição direta), por exemplo: 50 mm com 0,1 (um) de precisão 2.4 - Exatidão e precisão A exatidão é proporcional a diferença entre um valor observado e o valor de referência. Normalmente, o valor observado é a média de diversos valores individuais. A precisão é proporcional a diferença entre si dos valores observados para obter-se uma medida. Assim, quanto maior a concordância entre os valores individuais de um conjunto de medidas maior é a precisão. 2.5 - Medidas espaciais -Retilineidade - Ortogonalidade - Posicionamento - Planeza

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2.6 - Tolerância das Medidas 2.6.1 - Definições Para efeito de uniformidade de linguagem, no caso de medições simples, tem-se as seguintes definições: · Dimensão nominal: é a dimensão usada na caracterização da medida. Esta dimensão é, geralmente, conhecida; · Dimensões limites: são as dimensões máxima e mínima que a medida pode ter sem ser rejeitada. · Dimensão Máxima: é o valor máximo que se permite para a medida. · Dimensão Mínima: é a dimensão mínima que se permite para a medida. · Dimensão Efetiva: é qualquer valor obtido para a medida, com um aparelho de resolução suficiente para controlar as medidas máxima e mínima. · Tolerância: é a diferença entre os valores máximo e mínimos admissíveis para a medida; é um valor positivo. · Afastamento Superior: é a diferença entre a dimensão máxima e a dimensão nominal. Pode ter valor positivo ou negativo. A notação "As" é usada para furo e "as" para eixo. · Afastamento Inferior: é a diferença entre a dimensão mínima e a dimensão nominal. Pode ter valor positivo ou negativo. · Linha de Base: na representação gráfica, é a linha que coincide com a dimensão nominal da medida. · Medida Tolerada: é o conjunto de medida nominal acompanhada dos afastamentos superior e inferior. · Campo de Tolerância: é o conjunto dos valores compreendidos entre as dimensões máxima e mínima da medida. 2.6.2 - Tolerância de Forma e Posição No caso e peças mais complexas, não é suficiente apenas garantir que certas características básicas estejam dentro de limites pré estabelecidos. Para garantir o desempenho de uma peça é necessário que ela esteja geometricamente dentro de limites pré estabelecidos. Assim é necessário que , em um plano, um furo seja o mais circular possível e no espaço mais cilíndrico possível. É necessário, pois que se estabeleçam valores limites para a localização e para a posição relativa das superfícies. 3 - INSTRUMENTAÇÃO BÁSICA A regra das "quatro a dez vezes" não é exigido por norma, mas é usual que uma dimensão tolerada, por exemplo, dentro de 0,05mm seja controlada por micrômetro de precisão 0,01mm, resultando em uma relação de 5. Qual a importância dessa regra? Foram desenvolvidos cálculos, baseados em premissas diversas, que

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demonstram que: · a probabilidade de se cometer erro na medida, quando a relação é menor do que 4, é muito grande. · o custo do sistema torna-se exagerado quando a relação é maior do que 10. Um sistema deve considerar essa regra para ser seguida em cada caso e condições complementares nos casos em que uma relação maior ou igual a quatro não seja possível de ser observada. Tais condições poderiam ser: · Uso de vários instrumentos, sendo considerada, como resultado, a média de suas leituras; · Controle das condições ambientais · Uso do operador mais especializado e, se justificável, até único; · Menor intervalo de calibração; · Uso de procedimento de medição mais específico e detalhado. Em resumo, as providências possíveis para eliminação das fontes de erro. 3.1 - Principais Instrumentos de Pressão e Temperatura · Manômetro: instrumento para medir e indicar pressão maior do que a pressão ambiente. · Vacuômetro: instrumento para medir e indicar pressão mentor do que a pressão ambiente. · Manovacuômetro: instrumento pra medir e indicar pressão maior ou menor do que a pressão ambiente. · Termômetro: instrumento para medir e indicar temperatura. Devido a utilização de diferentes unidades e escalas de temperaturas, podemos ter valores positivos ou negativos. Seu funcionamento básico, normalmente é através da "dilatação". 4 - PADRÕES 4.1 - Introdução A preocupação da humanidade com o problema "medição" ficou clara com o histórico apresentado no item 1.2, porém, a existência de um sistema de medidas ou unidades é apenas necessário, e não suficiente. É preciso garantir ainda: a) a utilização de tal sistema; b)a homogeneidade dos processos de medida. O primeiro é conseguido através da existência, no país usuário, de um órgão que estabeleça o sistema compulsoriamente, e isto é feito no Brasil através do CONMETRO. O segundo é feito através da manutenção de padrões de referência e de meios de dissiminação para os usuários, e isto é feito - à semelhança do National Bureau of Standards (NBS) nos EUA - pelo INMETRO.

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4.2 - Rastreabilidade O NBS, criado em 1901, tem como tarefas básicas, oferecer: · Serviços de medição para a ciência e tecnologia; · Ciência e tecnologia para a indústria e para o governo; · Serviços tecnológicos para paridade no comércio; · Serviços tecnológicos para a segurança pública; · Serviços de informação tecnológica. No Brasil, a existência do CONMETRO e INMETRO permite assegurar o que em todos os ramos de nossas atividades é necessário ter: a REFERÊNCIA, através da conceituação da rastreabilidade. A definição será abordada apenas intuitivamente. A palavra rastreabilidade é uma corruptela de rastreamento e significa aquilo que é possível ser seguido até um origem qualquer. A maioria das atividades do homem tem por finalidade transações técnicas e comerciais. Para tanto o cedente e o adquirente querem ter garantia do que (qualidade) e de quanto (quantidade) está sendo transacionado. Para garantir isto, é necessário que ambos estejam baseados nas mesmas referências e que os processos de medição sejam homogêneos, ou inversamente, através de análise dos resultados e da análise do processo de medida, cada um chega a uma referência comum. É o que caracteriza a rastreabilidade. Idealmente, o sistema nacional deveria ter o esquema organizacional abaixo: CONMETRO - Conselho Nacional de Normatização, Metrologia e Qualidade Industrial. SINMETRO - Sistema Nacional de Normatização, Metrologia e Qualidade Industrial. INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia,Normatização e Qualidade Industrial. CEMCI - Centro de Metrologia Científica e Industrial. O equilíbrio de tal sistema organizacional é dinâmico e deve se suportado por atividades interlaboratoriais, para constituir uma rede nacional de metrologia. Os laboratórios constituintes deste esquema, principalmente a nível de laboratórios de transferência, seriam estabelecidos pelo INMETRO, através de credenciamento e constituiriam a Rede Nacional de Calibração. 4.3 - Tipos de Padrões Para exemplificar o funcionamento do esquema, considere-se o seguinte problema: garantir a medida efetuado com um micrômetro, pela seção de inseção de uma firma genérica. 5 - CONFIRMAÇÃO / COMPROVAÇÃO METROLÓGICA

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É o conjunto de operações requeridas para garantir que um item de equipamento de medição encontra-se em um estado de conformidade com as especificações para seu uso pretendido. Geralmente, inclui calibração, qualquer ajuste e/ou reparo necessário e as re-calibrações subsequentes, assim como qualquer selagem e rotulagem necessária. 5.1 - Requisitos ISO-9001/9002 · Seleção de Equipamento; · Calibração e Ajuste; · Procedimentos; · Identificação da Situação; · Registros; · Condições Ambientais Adequadas; · Preservação; · Proteção (selo, lacre, etc). 5.2 - Ajuste É a operação designada para trazer um instrumento de medição para um estado de desempenho, ausente de tendências e adequado ao seu uso. 5.3 - Calibração Conjunto de operações que estabelece, sob condições especificadas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição, ou valores representados por uma medida materializada ou um material de referência, e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões. 5.4 - Manutenção É o ato de manter um instrumento imperfeitas condições de uso, de acordo com normas pré-estabelecidas em função da utilização do mesmo. Podemos classificá-la basicamente em: · Preventiva · Corretiva. " A precisão e a qualidade de seus produtos está ligada ao perfeito desempenho e eficiência de seus instrumentos". Algumas dicas de como conservar seu instrumento. A escolha do instrumento adequado é muito importante para o seu trabalho bem como sua melhor

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utilização, mas sem dúvida os cuidados com os mesmos são essências para sua duração e melhor performance. Paquímetros - Posicione corretamente os bicos principais na medição externa aproximando o máximo possível a peça da escala graduada. Isso evitará erros por folga do cursor e o desgaste prematura das pontas onde a área de contato é menor. - Não utilize o paquímetro em esforços excessivos. Tome providências para que o instrumento não sofra quedas ou seja usado no lugar do martelo. - Evite danos nas pontas de medição. Procure que as orelhas de medição nunca sejam utilizadas como compasso de traçagem. Nem outras pontas. - Limpe cuidadosamente após o uso com um pano macio. - Ao guardá-lo por um grande período, aplique uma camada de óleo anti-ferrugem suavemente em todas as faces do instrumento. - Não o exponha diretamente à luz do sol. - Deixe as faces de medição ligeiramente separadas, de 0,2 a 2 mm. Traçadores de Altura - Guarde o instrumento sempre sem a ponta se for necessário manter o traçador com a ponta montada, deixe-a separada do desempeno de 2 a 20mm. Isso evitará danos e acidentes. - Ao guardar-lo por uma longo período, aplique óleo anti-ferrugem suavemente em todas as faces do instrumento. - Não exponha o instrumento diretamente ao sol. Micrômetros - Nunca faça girar violentamente o micrômetro. Essa prática poderá acarretar o desgaste prematuro como acidentes. - Após seu uso, limpe cuidadosamente, retirando sujeiras e marcas deixadas pelos dedos no manuseio. - Aplique uma camada de óleo anti-ferrugem em todas as faces do instrumento sempre que for guardá-lo por longos períodos. - Deixe as faces de medição ligeiramente separadas de 0,1 a 1 mm. - Não deixe o fuso travado. Relógios Comparadores

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- Após o uso limpe sujeiras e marcas deixadas pelos dedos no manuseio. Use um pano macio e seco. - Proteja o relógio ao guardá-lo por longos períodos. Usando um pano macio embebido em óleo anti-ferrugem. - Não exponha o relógio diretamente à luz do sol. - Guarde-o em ambiente de baixa umidade, com boa ventilação e livre de poeira. - Guarde-o sempre em seu estojo (ou saco plástico) 2.16 Tipos de Instrumentos, terminologia, simbologia. Tipos Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que o mesmo desempenha no processo; em instrumentos de painel, campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme necessidades. Elemento Primário - componente que está em contato com a variável de processo e tem por função, transformá-la em uma grandeza mensurável por um mecanismo. Instrumentos Receptores São instrumentos que recebem sinais de um outro instrumento. Indicador Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digitais que indicam a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.

3.1.2 – Registrador Instrumento que registra a(s) variável(s) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico.


Controlador Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

Conversores e Transmissores São instrumentos que recebem sinais correspondentes a variáveis de processos e fornecem um sinal de saída. No caso dos conversores, recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica caso necessário as informações e fornece um sinal de saída resultante. Os transmissores, determinam o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo. 3.2.1 - Conversor corrente-pressão Instrumento que recebe um sinal em corrente contínua e converte para um sinal pneumático de saída, proporcional ao sinal de entrada.

3.2.2 - Conversor pressão-corrente Instrumento que recebe um sinal pneumático e converte para um sinal em corrente contínua de saída, proporcional ao sinal de entrada. 3.2.3 - Transmissor de pressão Instrumento que mede pressão e a transmite para um outro instrumento receptor instalado à distância através de um sinal padronizado proporcional a pressão medida.


3.2.4 - Transmissor de vazão Instrumento que mede a vazão e a transmite para um outro instrumento receptor instalado à distância através de um sinal padronizado proporcional a vazão medida.

3.2.5 - Transmissor de nível Instrumento que mede nível, através de um elemento primário, e transmite para um outro instrumento a distância através de um sinal padronizado proporcional ao nível medido.

3.2.6 - Transmissor de temperatura Instrumento que mede temperatura, através de um elemento primário, e transmite para um outro instrumento a distância através de um sinal padronizado proporcional à temperatura medida e a transmite para um outro instrumento a distância através de um sinal padronizado proporcional a temperatura medida. Transdutor - termo aplicado ao instrumento que não trabalha com sinal na entrada e saída padrão. Como é possível observar o elemento primário, transmissor entre outros, podem ser considerados um transdutor, porém estes elementos possuem funções específicas com nomes específicos.


3.3 - Elementos Finais de Controle Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

3.4 – Sistemas de alarme e segurança Os sistemas de alarme e segurança, engloba os anunciadores de alarme e elementos sensores instalados para detectar irregularidades nos processos. 3.4.1 – Anunciadores de alarme Os anunciadores de alarme são dispositivos de segurança destinados a identificar anormalidades em um processo e alertar o operador através de sons ou luzes intermitentes. É utilizado para qualquer tipo de variável, bastando que se utilize um elemento sensor apropriado.

3.4.2 – Chaves São instrumentos que detectam a presença do meio controlado em um ponto pré ajustado e mudam o estado de um interruptor, possibilitando a energização ou desenergização de um circuito elétrico, eletrônico ou digital.


Relê De Computação - instrumento que recebe um ou mais sinais de outros instrumentos, realiza operações matemáticas, de lógica ou de seleção de sinais e envia o resultado a um instrumento. FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Fluxogramas são as representações simbólicas do processo para fins de localização, identificação e análise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas são desenhos esquemáticos sem escala que mostram toda a rede de tubulações e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo.

Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte. - As tubulações principais com indicação do fluido contido e do sentido do fluxo - As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança, alívio etc. - Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicação das características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e pressão de trabalho, número de bandejas etc. - Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor etc.) com indicação das características básicas, como vazão, temperatura, pressão, carga térmica etc. - Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua simbologia e nomenclatura. Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, válvulas, instrumentos etc., existem convenções de desenho, geralmente de acordo com as convenções da Sociedade de Instrumentos da América - ISA. TERMINOLOGIA E SIMBOLOGIA

De um modo geral os elementos de controle são: ELEMENTO PRIMÁRIO- componente que está em contato com a variável de processo e tem por função, transformá-la em uma grandeza mensurável por um mecanismo. INDICADOR- instrumento que nos fornece o valor de uma variável de processo, na forma de um ponteiro e uma escala, ou números, ou bargraph, etc...


REGISTRADOR- instrumento que registra, o valor da variável de processo em uma carta gráfica, por meio de um traço contínuo ou pontos. TRANSMISSOR- instrumento que mede uma determinada variável, e envia um sinal proporcional a distância, a um indicador, registrador, controlador, etc. ELEMENTO FINAL DE CONTROLE- dispositivo que está em contato direto com a variável manipulada, modificando-a em resposta a um sinal de comando. CONTROLADOR- instrumento que tem por função, manter o valor da variável de processo, igual ao valor estabelecido em seu mecanismo, enviando um sinal de saída ao elemento final de controle. CONVERSOR- instrumento que recebe e envia um sinal padrão em instrumentação, de grandezas diferentes. RELÊ DE COMPUTAÇÃO- instrumento que recebe um ou mais sinais de outros instrumentos, realiza operações matemáticas, de lógica ou de seleção de sinais e envia o resultado a um instrumento. TRANSDUTOR- termo aplicado ao instrumento que não trabalha com sinal na entrada e saída padrão. Como é possível observar o elemento primário, transmissor entre outros, podem ser considerados um transdutor, porém estes elementos possuem funções específicas com nomes específicos. 3.1 TERMINOLOGIA As definições, a seguir adotadas, são aceitas por todos os que intervêm, direta ou indiretamente, ao campo da instrumentação industrial, com o objetivo de promover uma mesma linguagem. As definições e os termos empregados foram elaborados pela S.A.M.A. ( Scientific Apparatus Makers Association ), em sua norma PMC 20. Faixa de Medida ( Range ) : - Conjunto de valores da variável medida, que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Expressa-se determinando os valores extremos. EX.: 100 - 500ºC 0 - 20 PSI Alcance ( Span ) - É a diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento. Ex.: Em instrumento com range de 100 a 500ºC. Erro: É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento, em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente, chamaremos de erro estático, que poderá ser positivo ou negativo, dependendo da indicação do instrumento, o qual poderá estar indicando a mais ou a menos. Quando tivermos a variável variando, teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de ERRO DINÂMICO. Quando a variável não estiver variando, podemos ter somente o ERRO ESTÁTICO. Quando a variável estiver variando, poderemos ter o ERRO DINÂMICO e o ERRO ESTÁTICO.


Precisão Podemos definir como sendo o maior valor de erro estático que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de trabalho. Podemos expressá-la de diversas maneiras: Em porcentagem do alcance ( Span ) Um instrumento que possui um SPAN de 100ºC e está indicando 80ºC; sua precisão é de 0,5% por exemplo,sabemos que a temperatura estará entre 79,5ºC e 80,5ºC. Podemos ter também a precisão dada diretamente em unidades da variável. Ex.: Precisão de ± 2ºC. Em porcentagem do valor medido Ex.: Precisão de ± 1%. Para 80ºC teremos uma margem de ± 0,8ºC. Em porcentagem do valor máximo da escala do instrumento. Ex.: Precisão de 1%. Range de 50 a 150ºC. A precisão será de ± 1,5ºC. Em porcentagem do comprimento da escala. Ex.: Se o comprimento da escala de um instrumento fosse de 30cm, com range de 50 a 150ºC e precisão de 1%, teríamos uma tolerância de ± 0,3cm na escala do instrumento. Podemos ter a precisão variando ao longo da escala de um instrumento, podendo o fabricante indicar seu valor em algumas faixas da escala do instrumento. Ex.: Um manômetro pode ter uma precisão de ± 1% em todo seu range e ter na faixa central de sua escala uma precisão de 0,5%. Zona Morta É a máxima variação que a variável possa ter, sem que provoque variação na indicação ou sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do range do mesmo. Ex.:

Sensibilidade


É a razão entre a variação do valor indicado ou transmitido por um instrumento e a variação da variável que o acionou, após ter alcançado o estado de repouso. Pode ser dada em porcentagem do alcance de medida.

Histeresis É o erro máximo apresentado por um instrumento, para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorra toda a escala nos sentidos ascendente e descendente. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. Ex.: Num instrumento com range de - 50ºC a 100ºC e histeresis de ± 0,3%. o erro será de 0,3% de 150ºC = ± 0,45ºC. Devemos destacar que o termo "zona morta" está incluído na histeresis.

Repetibilidade É a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor da variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do SPAN, no instrumento. O termo repetibilidade não inclui a histeresis.


3.2 IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS Normas S.5.1 As normas de instrumentação estabelecem símbolos gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser utilizados nos diagramas de malhas de controle de projetos de instrumentação. Para facilitar o entendimento do texto deste trabalho, mostra-se a seguir, a essência da norma S.5.1 ( Instrumentation Symbols and Indentification ) da Instrument Society of America (ISA). De acordo com esta norma, cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que classifica funcionalmente (Ver tabela.) é um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou na função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo. A figura mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a norma em referência.


Exemplo de identificação de instrumento Onde: T - variável medida ou iniciadora: temperatura; R - função passiva ou de informação: registrador; C - função ativa ou de saída: controlador; 210 - área de atividades, onde o instrumento ou função programada atua; 02 - número seqüencial da malha; A - sufixo 5.2 - Símbolos Típicos de Instrumentos As figuras abaixo mostram os símbolos gerais utilizados para representar instrumento ou função programada, os símbolos e funções de processamento de sinais e os símbolos utilizados para representar linhas para Instrumento ou função programada, de acordo com a norma em referência.


* As abreviações seguintes são sugeridas para denotar o tipo de alimentação. Essas designações também podem ser aplicadas para alimentação de fluido de purga. AS - Ar de alimentação IA - Ar de instrumento PA - Ar da planta Opcional ES - Alimentação elétrica GS - Alimentação de gás HS - Alimentação Hidráulica NS - Alimentação de Nitrogênio SS - Alimentação de vapor


WS - Alimentação de água O nível de alimentação pode ser adicionado na linha de alimentação do instrumento, exemplo: AS-100 . ou AR ALIMENTAÇÃO ELÉTRICA DE 24 VOLTS CONTÍNUA. ** O símbolo de sinal pneumático aplica-se para qualquer gás de médio sinal. Se um outro gás é usado, este pode ser identificado por uma nota no símbolo do sinal ou de outra maneira. *** Fenômeno eletromagnético inclui aquecimento, ondas de rádio, radiação nuclear e luz.



FLUXOGRAMAS DE PROCESSO Fluxogramas são as representações simbólicas do processo para fins de localização, identificação e análise do funcionamento de seus componentes. Os fluxogramas são desenhos esquemáticos sem escala que mostram toda a rede de tubulações e os diversos vasos, bombas, instrumentos e todo equipamento pertencente ao processo.

Nos fluxogramas de processo deve estar contido o seguinte. - As tubulações principais com indicação do fluido contido e do sentido do fluxo; - As principais válvulas de bloqueio, regulagem, controle, segurança, alívio etc. - Todos os vasos (tanques, torres, tambores, reatores etc.) com indicação das características básicas, como tipo, dimensões principais, temperatura e pressão de trabalho, número de bandejas etc.


- Todos os equipamentos importantes (bombas, compressores, ejetores, filtros, trocadores de calor etc.) com indicação das características básicas, como vazão, temperatura, pressão, carga térmica etc. - Todos os instrumentos principais deverão estar indicados por sua simbologia e nomenclatura. Para todos os tipos usuais de vasos, equipamentos, válvulas, instrumentos etc., existem convenções de desenho, geralmente de acordo com as convenções da Sociedade de Instrumentos da América - ISA - e podem ser encontradas nas documentações distribuídas por esta sociedade. EXERCÍCIOS 1 - Quais são os objetivos dos instrumentos de medição e controle? 2 - Como era o controle do processo no princípio da era industrial? 3 - O que foi possível com a centralização das variáveis do processo,? 4 - Como são divididos os processos industriais? 5 - Defina o sistema de controle. 6 - Quais são as 3 partes necessárias para uma malha de controle fechada? 7 - Defina o que é instrumentação. 8 - Defina o que é range. 9 - Defina o que é span. 10 - Defina o que é erro. 11 - Defina o que é exatidão. 12 - Defina o que é indicador. 13 - Defina o que é registrador. 14 - Defina o que é transmissor. 15 - Defina o que é transdutor. 16 - Defina o que é controlador. 17 - Defina o que é elemento final de controle. 18 - O que estabelecem as normas de instrumentação? 19 - Diga qual a função de cada um dos instrumentos, abaixo de acordo com a sua identificação. a) WT - b) FIC - c) TI - d) PIT - e) LR - f) TSL - g) PSLL - h) TJR - i) TT - j) PIC - l) FR - m) LT - n) FSHH - o) LSH - p) FY - 20 - Defina a localização dos equipamentos e tipos de sinais de transmissão de cada malha de controle, além da sua função (equipamento).


21 - Quais são os dois principais sistemas de medidas quanto à natureza das unidades? 22 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.M.T.? 23 - Quais são as unidades fundamentais do sistema L.F.T.? 24 - A sigla M.K.S. define que tipo de sistema de medida? 25 - A sigla C.G.S. define que tipo de sistema de medida? 26 - A sigla M.T.S. define que tipo de sistema de medida? 27 - A sigla M.K.gs.S. define que tipo de sistema de medida? 28 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês absoluto? 29 - Quais são as unidades fundamentais do sistema inglês prático? 30 - Defina o que é telemetria. 31 - Cite 2 vantagens da telemetria. 32 - Cite 2 tipos de transmissores 33 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão pneumática. 34 - Cite 2 tipos de sinais de transmissão eletrônica. 35 - O pôr que do “zero vivo”nos sinais de transmissão? 36 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 50% do sinal de 3 à 15 PSI

a) 70% de 3 - 15 PSI = _______________________ b) 80% de 3 - 15 PSI = _______________________ c) 10% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________ d) 30% de 0,2 - 1 Kgf/cm2 = _______________________ e) 45% de 20 - 100 Kpa = _______________________ f) 55% de 20 - 100 Kpa = _______________________ g) 65% de 4 - 20 mA = _______________________ h) 75% de 4 - 20 mA = _______________________ i) 37% de 1 - 5 V = _______________________


j) 73% de 1 - 5 V = _______________________ 37 - Calcule o valor pedido: Exemplo: 9 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI

a) 12 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________ b) 6 PSI é quantos % da faixa de 3 à 15 PSI = ___________________ c) 0,4 Kgf/cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________ d) 0,6 Kgf/ cm2 é quantos % da faixa de 0,2 à 1 Kgf/cm2 = ___________________ e) 90 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________ f) 70 Kpa é quantos % da faixa de 20 à 100 Kpa = ___________________ g) 9 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ h) 13 mA é quantos % da faixa de 4 à 20 mA = ___________________ i) 1,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________ j) 4,5 V é quantos % da faixa de 1 à 5 V = ___________________


2.17 Transmissão e transmissores pneumáticos e eletrônicos analógicos. 1. Conceitos básicos 1.1. Introdução Rigorosamente o transmissor não é necessário, nem sob o ponto de vista de medição, nem sob o ponto de vista de controle. A transmissão serve somente como uma conveniência de operação para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada, num formato padronizado. Na prática, por causa das grandes distâncias envolvidas, as funções de medição e de controle estão freqüentemente associadas aos sinais dos transmissores.

O transmissor é geralmente montado no campo, próximo ao processo. Porém, ele também pode ser montado na sala de controle, como ocorre com o transmissor de temperatura com o termopar ou com a resistência elétrica.

Fig. 2.1. Transmissores para medição de nível 1.2. Justificativas do Transmissor

Antes do aparecimento do transmissor pneumático, circa 1930, o controlador era conectado diretamente ao processo. O controlador e o painel de controle deviam estar próximos ao processo. O transmissor oferece muitas vantagens em comparação com o uso do controlador ligado diretamente ao processo, tais como a segurança, a economia e a conveniência.

1. os transmissores eliminam a presença de fluidos flamáveis, corrosivos, tóxicos mal cheirosos e de alta pressão na sala de controle.

2. as salas de controle tornam-se mais práticas, com a ausência de tubos capilares compridos, protegidos, compensados e com grande tempo de atraso.

3. há uma padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, os registradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo.

Fig. 2.2. Transmissor montado em local hostil


1.3. Terminologia O transmissor é também chamado erradamente de transdutor e de conversor. Transdutor é

um termo genérico que designa um dispositivo que recebe informação na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica a informação, a sua forma ou ambas e envia um sinal de saída resultante. Este termo é genérico e segundo este conceito, o elemento primário, transmissor, relé, conversor de corrente elétrica para pneumático e a válvula de controle são transdutores.

Há uma norma na instrumentação, ANSI/ISA S37.1-1978 (R1982) que estabelece uma nomenclatura uniforme e consistente entre si e para elemento sensor, transmissor, conversor, transdutor. Elemento sensor

Elemento sensor é um dispositivo integrante de um instrumento que converte um sinal não-padrão em outro sinal não-padrão. Por exemplo, o bourdon C é um elemento sensor de pressão, que converte a pressão em um pequeno movimento proporcional. Nem a pressão de entrada e nem o deslocamento do sensor são padronizados.

Todo transmissor possui um elemento sensor, que depende essencialmente da variável medida. Atualmente além do sensor da variável principal o transmissor inteligente possui outro sensor para medir a temperatura ambiente e fazer a compensação de suas variação sobre a variável principal.

Já existe disponível comercialmente transmissor multivariável. No único invólucro do transmissor há vários sensores para medir simultaneamente a variável principal (vazão) e as secundárias (pressão e temperatura do processo), também para fins de compensação.

Neste contexto, tem-se: 1. Sensor primário é o sensor que responde principalmente ao parâmetro físico a ser

medido. 2. Sensor secundário é o sensor montado adjacente ao primário para medir o parâmetro

físico que afeta de modo indesejável a característica básica do sensor primário (por exemplo, os efeitos da temperatura na medição de pressão).

Fig. 2.3. Elementos sensores de pressão

Transmissor O transmissor é o instrumento que converte um sinal não-padrão em um sinal padrão de

natureza igual ou distinta. O transmissor sente a variável através de um sensor no ponto onde ele está montado e envia um sinal padrão, proporcional ao valor medido, para um instrumento receptor remoto. É desejável que a saída do transmissor seja linearmente proporcional à variável medida e nem sempre há esta linearidade.

Por exemplo: o transmissor eletrônico de pressão sente um sinal de pressão, por exemplo, de 15 a 60 MPa, e o converte em um sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite. Outro exemplo: o transmissor pneumático de pressão manométrica converte um sinal de


pressão, e.g., de 60 a 100 MPa, em um sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi) e o transmite. Nos dois exemplos, as faixas da pressão de entrada são não padrão mas as saídas dos transmissores eletrônico (4 a 20 mA) e pneumático (20 a 100 kPa) o são. Transmissor sabido (smart)

Transmissor sabido é um transmissor em que é usado um sistema microprocessador para corrigir os erros de não linearidade do sensor primário através da interpolação de dados de calibração mantidos na memória ou para compensar os efeitos de influência secundárias sobre o sensor primário incorporando um segundo sensor adjacente ao primário e interpolando dados de calibração armazenados dos sensores primário e secundário.

Fig. 2.4. Transmissor eletrônico (Foxboro)

Transmissor inteligente Transmissor inteligente é um transmissor em que as funções de um sistema

microprocessador são compartilhadas entre 1. derivar o sinal de medição primário, 2. armazenar a informação referente ao transmissor em si, seus dados de aplicação e sua

localização e 3. gerenciar um sistema de comunicação que possibilite uma comunicação de duas vias

(transmissor para receptor e do receptor para o transmissor), superposta sobre o mesmo circuito que transporta o sinal de medição, a comunicação sendo entre o transmissor e qualquer unidade de interface ligada em qualquer ponto de acesso na malha de medição ou na sala de controle.

O primeiro termo que apareceu foi smart (sabido), que foi traduzido como inteligente. Depois, apareceu o transmissor intelligent, com mais recursos que o anterior. Porém, já havia o termo inteligente e por isso, no presente trabalho, traduziu-se smart por sabido e intelligent por inteligente. Atualmente os dois termos, smart e inteligente, tem o mesmo significado prático. Por exemplo, Fisher Rosemount usa o termo smart e a Foxboro usa o termo intelligent para o transmissor com as mesmas características. Por consistência, o transmissor convencional não inteligente é burro (dumb). Transdutor

O transdutor é o instrumento que converte um sinal padrão em outro sinal padrão de natureza distinta. Por exemplo: transdutor pressão-para-corrente ou P/I converte o sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa no sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc e o transmite. O transdutor corrente-para-pressão ou I/P, converte o sinal padrão de corrente de 4-20mA cc no sinal padrão pneumático de 20 a 100 kPa e o transmite.

O transdutor i/p compatibiliza o uso de um controlador eletrônico (saída 4 a 20 mA) com uma válvula com atuador pneumático (entrada 20 a 200 kPa).

Elemento transdutor tem o mesmo significado que elemento sensor ou elemento primário.


Fig. 2.5. Transdutor i/p, montado na válvula Conversor

O conversor é o instrumento que transforma sinais de natureza elétrica para formas diferentes. Por exemplo: conversor analógico/digital: transforma sinais de natureza analógica (contínuo) em sinais digitais (pulso descontínuo). Mutatis mutandis, tem-se o conversor digital/analógico, que transforma sinal digital em analógico.

Geralmente, o conversor A/D e D/A está associado ao multiplexador, que converte várias entradas em uma única saída e o demultiplexador, que converte uma entrada em várias saídas. O conjunto conversor A/D e D/A e multiplexador e demultiplexador é também chamado de Modem (MODulador DEModulador).

O transmissor inteligente, por ser digital e receber um sinal analógico, tem necessariamente em um conversor A/D em sua entrada. O transmissor híbrido, que é digital e possui a saída analógica de 4 a 20 mA deve possuir em sua saída um conversor D/A.

Fig. 2.6. Sinal analógico e digital

1.4. Transmissão do sinal O sinal de transmissão entre subsistemas ou dispositivos separados do sistema deve estar

de conformidade com a norma ANSI/ISA SP 50.1 - 1982 (Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments)

Esta norma estabelece, entre outras coisas, 1. a faixa de 4 a 20 mA, corrente continua, com largura de faixa de 16 mA, que

corresponde a uma tensão de 1 a 5 V cc, com largura de faixa de 4 V 2. a impedância de carga deve estar entre 0 e um mínimo de 600 Ω. 3. o número de fios de transmissão, de 2, 3 ou 4. 4. a instalação elétrica


5. o conteúdo de ruído e ripple 6. as características do resistor de conversão de corrente para tensão, que deve ser de

(250,00 ± 0,25) Ω e coeficiente termal de α ≤ 0,01%/oC, de modo que a tensão convertida esteja entre (1,000 a 5,000 ± 0,004) V

7. o resistor não deve se danificar quando a entrada for de 10 V ou de 40 mA.

(a) Tipo. 2. Circuito com 2 fios

(b) Tipo 3. Circuito com 3 fios

(c) Tipo 4. Circuito com 4 fios

Fig. 2.7. Consideração do tipo de transmissor 1.5. Sinais padrão de transmissão Sinal pneumático

O sinal padrão da transmissão pneumática no SI é 20 a 100 kPa (kilopascal) e os seus equivalentes em unidades não SI: 3 a 15 psig e 0,2 a 1,0 kgf/cm2. Praticamente não há outro sinal pneumático de transmissão, embora em hidrelétricas onde se tem válvulas enormes, é comum o sinal de 40 a 200 kPa (6 a 30 psi). Sinal eletrônico

O sinal padrão de transmissão eletrônico é o de 4 a 20 mA cc, recomendado pela International Electromechanical Commission (IEC), em maio de 1975. No inicio da instrumentação eletrônica, circa 1950, o primeiro sinal padrão de transmissão foi o de 10 a 50 mA cc, porque os circuitos eram pouco sensíveis e este nível de sinal não necessitava de

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

Transmissor

Fonte

Receptor

-

-

+

+

Fonte

Receptor

-

-

+

+


amplificador para acionar certos mecanismos; hoje ele é raramente utilizado, por questão de segurança. Atualmente há uma tendência em padronizar sinais de baixo nível, para que se possa usar a tensão de polarização de 5 V comum aos circuitos digitais.

Existe ainda o sinal de transmissão de 1 a 5 V cc, porém ele não é adequado pois há atenuação na transmissão da tensão. Usa-se a corrente na transmissão e a tensão para a manipulação e condicionamento do sinal localmente, dentro do instrumento. Relação 5:1

Todos os sinais de transmissão, pneumático e eletrônicos, mantém a mesma proporcionalidade entre os valores máximo e mínimo da faixa de 5:1, ou seja

5 V1

V5

psi 3

psi 15

mA 4

mA 20

kPa 20

kPa 100====

Esta proporcionalidade fixa facilita a conversão dos sinais padrão, pelos transdutores.

Zero vivo Todas as faixas de sinais padrão de transmissão começam com números diferentes de

zero, ou seja os sinais padrão são 20 a 100 kPa e não 0 a 80 kPa, 4 a 20 mA cc e não 0 a 16 mA cc. Diz-se que uma faixa com supressão de zero, ou seja partindo de número diferente de zero é detectora de erro. Por exemplo, seja o transmissor eletrônico de temperatura com faixa de medição de 20 a 200 oC. A sua saída vale:

4 mA, quando a medida é de 20 oC, 20 mA, quando a medida é de 200 oC e 0 mA, quando há problema no transmissor, como falta de alimentação ou fio partido . Se a saída do transmissor fosse um sinal de 0 a 20 mA não haveria meios de identificar o

sinal correspondente ao valor mínimo da faixa com o sinal relativo às falhas no sistema, como falta de alimentação ou fio partido no transmissor eletrônico ou entupimento do tubo, quebra do tubo, falta de ar de suprimento no transmissor pneumático.

Quando se manipula a tensão elétrica, pode-se ter e se medir a tensão negativa e portanto pode-se usar uma faixa de 0 a 10 V cc detectora de erro. Isto significa que o 0 V se refere ao valor mínimo da faixa medida e quando há algum problema o sinal assume um valor negativo, por exemplo, -2,5 V cc. Esta faixa possui o zero vivo. 2. Natureza do transmissor

Como há dois sinais padrão na instrumentação, também há dois tipos de transmissores: pneumático e eletrônico 2.1. Transmissor pneumático

O transmissor pneumático mede a variável do processo e transmite o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), proporcional ao valor da medição. A sua alimentação é a pressão típica de 140 kPa (20 psig). O mecanismo básico para a geração do sinal pneumático é o conjunto bico-palheta, estabilizado pelo fole de realimentação.

Para funcionar o transmissor pneumático requer a alimentação de ar comprimido, no valor típico de 140 kPa (22 psi). O transmissor é alimentado individualmente por um conjunto de filtro regulador. O regulador pode ser fixo (ajustável na oficina) ou regulável pelo operador, no local.

Há dois princípios mecânicos básicos para o funcionamento do transmissor pneumático: 1. balanço de forças e 2. balanço de movimentos.


Fig. 2.8. Esquema típico de um transmissor pneumático a balanço de forças (Foxboro)

Balanço de forças

O sistema é mantido estável, pelo equilíbrio das forças aplicadas a uma barra. A variação na medição desequilibra o sistema, alterando a posição da barra, variando proporcionalmente o sinal transmitido e retornando o sistema à condição de equilíbrio. Como a posição da barra está relacionada com o equilíbrio ou balanço das forças atuando nesta barra, este sistema é chamado de balanço de forças.

O diafragma sente a pressão do processo e através de um flexor, transmite uma força a barra de força. A barra de força funciona como a palheta em relação ao bico. A variável do processo modula a distância entre o bico e a barra de forças. Através do mecanismo de transmissão pneumática (relé pneumático, fole de realimentação, mola de ajuste de zero) obtém-se uma saída padrão e estável de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi), linearmente proporcional à pressão medida. Através do deslocamento do volante que serve como fulcro para o equilíbrio das forças e ajusta a largura de faixa de medição.

Fig. 2.9. Transmissor pneumático a balanço de forças: (a) esquema e (b) vista externa

As principais vantagens são: 1. a robustez e a precisão da operação, praticamente sem movimento e desgaste das

peças, 2. a opção da supressão ou da elevação do zero, necessária medições de nível. As suas desvantagens são: 1. não há indicação local da variável transmitida, mas apenas a indicação opcional do sinal

de saída do transmissor,


2. a velocidade da resposta é lenta Os transmissores a balanço de força são genericamente chamados de d/p cell, embora

rigorosamente d/p cell seja uma marca registrada da Foxboro e se refira ao transmissor de pressão diferencial para medição de vazão e de nível.

O transmissor pneumático a balanço de forças da Foxboro foi um dos mais bem sucedidos instrumentos da historia da instrumentação. O transmissor pneumático era tão estável e repetitivo que, a partir dele, foi projetado e construído o transmissor eletrônico, também a balanço de forças. Balanço de movimento

No sistema a balanço de movimentos, a medição é sentida pelo elo mecânico, que desequilibra o sistema bico-palheta. Este desequilíbrio provoca variações no sinal transmitido, até haver novo equilíbrio. Na realidade há um balanço de posições mas o sistema é referido como balanço de movimentos.

O transmissor a balanço de movimento permite a indicação local da medição; é naturalmente um transmissor-indicador.

Fig. 2.10. Esquema de transmissor pneumático a balanço de movimentos (Foxboro)

Fig. 2.11. Transmissor a balanço de movimento

As principais vantagens do transmissor a balanço de movimentos são: 1. apresenta a indicação da medida, no local de transmissão 2. opera com grande variedade de elementos primários, pois a força necessária para atua-

lo é pequena (cerca de 2 gramas). As suas desvantagens são:


1. não apresenta a opção de abaixamento e elevação de zero. 2. sua operação é mais delicada e sua calibração é mais difícil e menos estável, por causa

dos elos mecânicos e das partes moveis. . 2.2. Transmissor eletrônico

O transmissor eletrônico mede a variável do processo e transmite o sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc proporcional ao valor da medição. Ele requer a alimentação, geralmente a tensão contínua. Normalmente esta alimentação é feita da sala de controle, através do instrumento receptor (indicador, controlador ou registrador), onde está a fonte de alimentação. A alimentação é feita pelo mesmo fio que porta o sinal transmitido de 4 a 20 mA. Os conceitos de fonte de tensão e de fonte de corrente explicam porque se pode utilizar apenas um par de fios para transportar tanto o sinal de corrente como a alimentação de tensão. A corrente só deve depender da variável medida e não deve depender da tensão de polarização. A tensão de alimentação não pode ser afetada pelo valor da corrente gerada.

A tensão de alimentação pode variar, dentro de limites convenientes e depende principalmente do valor do sinal transmitido e do valor da resistência total da malha de controle.

Fig. 2.12. Tensão de alimentação e impedância da malha de transmissão eletrônica

Transmissor indutivo No transmissor eletrônico a balanço de forças, o pequeno movimento provocado na barra

de força é amplificado e posiciona o núcleo móvel de uma bobina. Quando a pressão varia, a barra de força se movimenta e altera a posição do núcleo da bobina, variando a indutância. Através da variação da indutância um circuito condicionador gera o sinal padrão de 4 a 20 mA cc, proporcional a pressão medida. Este transmissor é chamado de indutivo, pois se baseia na variação do núcleo de uma bobina detectora. Atualmente, este transmissor foi substituído por outros menores e melhores, como capacitivo, com fio ressonante e sensor CI.

Fig. 2.13. Transmissor a balanço de forças indutivo


Transmissor capacitivo

No inicio dos anos 80, a Rosemount lançou o transmissor eletrônico capacitivo, que se tornou um dos tipos de instrumentos mais vendidos na instrumentação.

O princípio de operação básico é a medição da capacitância resultante do movimento de um elemento elástico. O elemento elástico mais usado é um diafragma de aço inoxidável ou de Inconel, ou Ni-Span C ou um elemento de quartzo revestido de metal exposto à pressão do processo de um lado e uma pressão de referência no outro. Dependendo da referência, pode-se medir pressão absoluta (vácuo), manométrica (atmosférica) ou diferencial.

A capacitância de um capacitor de placas paralelas, é dada simplificadamente por:

onde C é a capacitância ε é a constante dielétrica do isolante entre as placas A é a área das placas d é a distância entre as placas. Como a pressão pode provocar um deslocamento, ela pode ser inferida através da

capacitância, que também depende de um deslocamento. Os diafragmas isolantes detectam e transmitem a pressão do processo para o fluido de enchimento (óleo de silicone). O fluido transmite a pressão de processo para o diafragma sensor no centro da célula de pressão diferencial. O diafragma sensor funciona como um elemento de mola que deflete em resposta à pressão diferencial aplicada através dele. O deslocamento do diafragma sensor, um movimento máximo de 0,10 mm, é proporcional à pressão diferencial. As placas de capacitor em ambos os lados do diafragma sensor detectam a posição do diafragma sensor. A capacitância diferencial entre o diafragma sensor e as placas do capacitor é então proporcional linearmente à pressão diferencial aplicada aos diafragma isolantes. A capacitância é detectada por um circuito ponte e é convertida e amplificada para o sinal padrão, linear, a dois fios de 4 a 20 mA cc.

Fig. 2.14. Célula δ capacitiva (Rosemount) O sensor capacitivo tem precisão típica de 0,1 a 0,2% da largura de faixa e com a seleção

de diafragmas, pode medir faixas de 0,08 kPa a 35 MPa (3 in H20 a 5000 psi).


Os transmissores capacitivos perdem em popularidade apenas para os com strain gauge e tem-se as seguintes vantagens

1. alta robustez e 2. grande estabilidade 3. excelente linearidade 4. resposta rápida 5. deslocamento volumétrico menor que 0,16 cm3 elimina a necessidade de câmaras de

condensação e potes de nível Suas limitações, principalmente dos transmissores capacitivos mais antigos, são: 1. sensitividade à temperatura 2. alta impedância de saída 3. sensitividade à capacitância parasita 4. sensitividade a vibração 5. pequena capacidade de resistir à sobrepressão O transmissor eletrônico capacitivo da Rosemount foi outro instrumento best seller da

instrumentação. Transmissor fio ressonante

O transmissor com sensor a fio ressonante foi lançado no fim da década de 1970, pela Foxboro, que gosta muito de fio, pois já havia aplicado o fio Nitinol, com memória mecânica, para acionar ponteiros e penas dos instrumentos de display do sistema SPEC 200. Neste projeto, um circuito oscilador faz um fio oscilar em sua freqüência de ressonância, enquanto a tensão do fio é variada como uma função da pressão do processo. As pressões do processo são detectadas pelos diafragmas de alta e baixa pressão, nos lados direito e esquerdo do sensor. Quando a pressão diferencial aumenta, o fluido de enchimento transmite uma força correspondente ao fio, excitado por um campo magnético. O dano por sobrepressão é evitado pelos diafragmas sendo suportados por placas reservas. A variação na tensão do fio modifica a freqüência de ressonância do fio, que é então digitalmente medida. Configurações semelhantes são usadas na medição de pressão absoluta e manométrica. Quando usado para medir pressão absoluta, o lado de baixa é coberto por uma capa e faz-se vácuo na cavidade da ordem de 0,52 Pa (0,004 mm Hg).

Fig. 2.15. Sensor de pressão a fio ressonante (Foxboro) As vantagens deste transmissor são: 1. boa repetitividade 2. alta precisão


3. boa estabilidade 4. baixa histerese 5. alta resolução 6. sinal de saída forte 7. geração de um sinal digital. As limitações incluem: 1. sensitividade à temperatura ambiente, requerendo compensação embutida. 2. sinal de saída não linear 3. alguma sensitividade à vibração e choque.

Transmissor com sensor a CI Os transmissores mais recentes utilizam o estado da arte da tecnologia eletrônica, com um

sensor a circuito integrado, com um chip de silício piezo-resistivo difuso. Na fabricação deste sensor, boro é difundido em uma estrutura de cristal de silício para

formar uma ponte de Wheatstone totalmente ativa. Neste processo de difusão, o boro e o silício são unidos a um nível molecular, eliminado a necessidade de métodos mecânicos de solda, como usado nos sensores convencionais de strain gauge. Este processo resulta em sensores com altíssima repetitividade e estabilidade, somente conseguidas em instrumentos de laboratório.

Fig. 2.16. Circuito da ponte de Wheatstone

A faixa de pressão de cada sensor de silício é determinada pela espessura do silício diretamente sob a ponte de Wheatstone. A espessura do diafragma de silício é determinada ataque químico na parte traseira de cada chip sob a ponte para uma profundidade específica. O chip acabado é então colada a uma placa de pyrex ou alumina com suporte e isolação do chip. Para medição de pressão manométrica ou diferencial, faz-se um buraco através do pyrex para acessar a cavidade na parte traseira do chip. Isto fornece uma referência da pressão atmosférica para o sensor de pressão manométrica e uma passagem para o lado da baixa pressão do sistema de enchimento de fluido para o d/p cell. Para a medição de pressão absoluta, a cavidade do chip é evacuada antes de colar a placa de pyrex, fornecendo uma referência de pressão absoluta.

O chip é então montado em um extrato de cerâmica ou aço inoxidável selado a vidro. Conexões com fio de ouro completam o conjunto, que é juntado ao pacote completo do sensor.

Diafragmas de isolação de vários materiais resistentes a corrosão são soldados no lugar, sobre o chip sensor e as cavidades entre o chip são cheias sob vácuo com óleo silicone DC-


200 ou Fluorinert FC/B. Este processo isola totalmente o sensor de silício do meio da pressão sem um link mecânico. O diafragma de isolação também fornece a proteção de sobrefaixa para o sensor de silício no d/p cell. Transmissor com sensor piezoelétrico

O sensor é um cristal de quartzo ou turmalina que, quando exposto a pressão ou força em torno do seu eixo, é elasticamente deformado. A deformação produz uma força eletromotriz proporcional.

As vantagens do transmissor com sensor piezoelétrico são: 1. pequeno tamanho 2. robustez 3. alta velocidade de resposta 4. autogeração do sinal. As desvantagens são: 1. limitado à medição dinâmica 2. sensitividade à temperatura 3. necessidade de cabeamento especial entre sensor e circuito amplificador. A aplicação típica do sensor piezoelétrico é no medidor de vazão vortex. É piezoelétrico o

sensor que detecta a freqüência criada pelos vórtices de De Karmann.

Fig. 2.17. Transmissor de vazão tipo vortex (Foxboro)

3. Transmissor e manutenção Quanto à manutenção e independente do princípio de funcionamento ou da variável

medida, há quatro tipos básicos de transmissores eletrônicos disponíveis atualmente: 1. analógico descartável 2. analógico reparável 3. digital híbrido 4. digital inteligente

3.1. Transmissor analógico descartável O transmissor analógico descartável possui saída analógica de 4 a 20mA cc e um circuito

encapsulado irrecuperável quando estragado. Quando o transmissor se danifica (o que os fabricantes asseguram ser raro) é integralmente substituído por outro. Sua confiabilidade é expressa não em MTBF (tempo médio entre falhas) mas em MTFF (tempo médio para a primeira falha).

Como vantagens, tem-se: 1. Baixo custo de aquisição, com preços típicos entre US$50 a US$350, 2. Baixo custo de reposição, pois é mais barato substituir prontamente um transmissor do

que mandar um instrumentista de manutenção a um local distante para retirar do


processo um transmissor defeituoso, levá-lo para a oficina, repará-lo, levá-lo de volta para o processo e reinstalá-lo. A substituição pré-configurada pode ser feita na primeira ida ao local do processo,

3. Pequeno tamanho, simplicidade e transmissão a dois fios, 4. Facilidade de implementar técnica de proteção, como segurança intrínseca e não

incenditivo, pois o encapsulamento favorece a conformidade com exigências de normas.

Fig. 2.18. Transmissor descartável de pressão (Dynisco)

Fig. 2.19. Transmissor de temperatura descartável (Eckardt)

As principais desvantagens e limitações são: 1. A precisão é pior do que a dos outros tipos, pois o transmissor deve ter baixo custo, 2. Pequena flexibilidade, pois o transmissor tem somente uma única entrada e faixa fixa de

calibração e não são convenientes para aplicações que requerem alterações freqüentes do processo,

3. Geralmente são mais frágeis e menos resistentes a ambientes hostis, o bloco terminal podendo se quebrar quando submetido a abuso;

4. Menos confiável, pois são usados projetos e circuitos mais baratos para torná-los mais competitivos.

3.2. Transmissor analógico convencional O transmissor analógico convencional possui saída padrão de 4 a 20 mA cc e circuitos

acessíveis para sua calibração e manutenção. Eles podem ser reparados e ter suas faixas de calibração alteradas no campo ou na oficina, pelo usuário final. Os seus preços variam de US$300 a US$500,00.

Fig. 2.20. transmissor convencional (Foxboro)


As suas principais vantagens são: 1. O transmissor convencional é reparável, possuindo um invólucro que protege os

circuitos e permitindo o seu acesso fácil e seguro aos circuitos. Seus circuitos analógicos são simples e é fácil achar os defeitos e repará-los. A possibilidade de ser reparado torna o transmissor convencional mais seguro e menos caro para serviço em longo prazo.

2. O transmissor é robusto, suportando bem os rigores do processo, grande vibração mecânica, alto calor e atmosfera agressiva

3. O transmissor convencional pode ter sua faixa alterada dentro de grandes limites. O transmissor de temperatura pode aceitar todos os tipos de termopares ou RTD de vários valores. Tipicamente as alterações de parâmetros são feitas mecanicamente no campo ou na oficina, ajustando-se potenciômetros, alterando-se posições de jumpers ou mudando chaves DIP.

4. O transmissor analógico tem melhor tempo de resposta que o do transmissor digital e também se recupera mais rapidamente, depois de uma interrupção de alimentação.

5. Possui precisão melhor do que a do transmissor descartável e pior do que a do digital. Como desvantagens, tem-se: 1. Menos estável e requer mais calibração do que o transmissor digital, pois os ajustes

mecânicos feitos através de potenciômetros de fio são pouco estáveis. 2. Não são adequados para aplicações com operação e comunicação digitais, porém, para

a maioria das aplicações o alto custo da substituição dos transmissores analógicos convencionais por digitais não se justifica

3.3. Transmissor inteligente digital O transmissor inteligente digital tem um microprocessador embutido em seu circuito e

possui saída digital, apropriada para se comunicar com outros dispositivos digitais com o mesmo protocolo. Ele não possui a saída padrão de 4 a 20 mA cc.

Suas vantagens são: 1. Recalibração remota: o transmissor digital pode ser recalibrado sobre o elo de dados

digitais da sala de controle, através da estação de operação, de um computador digital ou de um terminal portátil proprietário. Porém, isso é útil somente em plantas envolvendo grandes distâncias e com variações freqüentes no processo. Ele permite alterações imediatas de parâmetros, sem perda de tempo e custo para mandar um técnico a cada ponto de medição para fazer uma alteração manual.


Fig. 2.21. Transmissor inteligente com tomada por flange e capilar.

2. Mínimo de reserva: uma grande variedade de parâmetros de operação pode ser

armazenadas na memória do microprocessador do transmissor digital. Um único transmissor pode ser eletronicamente programado para substituir qualquer outro transmissor do sistema. Facilidades com vários tipos de sensores e faixas de medição permitem um menor número de instrumentos reservas para reposição ou adição.

3. Altíssima precisão: melhor do que qualquer outro transmissor. Tipicamente, da ordem de 0,05 a 0,1% do fundo de escala.

4. Autodiagnose: a maioria dos transmissores digitais possui um programa de autodiagnose em sua memória interna que automaticamente identifica falhas do sensor e do transmissor. O pessoal de manutenção de instrumentos pode usar a informação fornecida pelas mensagens de erro enviadas do transmissor no campo para a sala de controle para preparar a substituição e reparo do instrumento. O benefício é o menor tempo de malha parada.

5. Segurança de comunicação: diferente do transmissor convencional que tem um par de fios para transportar o sinal seguro e a perigosa alimentação, o sinal digital pode ser comunicado através de fibra óptica ou links de luz infravermelha, que são seguros por natureza.

Fig. 2.22. Transmissor inteligente (Foxboro) As principais desvantagens do transmissor digital inteligente são: 1. Custo: embora os preços tendem a cair e se comparar aos do transmissor convencional,

o preço de aquisição do digital ainda é um pouco maior do que o do convencional 2. Não padronização do sinal digital: este é o maior obstáculo técnico para o uso extensivo

do transmissor digital. Atualmente ainda existem vários protocolos de comunicação digital proprietários, como HART, Foxcom, Fieldbus. Até que se chegue a um consenso acerca do protocolo de comunicação digital, muitos usuários preferirão não usar o transmissor digital.


3. Tempo de resposta: o transmissor de campo operando em baixa potência tem dificuldade de operar rapidamente a comunicação digital. A resposta demorada é inerente para começar e completar uma transação de comunicação digital. Além disso, alguns transmissores inteligentes tem grande tempo de recuperação após a perda da alimentação, durante o que os transmissores excedem a faixa por cima ou por baixo, acionando erradamente alarmes e causando problemas para outros instrumentos no sistema.

3.4. Transmissor híbrido analógico digital Como ainda hoje a maioria das aplicações envolve o sinal padrão de corrente de 4 a 20

mA cc e também por causa da ausência de uma padronização do sinal digital, muitos transmissores digitais possuem simultaneamente os dois sinais de transmissão:

1. analógico de 4 a 20 mA cc e 2. digital O transmissor é simultaneamente analógico e digital e o usuário experiente pode tirar

proveito das vantagens isoladas de cada tipo, como as vantagens de padronização e resposta rápida da transmissão analógica e as vantagens de autodiagnose, facilidade de recalibração e alteração de parâmetros da parte digital do transmissor.

O planejamento correto da aquisição de transmissores híbridos pode economizar investimentos quando se implanta uma instrumentação digital do sistema global. O transmissor híbrido pode substituir tanto um transmissor analógico como um digital existente sem necessidade de qualquer componente adicional. Também é necessário pouco treinamento de operadores e instrumentistas, quando de sua integração no sistema. 2.18 Noções de Operações Unitárias. NOÇÕES DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS As Operações Unitárias são as etapas individuais que constituem todos processos que transformam uma matéria-prima em produto final. As técnicas de projeto de operações unitárias são baseadas em princípios teóricos ou empíricos de Transferência de Massa, Transferência de Calor, Transferência de Quantidade de Movimento, Termodinâmica, Biotecnologia e Cinética Química. Desta forma, os processos podem ser estudados de forma simples e unificada. Cada Operação Unitária é sempre a mesma operação, independente da natureza química dos componentes envolvidos. Por Exemplo: Transferência de calor é a mesma operação em um processo petroquímico ou em uma indústria de alimentos. Transferência de massa Transferência de massa é o processo de transporte onde existe a migração de uma ou mais espécies químicas em um dado meio, podendo esse ser sólido, líquido ou gasoso. O transporte das espécies químicas pode ser feito por dois mecanismos: difusão e/ou convecção. A difusão deve-se à diferença de potenciais químicos das espécies, ou seja, á diferença de concentrações entre dois locais num dado sistema. A convecção deve-se às condições de escoamento de um sistema, por exemplo, líquido em movimento sobre uma placa. Alguns exemplos de aplicação deste fenômeno são o endurecimento de aços, o tempo total para ocorrer uma dada reação química em um leito reativo e a operação de filtragem utilizando membranas. As operações unitárias podem ser classificadas de acordo com critérios variados; aqui elas foram divididas em quatro grupos de acordo com sua finalidade dentro do processo produtivo :


• Operações preliminares • Operações de conservação • Operações de transformação • Operações de separação As operações unitárias preliminares, como já diz o próprio nome, são normalmente realizadas antes de qualquer outra operação. Suas funções estão associadas a uma preparação do produto para o posterior processamento ou uma melhoria das condições sanitárias da matéria-prima. As principais operações unitárias preliminares são: • Limpeza • Seleção - • Classificação • Eliminação • Branqueamento Operações envolvendo a transferência de massa Quando se colocam em contato duas fases de composições diferentes, pode ocorrer a transferência de componentes de uma fase a outra e vice-versa. Este transferência entre as fases ocorre até que o estado de equilíbrio seja atingido. Dentre as principais operações de transferência de massa destacam-se: Destilação É o processo de separação mais amplamente utilizado nas indústrias químicas. A separação dos constituintes está baseada nas diferenças de volatilidades entre diferentes constituintes químicos. Na destilação ocorre o contato de uma fase vapor com a fase líquida, e há a transferência de massa da fase líquida para o vapor e deste para aquele. O líquido e o vapor contêm, em geral, os mesmos componentes, mas em quantidades relativas diferentes. O efeito final é a concentração maior do constituinte mais volátil no vapor e o menos, no líquido. Em muitas situações é conveniente realizar a destilação em equipamentos multiestágios. Extração líquido-líquido A extração líquido-líquido é um processo de separação que se utiliza da propriedade de miscibilidade de líquidos. Por exemplo, em uma situação onde temos dois líquidos, A e B, miscíveis entre si, e queremos separar A de B, podemos usar um terceiro líquido, C, que seja mais miscível com A do que com B (veja figura). A separação entre o extrato, A e C, e o rafinado, A e B, é feita com uma ampola de decantação ou um funil separador. A recuperação de A a partir do extrato é geralmente feita por destilação.

Extração Sólido-Líquido Quando preparamos um chá, um café, ou mesmo um chimarrão, estamos fazendo uma extração sólido-líquido. Nestes casos, componentes que estavam na fase sólida (no pó de café ou nas ervas) passam para a fase líquida (água). Em todos os exemplos, a


extração é descontínua; isto é possível porque a solubilidade dos componentes extraídos em água é grande. Porém, nos casos onde a solubilidade do soluto é pequena, ou quando quisermos maximizar a extração do soluto, utiliza-se a técnica da extração contínua. Adsorção e Absorção A adsorção é a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfície sólida (o adsorvente); o grau de adsorção depende da temperatura, da pressão e da área da superfície - os sólidos porosos como o carvão são ótimos adsorventes. As forças que atraem o adsorvato podem ser químicas ou físicas. Um exemplo desta operação é a eliminação do odor de geladeira com o uso de carvão ativado (o odor se fixa nas superfícies livres nos poros do carvão. A Absorção e a fixação de um gás por um sólido ou um líquido, ou a fixação de um líquido por um sólido. A substância absorvida se infiltra na substância que absorve. Esta operação está limitada as restrições termodinâmicas assim como a destilação, portanto o conhecimento em termodinâmica é imprescindível para se projetar ou operar uma coluna de Absorção. Esta operação é utilizada para purificação de gases e para recuperação de solutos. Transferência de Calor OPERAÇÕES COM TRANSFERÊNCIA DE CALOR E DE MASSA As operações envolvendo a transferência de calor, a transferência de massa ou a transferência de calor e massa simultaneamente são descritas pelos fundamentos de Fenômenos de Transporte. Aquecimento e resfriamento de fluidos Os equipamentos industriais utilizados para troca térmica tanto no aquecimento quanto no resfriamento são normalmente chamados de trocadores de calor. Esta é uma operação com denominação muito genérica, assim vamos definir um trocador de calor como um dispositivo que efetua a transferência de calor de um fluido para outro. A transferência de calor pode se efetuar de quatro maneiras principais: • pela mistura dos fluidos; • pelo contato entre os fluidos; • com armazenagem intermediária; e • através de um parede que separa os fluidos quente e frio. Os trocadores de calor podem ser classificados de acordo com: - A disposição das correntes dos fluidos: correntes paralelas, contracorrente, correntes cruzadas e multipasse. - Tipo de construção: segundo a construção os trocadores podem ser de tubos coaxiais, casco e tubos e compactos. Aplicações de Trocadores de Calor • Torres de Refrigeração • Condensadores • Evaporadores • Leito Fluidizado • Condicionadores de ar • Aquecedores • Alambique • Radiador Automotivo Evaporação É usada quando há interesse somente na fase sólida, sendo liquida então desprezada.


Para produzir cloreto de sódio (Sal) a partir da água do mar, utiliza-se a técnica da evaporação. Equipamentos industriais para evaporação nada mais são do que recipientes que concentram uma solução pela evaporação do solvente. Entre os equipamentos há o evaporador de simples efeito e o de múltiplos efeitos. Entre os equipamentos, têm-se o evaporador de tubos horizontais, verticais, etc. Cristalização Às vezes o produto de interesse deve estar na forma de partículas sólidas. Quando o processo de fabricação leva a uma solução, o sólido pode ser obtido, de forma mais conveniente, pela concentração de uma solução até a sua saturação e conseqüente formação de cristais. Os equipamentos mais comuns são o cristalizador de tabuleiros, cristalizadores descontínuos com agitação, entre outros. Secagem A desidratação ou secagem de um sólido ou líquido, é a operação de remoção de água, ou de qualquer outro líquido na forma de vapor, para uma fase gasosa insaturada através de um mecanismo de vaporização térmica, numa temperatura inferior à de ebulição. Esta desidratação é realizada através de calor produzido artificialmente em condições de temperatura, umidade e corrente de ar cuidadosamente controladas. O ar é o mais usado meio de secagem. O mesmo conduz calor, provocando evaporação da água, sendo também o veículo no transporte do vapor úmido literalmente do alimento. Fenomenologicamente ocorre então a transferência simultânea de calor e massa. Por ser uma das operações unitárias mais antigas de que se tem conhecimento existe uma infinidade de equipamentos (leitos fixos, fluidizados, de jorro, secadores convectivos, de estufas, fornos, liofilizadores, spray dryer, microondas, etc.) e de técnicas de secagem (secagem solar, convectiva, por microondas, por radiação, etc). A técnica mais conveniente de secagem deve ser escolhida em função das características físicas, químicas e biológicas do produto e da matéria prima, econômicas, volume de produção, tipo de pós-processamento, etc. Transferência de Quantidade de Movimento Viscosidade de um fluido A viscosidade desempenha nos fluidos o mesmo papel que o atrito nos sólidos. Este conceito é encontrado em problemas de escoamento de fluidos e tratado como uma medida da resitência que um fluido oferece a uma força de cisalhamento aplicada. Para apresentar a explicação da causa microscópica da força de viscosidade, consideramos um fluido em movimento. Enquanto as moléculas de um fluido em repouso movem-se em todas as direções com igual probabilidade, as moléculas de um fluido em movimento terão preferência de orientar suas velocidades no sentido do fluxo, com velocidade média de arraste coincidindo com a velocidade do fluido. Num fluido ideal as moléculas são consideradas esferas rígidas e, por hipótese, não exercem forças umas nas outras exceto nas colisões elásticas. Como conseqüência, deveríamos esperar que uma força de cisalhamento exercida sobre uma camada superficial de fluido, seja para colocá-lo em movimento, seja pela presença de um meio sólido em torno do qual escorre, não pudesse ser transmitida para as suas camadas mais internas. Entretanto, ao passar de uma para outra camada do fluido, uma molécula transfere momentum entre essas camadas, pois sai de uma camada que tem uma certa velocidade de arraste e chega a outra com velocidade de arraste diferente. A transferência de momentum ocorre devido à colisão da molécula transferida com uma molécula da camada de chegada e sua conseqüente captura por esta


camada. O resultado final da passagem ao acaso das moléculas entre as camadas do fluido é diminuir a velocidade média das moléculas da camada que se move mais rapidamente e aumentar a da camada que se move mais lentamente. 2.19 Noções de Processos de Refino. PROCESSOS DE REFINO Os processos normalmente empregados nas refinarias modernas para o processamento do petróleo (óleo cru) são: destilação, cracking ou craqueamento, polimerização, alquilação, dessulfurização, dessalinização, desidratação e hidrogenação. O refino do petróleo constitui-se da série de beneficiamentos pelos quais ele passa para a obtenção de produtos. Refinar petróleo, portanto, é separar as frações desejadas, processá-las e industrializá-las, transformando-as em produtos vendáveis. Confira: • O objetivo inicial das operações na refinaria consiste em conhecer a composição do petróleo a destilar, pois são variáveis a constituição e o aspecto do petróleo bruto, segundo a formação geológica do terreno de onde ele é extraído. Há tipos leves e claros, outros marrons, amarelos, verdes; alguns pretos e outros, ainda, verde-escuros. • Nas refinarias, o petróleo é submetido a diversos processos pelos quais se obtém grande diversidade de derivados: gás liquefeito de petróleo (GLP) ou gás de cozinha, gasolina, naftas, óleo diesel, gasóleos, querosenes de aviação e de iluminação, óleo combustível, asfalto, lubrificantes, solventes, parafinas, coque de petróleo e resíduos. As parcelas dos derivados produzidos variam de acordo com o tipo de petróleo processado. Petróleos mais leves dão maior quantidade de gasolina, GLP e naftas, que são produtos leves. Já os petróleos pesados resultam em maiores volumes de óleos combustíveis e asfaltos. No meio da cadeia estão os derivados médios, como diesel e querosene. • A primeira etapa do refino é a destilação atmosférica, pela qual passa todo o petróleo a ser beneficiado. Ela se realiza em torres de dimensões variadas, que possuem, ao longo da coluna principal, uma série de pratos perfurados em várias alturas, um para cada fração desejada. O petróleo é pré-aquecido na retorta e introduzido na metade da torre de fracionamento. Como a parte de baixo da torre é mais quente, os hidrocarbonetos gasosos tendem a subir e se condensar ao passarem pelos pratos. Nessa etapa, são recolhidos como derivados da primeira destilação, principalmente, gás, gasolina, nafta e querosene. As frações retiradas nas várias alturas da coluna ainda precisam de novos processamentos para ser transformadas em produtos ou servir de carga para derivados mais nobres. • As frações mais pesadas do petróleo, que não foram separadas na primeira destilação, descem para o fundo da torre e vão constituir o resíduo ou a carga para uma segunda destilação, onde recebem mais calor, agora sob vácuo. Mais complexo, o sistema segue o mesmo processo dos pratos que recolhem as frações menos pesadas, como óleo diesel e óleo combustível. Na parte de baixo, é recolhido novo resíduo, que será usado para produção de asfalto ou como óleo combustível pesado. • A terceira etapa do refino consiste no craqueamento, que pode ser térmico ou catalítico. O princípio desses processos é o mesmo e se baseia na quebra de moléculas longas e pesadas dos hidrocarbonetos, transformando-as em moléculas menores e mais leves. O craqueamento térmico exige pressões e temperaturas


altíssimas para a quebra das moléculas, enquanto no catalítico o processo é realizado com a utilização de um produto chamado catalisador, substância que favorece a reação química, sem entrar como componente do produto. Uma série de outras unidades de processo transforma frações pesadas do petróleo em produtos mais leves e coloca as frações destiladas nas especificações adequadas para consumo. DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA E DESTILAÇÃO A VÁCUO A primeira etapa do processo de refino é a destilação atmosférica. O petróleo é aquecido e fracionado em uma torre que possui pratos perfurados em várias alturas. Como a parte inferior da torre é mais quente, os hidrocarbonetos gasosos sobem e se condensam ao passarem pelos pratos. Nessa etapa são extraídos, por ordem crescente de densidade, gases combustíveis, GLP, gasolina, nafta, solventes e querosenes, óleo diesel e um óleo pesado, chamado resíduo atmosférico, que é extraído do fundo da torre. Esse resíduo é então reaquecido e levado para uma outra torre, onde o seu fracionamento ocorrerá a uma pressão abaixo da atmosfera. Nesta torre será extraída mais uma parcela de óleo diesel e um produto chamado genericamente de Gasóleo, que não constitui um produto pronto. Ele servirá como matéria-prima para produção de gases combustíveis, GLP, gasolina e outros. O resíduo de fundo da destilação a vácuo é recolhido na parte inferior da torre e será destinado à produção de asfalto ou será usado como óleo combustível pesado. CRAQUEAMENTO Este processo quebra as moléculas de hidrocarbonetos pesados, convertendo-as em gasolina e outros destilados com maior valor comercial. Os dois principais tipos são o craqueamento térmico e o catalítico. O térmico utiliza calor e altas pressões para efetuar a conversão de moléculas grandes em outras menores e o catalítico utiliza um catalisador que é uma substância que facilita essa conversão, porém em condições de pressão mais reduzidas. Os catalisadores mais usados são: platina, alumina, bentanina ou sílica. Em ambos os tipos de craqueamento a utilização de temperaturas relativamente altas é essencial. POLIMERIZAÇÃO Por meio deste processo ocorre a combinação entre moléculas de hidrocarbonetos mais leves do que a gasolina com moléculas de hidrocarboneto de densidades semelhante. O objetivo do processo é produzir gasolina com alto teor de octano (hidrocarboneto com oito carbonos), que possui elevado valor comercial. ALQUILAÇÃO É um processo semelhante ao da polimerização. Também há conversão de moléculas pequenas de hidrocarbonetos em moléculas mais longas, porém difere da polimerização porque neste processo pode haver combinação de moléculas diferentes entre si. A gasolina obtida por meio da alquilação geralmente apresenta um alto teor de octanagem, sendo de grande importância na produção de gasolina para aviação. DESSULFURIZAÇÃO Processo utilizado para retirar compostos de enxofre do óleo cru, tais como: gás sulfídrico, mercaptanas, sulfetos e dissulfetos. Este processo melhora a qualidade desejada para o produto final. DESSALINIZAÇÃO E DESIDRATAÇÃO O objetivo destes processos é remover sal e água do óleo cru. Por meio dele o óleo é aquecido e recebe um catalisador. A massa resultante é decantada ou filtrada para retirar a água e o sal contidos no óleo.


HIDROGENIZAÇÃO Processo desenvolvido por técnicos alemães para a transformação de carvão em gasolina. Por meio deste processo, as frações do petróleo são submetidas a altas pressões de hidrogênio e temperaturas elevadas, em presença de catalisadores. PETRÓLEO Todo petróleo, em estado natural, é uma mistura de hidrocarbonetos, que são compostos formados por átomos de carbono e de hidrogênio. Além de tais hidrocarbonetos, o petróleo contém, em proporções bem menores, compostos oxigenados, nitrogenados, sulfurados e metais pesados, conhecidos como contaminantes. Conhecer a qualidade do petróleo a destilar, portanto, é fundamental para as operações de refinação, pois a sua composição e o seu aspecto variam em larga faixa, segundo a formação geológica do terreno de onde foi extraído e a natureza da matéria orgânica que lhe deu origem. Assim, há petróleos leves, que dão elevado rendimento em nafta e óleo diesel; petróleos pesados, que têm alto rendimento em óleo combustível; petróleos com alto ou baixo teor de enxofre e outros contaminantes, etc., sendo que o conhecimento prévio destas características facilita a operação do refino. A relação entre o tipo do petróleo e os rendimentos dos derivados obtidos é direta, pois um petróleo leve tem maior rendimento de produtos leves (GLP, nafta, óleo diesel) e menos rendimento de produtos pesados (óleos combustíveis e asfalto) do que um petróleo pesado, onde ocorre o inverso. A instalação de unidades de conversão, que transformam frações pesadas em frações mais leves, pode atenuar essa diferença em rendimentos, mas não consegue eliminá-la. Ao longo do tempo, a PETROBRÁS tem sempre procurado instalar unidades de conversão (craqueamento catalítico, coqueamento retardado, hidrocraqueamento, etc.) em suas refinarias, com a finalidade de diminuir a influência da natureza do petróleo nos rendimentos dos produtos obtidos. Na indústria de refino como um todo o principal objetivo é obter do petróleo processado o máximo possível de derivados de maior valor de mercado, o que eqüivale a reduzir ao mínimo a produção de óleo combustível. A PETROBRÁS, por deter o monopólio do refino no País, tem, adicionalmente, o objetivo de atender o mercado nacional de derivados em qualquer circunstância. Quais os principais produtos obtidos do petróleo? A PETROBRÁS produz, em suas refinarias, mais de 80 produtos diferentes. Abaixo, uma listagem básica de tais produtos, com a sua utilização principal.


Refinaria A refinaria é o nome usual para referir-se as destilarias de petróleo que realizam o processo químico de limpeza e refino do óleo cru extraído dos poços e minas de óleo bruto, produzindo diversos derivados de petróleo, como lubrificantes, aguarrás, asfalto, coque, diesel, gasolina, GLP, nafta, querosene, querosene de aviação e outros. O petróleo bruto (não processado) é composto de diversos hidrocarbonetos, com propriedades físico-químicas diferentes. Por isso, tem pouca utilidade prática ou uso. A refinaria é o nome usual para referir-se as destilarias de petróleo que realizam o processo químico de limpeza e refino do óleo cru extraído dos poços e minas de óleo bruto, produzindo diversos derivados de petróleo, como lubrificantes, aguarrás, asfalto, coque, diesel, gasolina, GLP, nafta, querosene, querosene de aviação e outros. O petróleo bruto (não processado) é composto de diversos hidrocarbonetos, com propriedades físico-químicas diferentes. Por isso, tem pouca utilidade prática ou uso. No processo de refino, os hidrocarbonetos são separados, por destilação, e as


impurezas removidas. Refino Principais produtos • Asfalto • Diesel / óleo diesel • Nafta • Óleo combustível • Gasolina • Querosene e querosene de aviação • Gás liqüefeito de petróleo • Óleos lubrificantes • Ceras de parafinas • Coque • petroleo Processos comumente encontrados em uma refinaria • Dessaltação : proceesso de remoção de sais do óleo bruto. • Destilação atmosférica: processo em que o óleo bruto é separado em diversas frações sob pressão atmosférica. • Destilação à vácuo: processo em que o resíduo da destilação atmosférica é separado em diversas frações sob pressão reduzida. • Hidrotratamento • Reforma catalítica • Craqueamento/cracking catalítico: processo em que moléculas grandes (de menor valor comercial) são "quebradas" em moléculas menores (de maior valor comercial) através de um catalisador. • Tratamento Merox • Craqueamento/cracking retardado/térmico: proceesso em que moléculas grandes (de menor valor comecial) são "quebradas" em moléculas menores (de maior valor comercial) pela ação de temperaturas elevadas. • Alquilação / alcoilação

APOSTILA PETROBRAS - NOÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO

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