Instrumentação e Controle de Processos...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

Instrumentação e Controle de Processos

Petroquímicos

Álvaro Luiz Longo

Florianópolis, Junho de 2003

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina

Relatório Final de Bolsista Aluno

Período informado

Junho de 2001 a Maio de 2003

Identificação

Nome: Álvaro Luiz Longo

CPF: 026.239.409-08

Matrícula PRH-ANP/MCT N0: 2001.0483-2

Tipo de Bolsa: Graduação

Orientador: Prof. Dr. Ariovaldo Bolzan

Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Antonio Francisco Machado

Tema: Instrumentação e Controle de Processos Petroquímicos

Em Florianópolis, Junho de 2003


Agradecimentos

À UFSC, pela estrutura fornecida;

Ao LCP, pela eminente participação no desenvolvimento do trabalho;

Aos orientadores, prof. Ariovaldo e prof. Ricardo, pela dedicação e

paciência;

Aos colegas Gustavo e Cintia, pela colaboração; Agradeço ainda o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo (ANP) e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), por meio do Programa de Re-cursos Humanos da ANP para o setor do Petróleo e Gás PRH-34/ANP/MCT;

À Deus e à minha família, que estiveram sempre olhando por mim.


Resumo

A indústria petroquímica tem por objetivo obter, a partir do petróleo bruto,

produtos de alto valor comercial e de maior utilidade industrial, seja para fins

energéticos, ou como matéria-prima para a indústria petroquímica. Seus

processos são complexos, geralmente operam com grandes volumes de produção

e em condições restritas. O controle da operação em condições ótimas e estáveis

é importante para manter a qualidade dos produtos obtidos e a segurança da

planta.

A implementação de um sistema de controle para uma indústria

petroquímica é uma tarefa complexa, que para ser eficiente necessita de muitos

conhecimentos. Desde a instrumentação, passando por modelos dinâmicos e

métodos de projetos e estratégia de controle, as ações têm que ser

adequadamente integradas para que a planta opere em condições desejadas com

segurança e lucratividade.

Neste trabalho, buscou-se realizar as atividades relacionadas ao controle e

instrumentação de processos da indústria petroquímica. O desenvolvimento foi

dividido em duas etapas: a primeira, relacionada a colunas de destilação, foi

realizada no LCP, onde foi projetada, construída e instrumentada uma coluna de

destilação em escala piloto. A segunda etapa, foi desenvolvida em escala

industrial, envolvendo a instrumentação para o controle de um reator que opera

em batelada para a produção de poliestireno expansível.


Abstract

Petrochemical industry aims to made high value products with greater utility

to other industries, used as energy source or as raw materials to the manufacture

industries. Its processes are complex, and often operate great production volumes,

under restrict conditions. The operations control under optimum and stable

conditions is important to maintain the products quality and the plant safety.

The implementation of a control system in a petrochemical industry is a

complex task, that requires many knowledge to be efficient. From the

instrumentation, to dynamic models, design methods and control strategies, the

actions may be adequately integrated to the plant operate under the desired

conditions, with safety and profitability.

In this work, it’s aimed to carry through the activities related to process

control and instrumentation on the petrochemical industry. The development was

divided in two stages: the first one, related the destillation columns, was carried

through in the LCP, where a pilot scale distillation column was projected,

constructed and instrumented. The second stage, was developed in industrial

scale, involving the instrumentation for the control of a batch reactor for the

production of expandable polystyrene.


Sumário

Sumário ....................................................................................................... 1

Simbologia .................................................................................................. 6

Capítulo 1: Introdução................................................................................ 7

Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos................................ 12

2.1: Controle de colunas de destilação ................................................... 14

2.2: Controle de reatores de polimerização............................................. 24

Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação ............................................... 28

3.1: Dimensionamento ............................................................................ 29

3.2: Construção da unidade piloto........................................................... 35

3.3: Instrumentação................................................................................. 40

3.3.1: Descrição dos sensores ............................................................ 41

3.3.2: Descrição dos elementos finais de controle .............................. 44

3.4: Controle distribuído .......................................................................... 46

Capítulo 4: Instrumentação da Planta de Polimerização Industrial ..... 48

Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas.................................................. 52

Anexos....................................................................................................... 54

Bibliografia ................................................................................................ 63


Simbologia

Di – diâmetro interno da coluna

Fl – vazão de alimentação

H – altura da coluna

Hs – espaçamento entre os pratos

Hx – altura extra

M – peso molecular da fase vapor

Na – número real de pratos

N – número de pratos teórico

Qb – calor fornecido ao refervedor

R – razão de refluxo

Sb – área de borbulhamento

T – temperatura

u – velocidade do vapor

Letras gregas

ηo – eficiência global da coluna

ρv – densidade do vapor

6


Capítulo 1: Introdução

Mudanças permanentes das condições de mercado e operação das

plantas em condições limites tornam extremamente difícil a manutenção dos

processos nos pontos de máxima lucratividade. Morari et al. [1] citam a integração

da medição, controle, otimização e logística como o modo mais eficaz de gerar

lucros atendendo as variações de mercado, com o mínimo de investimentos.

Segundo Shinskey [2], o principal benefício da implementação ou da

melhoria de um sistema de controle é o incremento na recuperação do produto

mais valioso. Para produtos finais de um processo, recuperação é definida como a

quantidade de produto “que ser possa vender” gerado por unidade do componente

que foi alimentado. Uma vez que quantidade e qualidade são inversamente

proporcionais, o aumento na qualidade reduz a quantidade, ou seja a

recuperação. Assim, a solução para incrementar a recuperação de um

determinado produto é operar o mais próximo possível e com menor tempo de

desvio das especificações de qualidade do produto. Esta é uma meta

freqüentemente difícil de alcançar em processos envolvendo destilações devido à

presença de tempos mortos. Esta característica leva a tempos de operação

consideráveis, ou seja, leva a desvios das especificações de qualidade do produto

quando ocorre alguma perturbação no processo.

As operações físicas e químicas envolvidas no refino de petróleo têm por

objetivo a obtenção de produtos de maior valor comercial, que atendem as

necessidades das indústrias para fins energéticos (gasolina, óleo Diesel,

querosene, etc.) e matéria-prima (óleos lubrificantes, nafta petroquímica, etc.).

A indústria petroquímica é o setor industrial que compreende a fabricação

de produtos químicos como plásticos, fertilizantes, entre outros, a partir dos

derivados de petróleo ou gás natural. Este setor apresenta características

inerentes à indústria química dita pesada, necessitando de suprimento abundante,

contínuo e regular de matérias-primas com preços competitivos, devido à elevada

7

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina escala de produção e do emprego de processos contínuos e automatizados.

Apresenta, geralmente, expressivo custo operacional, alto investimento para

implantação e participação relativamente baixa da mão-de-obra no custo final do

produto. Requer ainda elevado apoio de utilidades (água, vapor, energia elétrica,

etc.) e de facilidades (transporte, armazenamento, manuseio, etc.).

Cabe ressaltar que a indústria petroquímica parte de um pequeno número

de matérias primas (nafta, gás natural, gasóleo, etc.) e os produtos resultantes

(eteno, propeno, butadieno, benzeno, tolueno, amônia, metanol, etc.) constituem a

base de várias famílias de numerosos produtos. Há ainda a elevada valorização

advinda dessa transformação e a exigência da pesquisa científica e tecnológica

necessária para o desenvolvimento de novos processos e produtos, além do

aprimoramento dos processos já existentes [3].

Além da utilização de seus derivados para fins energéticos, o petróleo é a

principal matéria-prima para a indústria petroquímica. A partir da nafta e do

gasóleo, são produzidos os chamados produtos petroquímicos básicos: eteno,

propeno, butadieno e os aromáticos (benzeno, tolueno e xilenos). Os produtos

petroquímicos básicos, podem obtidos ainda a partir do álcool, carvão e gás

natural. Essa etapa é desenvolvida nas chamadas indústrias petroquímicas de primeira geração. Nas unidades petroquímicas de segunda geração, esses

produtos são convertidos em produtos petroquímicos intermediários, como

cloreto de vinila, estireno, fenol, óxido propeno, etc.

Nas petroquímicas de terceira geração, os produtos intermediários são

utilizados para a produção dos produtos petroquímicos finais, onde se

destacam os plásticos, fibras, elastômeros, explosivos e os fertilizantes e

defensivos agrícolas nitrogenados. A Figura 1 apresenta o esquema geral de

processamento na indústria petroquímica.

Dentro das indústrias petroquímicas, destacam-se as indústrias de polímeros, que através de reações de polimerização convertem derivados de

petróleo em materiais plásticos (p.e. polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.).

São consideradas indústrias petroquímicas de terceira geração, e respondem por

8

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina grandes volumes de consumo de derivados não-energéticos oriundos das

refinarias em todo o mundo. No caso dos plásticos, as resinas obtidas nas

indústrias de terceira geração passam pelas indústrias de transformação

(petroquímicas de quarta geração), onde são produzidos os artefatos plásticos,

de reconhecida utilidade para o ser humano.

FIGURA 1 – Esquema de processamento na indústria petroquímica

Os processos da indústria de petróleo e petroquímica têm como

características grandes volumes de operação e forte dependência de variáveis

termodinâmicas, como temperaturas e pressões, e variáveis de processo, como

vazões e composições. Dessa forma, ressalta-se as seguintes peculiaridades

deste tipo de indústria:

a) Porte elevado, atendendo uma escala de produção competitiva;

b) Pesquisa e desenvolvimento intensivos;

c) Comercialização e assistência técnica especializadas;

d) Busca contínua por otimização dos processos e operações;

Essas características ressaltam a importância do controle destes

processos, com o objetivo de manter as operações em um estado adequado para

se obter altos rendimentos, bom funcionamento de equipamentos e produtos de

qualidade desejada. Quando um desses processos atinge uma condição de

estabilidade, acaba gerando severas conseqüências para a produção da indústria.

9


O projeto completo do sistema de controle de um processo envolve vários

procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da

engenharia, tais como:

a) A mecânica dos fluidos, para a especificação de bombas,

dimensionamento de tubulações, o tamanho de trocadores de calor, a potência de

compressores;

b) A transferência de calor, para a determinação da quantidade de calor

para o aquecimento (ou resfriamento) de reatores químicos, pré-aquecedores,

caldeiras de recuperação e o dimensionamento de condensadores;

c) A cinética das reações químicas, para o dimensionamento de

reatores, para a escolha das condições de operação (pressão, temperatura,etc.) e

dos catalisadores;

d) A termodinâmica, para os cálculos de transferência de massa, relações

de equilíbrio e balanço de energia.

Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de

controle adequado para o processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a

simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o seu entendimento e

da sua dinâmica.

O presente trabalho tem por objetivo projetar e implementar a

instrumentação necessária para a automatização e controle em processos

petroquímicos. Para tal, foram estudados dois casos: o primeiro, uma unidade

piloto de destilação, localizada no Laboratório de Controle de Processos do

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da

Universidade Federal de Santa Catarina. O desenvolvimento dessa etapa incluiu

o projeto e a construção da coluna de destilação. Na unidade serão testadas as

estratégias desenvolvidas para o controle de colunas de destilação. O segundo

caso foi desenvolvido na unidade industrial de polimerização para a produção de

poliestireno expansível, localizada na empresa Termotécnica LTDA., na cidade de

10

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina Joinville – SC. O objetivo dessa etapa é a implementação do controle dos reatores

de polimerização, já desenvolvido em escala piloto, bem como a automatização de

todo o processo.

A seguir será apresentada uma revisão bibliográfica sobre controle de

processos da indústria petroquímica, sendo destacadas as colunas de destilação e

os reatores de polimerização. Na sequencia, é descrito o projeto e a construção da

coluna de destilação, seguido pela instrumentação da coluna e dos reatores de

polimerização. O desenvolvimento foi financiado pela Agência Nacional de

Petróleo (ANP), através do PRH-ANP/MCT Nº 34.

11


Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos

A necessidade de diminuir as variações existentes na qualidade dos

produtos, em conjunto com as rigorosas regulamentações ambientais que vigentes

sobre as indústrias de processos químicos, motivam o aperfeiçoamento dos

sistemas de controle, bem como a forma de controlar estes processos. Os

sistemas de controle de processos são desenvolvidos com o objetivo de

maximizar a produção e minimizar os seus custos, eliminando riscos inerentes ao

processo e aumentando a qualidade dos produtos.

Para um processo alcançar uma situação de elevada produtividade,

obtendo produtos com qualidade e baixos custos, atendendo às exigências da

legislação ambiental e respeitando as condições de segurança, é necessária a

implementação de técnicas cada vez mais avançadas referentes à otimização,

supervisão e controle de processos. A supervisão e o controle do processo são

passos importantes para a sua otimização. Entretanto, a maioria dos

pesquisadores procura implementar as novas técnicas de controle em processos

complexos para testar a sua eficiência, ao invés de procurar a melhor técnica para

o controle de um processo específico [4].

A implementação de um sistema de controle em um processo passa

necessariamente pela especificação das variáveis controladas e manipuladas e da

instrumentação de controle. Adicionalmente, os sistemas de controle podem ser

instalados de tal maneira que possam ser integrados a um sistema de supervisão.

Isso possibilita a disponibilização de informações sobre o estado da planta em

tempo real, programação e controle de produção, determinação de custos, etc. No

entanto, quando não há integração entre o projeto do sistema de controle e o

projeto do processo, existe a possibilidade de uma instrumentação redundante ou

insuficiente para a implementação do controle [5]. Isso ressalta a necessidade de

uma análise rígida a respeito da instrumentação do processo, como parte do

projeto do sistema de controle.

12


Os processos da indústria de petróleo e gás natural caracterizam-se por

apresentar dinâmicas bastante complexas e grande grau de interação entre as

suas variáveis. Estes processos costumam apresentar ainda elevados atrasos e

não-linearidades em seu comportamento dinâmico, o que dificulta o projeto e

implementação de sistemas de controle [6].

O objetivo da implementação de um sistema de controle é baseado na

segurança do processo, especificação dos produtos, regulamentação ambiental,

restrições de operação e necessidade de economia no processo. Um sistema de

controle deve atender as seguintes necessidades:

a) Rejeitar perturbações externas;

b) Efetuar, de forma adequada, as transições entre condições de operação;

c) Garantir a estabilidade;

d) Otimizar a performance do processo.

O controle de processos, quando aplicado de forma adequada, resulta em

certos benefícios para o processo, como:

a) Maior qualidade do produto;

b) Estabilidade operacional;

c) Maior eficiência no uso de matérias-primas e energia;

d) Maior produtividade do processo;

e) Menor desgaste dos equipamentos;

f) Redução do impacto ambiental;

g) Maior segurança da planta.

O conjunto desses benefícios reflete em um melhor resultado econômico do

processo. Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda

13

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina menores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes

graus ou especificações, como ocorre freqüentemente nas indústrias de refino de

petróleo e petroquímicas. Inevitavelmente, durante a transição haverá um período

em que serão gerados produtos fora de especificação. Nesse caso, o objetivo do

sistema de controle é minimizar a duração dessa transição, respeitando as

restrições que lhe são impostas.

2.1: Controle de colunas de destilação

O fracionamento inicial do petróleo envolve a destilação do material em

diversas frações, de acordo com a faixa de ebulição. Estas são normalmente

dependentes da natureza e composição do óleo. Os principais produtos obtidos

são o gás liquefeito de petróleo (GLP), nafta, gasolina, óleo Diesel, querosene,

gasóleos, óleos combustíveis e asfalto. As naftas são as precursoras da gasolina,

além de, juntamente com o eteno, propeno e butadieno, formar a base de matérias

primas para a indústria petroquímica.

A separação por destilação é responsável por um grande número de etapas

do processo de refino de petróleo. Altas capacidades de produção demandam por

equipamentos de grande porte. O comportamento dinâmico destas operações é

bastante lento, o que aumenta a importância de um sistema de controle

apropriado e que minimize os estados transientes oriundos de alterações entre

condições de operação, seja por uma mudança desejada dessas condições, seja

pela incidência de perturbações imprevistas.

Uma refinaria consiste em uma rede complexa de processos unitários

integrados com o objetivo de produzir uma grande variedade de produtos a partir

do óleo cru. O desempenho, tanto econômico como operacional da refinaria

depende da correta operação de todas as unidades, que via de regra operam de

forma contínua. Além disso, a característica dinâmica desses processos é típica

14

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina de processos lentos, com constantes de tempo e atrasos muito altos, devido ao

grande porte das unidades de processamento.

A Figura 2 ilustra um exemplo geral de uma refinaria, destacando seus

principais processos. Os processos são divididos em processos de separação,

tratamento e conversão, conforme apresenta a Figura 3. Entre os processos de

separação, destacam-se as operações de destilação atmosférica e destilação a

vácuo, que são as operações primárias de uma refinaria, onde o petróleo cru é

separado em frações que darão origem a todos os produtos obtidos ao final do

processamento.

FIGURA 2 - Esquema dos processos de uma refinaria de petróleo

Segundo Brandon et al. [7], as refinarias de petróleo são excelentes

candidatos à estudos de otimização devido a:

a) Existência de inúmeros graus de liberdade, necessários para satisfazer

exigências de segurança, qualidade de produto e taxa de produção;

15


b) Mudanças freqüentes em condições de alimentação e entrega de

produtos;

c) Existência de modelos e dados físicos razoáveis;

d) Movimentação de grandes quantias de dinheiro;

e) Alto grau de automatização.

PetróleoDerivados dePetróleoProcessos de

separação

Pré-vaporizaçãoDestilação atmosféricaDestilação a vácuoDesasfaltação a propanoDesaromatização a furfuralDesparafinação a MIBCDesoleificação a MIBCExtração de aromáticosAbsorção de n-parafinas

Processos deconversão

HCCFCCCraqueamento térmicoViscoreduçãoReforma catalíticaAlcoilação catalíticaCoqueamento retardado

Processos detratamento

Tratamento cáusticoTratamento MeroxTratamento BenderTratamento DEA

FIGURA 3 - Classificação dos processos de refino de petróleo

É necessário estudar novos sistemas de controle para as operações de

refino de petróleo, uma vez que os projeto das refinarias atualmente em operação

datam de algumas décadas, quando não havia disponibilidade de tecnologia como

atualmente [8]. No Brasil, as refinarias processam quantidades próximas de suas

capacidades nominais, conforme é apresentado na Figura 4. Isso ressalta a

necessidade de incrementar a capacidade de produção dessas refinarias, através

da otimização dos processos com a implementação de sistemas de controle mais

eficientes.

A destilação pode ser caracterizada como um processo com restrições,

acoplado, não estacionário, não linear e que possui comportamento altamente

dinâmico [9]. Em muitos casos, o processo de destilação precede as etapas finais

da manufatura de um produto. Se a destilação passar por instabilidades, pode

comprometer também a qualidade dos produtos finais. Em virtude destas razões e

16

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina de acordo com Remberg et al. [10] o projeto de sistemas de controle para essa

operação pode ser dividido em cinco partes:

a) Formulação dos objetivos de controle;

b) Seleção da configuração de controle;

c) Análise da estrutura de controle;

d) Projeto dos controladores;

e) Simulação do sistema proposto.

A execução dessas etapas, na ordem afirmada, deve ser seguida para uma

correta implementação de um sistema de controle.

FIGURA 4 – Volume de produção e capacidade nacional das refinarias nacionais

Este autor afirma também que o controle de uma coluna de destilação pode

ser abordado sob cinco aspectos. São eles: (1) especificação dos produtos, (2)

variações na qualidade, (3) recuperação do produto, (4) custo das utilidades e (5)

17

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina práticas de operação. Para atender estes aspectos inúmeras estratégias e

técnicas de controle podem ser aplicadas conforme a dificuldade de um processo

de destilação em específico. Antes de apresentar estas dificuldades e técnicas de

controle serão abordadas as possibilidades de configuração das malhas de

controle existentes em uma coluna.

O controle de uma coluna de destilação visa basicamente atender a três

objetivos:

a) Manter estável as condições de operação da coluna;

b) Regular as condições de operação para que os produtos mantenham-se

dentro dos padrões de qualidade impostos;

c) Atingir esses dois objetivos de maneira mais eficiente possível.

A Figura 5 apresenta as variáveis tipicamente controladas em uma coluna

de destilação sem retiradas laterais. São elas: pressão na coluna, nível de líquido

acumulado na base da coluna e no acumulador de condensado, e a composição

dos produtos de base e de topo [11]. Essas variáveis podem ser classificadas

como:

a) Variáveis de operação: Incluem a pressão e os níveis de líquido citados.

O controle destas variáveis visa atender o primeiro objetivo citado, isto é, manter

as condições de operação estáveis. Essas condições são determinadas

considerando apenas a estabilidade do processo, sem levar em conta as

especificações dos produtos.

b) Variáveis de qualidade dos produtos: São as composições das correntes

do topo e da base. São reguladas para atender o segundo objetivo, ou seja,

18

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina alcançar as especificações desejadas aos produtos. Essas variáveis são

determinadas apenas pela pureza dessas correntes.

TT

PT

QC

TCLC

QC

PC

QC

D

B

LC

F

Legenda

Válvula de controle

Trocador de calor

Controlador de nível

Controlador de qualidade (composição)

Transmissor de temperatura

Transmissor de pressão

TTTT

PTPT

QCQC

TCTCLC

QC

PC

QC

D

B

LC

F

Legenda


Trocador de calor





FIGURA 5 - Variáveis controladas e correntes manipuladas em uma coluna típica

O controle da composição pode ser feito diretamente, usando medidas de

composição das correntes dos produtos, ou indiretamente, medindo uma ou mais

propriedades físicas que representem a composição. Entretanto, não existem

atualmente instrumentos capazes de medir diretamente a composição química das

correntes em linha. Assim, são mais utilizadas as técnicas indiretas, através da

medição de propriedades como índice de refração, densidade, pressão de vapor,

ponto de congelamento ou, o mais comum, a temperatura do estágio de equilíbrio.

De fato, o controle da temperatura é o mais rápido, mais barato e o mais popular

entre os citados acima [12].

19


Resumindo, em uma coluna de destilação típica, além de manter a

condição de estado estacionário para as correntes de alimentação, produtos de

base e topo e refluxo, são controladas cinco variáveis. Três delas (pressão e os

níveis acumulados) são controladas para manter a estabilidade da operação, e as

outras duas (composição dos produtos), para atender as especificações de

qualidade dos produtos. O controle das variáveis citadas é feito através da

manipulação da vazão de cinco correntes: produto de topo e de base, resfriamento

do condensador (água), aquecimento do refervedor (vapor) e a razão de refluxo.

Essas vazões são manipuladas pela abertura de válvulas de controle,

posicionadas conforme apresenta a Figura 5.

Na sua essência, o projeto de um sistema de controle para uma coluna de

destilação é realizado pelo emparelhamento das cinco variáveis controladas com

as cinco variáveis manipuladas. Dessa maneira, 5! (=120) combinações são

possíveis, mas é fácil perceber que apenas algumas delas são possíveis de serem

utilizadas. Para a escolha desses emparelhamentos deve-se levar em conta a

interação entre todas as variáveis envolvidas, para selecionar as combinações

mais eficientes para o controle de toda a operação. A Figura 6 apresenta as

principais soluções possíveis para esse problema. Algumas regras práticas para a

correta definição dos emparelhamentos são apresentadas por Kister [11].

Em uma condição ideal, tanto a composição do produto do topo quanto da

base devem ser controlados. Mas na prática, se a composição da corrente de

alimentação é mantida constante, ou se existe interesse apenas em um dos

produtos, basta controlar a composição de apenas uma das duas correntes de

saída. [11]. Isto resulta em quatro variáveis a serem controladas, contra cinco

correntes manipuladas. A quinta corrente, chamada de corrente livre,

normalmente tem a sua vazão controlada. Essa corrente é normalmente o vapor

alimentado ao refervedor (Figura 6 b, d), ou a razão de refluxo (Figura 6 a, c).

Nos casos mais comuns, a pressão no topo da coluna e o nível do

acumulador são controlados manipulando-se a vazão de água no condensador ou

20


LC

PC

D

B

F

FC

TC

LC

Legenda


Trocador de calor

Medidor de vazão

Controlador de temperatura



Controlador de vazão


Transmissor de pressãoTT

PT

QC

TC

FC

LC

Legenda


Trocador de calor

Medidor de vazão

Controlador de temperatura



Controlador de vazão


Transmissor de pressãoTTTT

PTPT

QCQC

TCTC

FCFC

LCLC

LC

PC

D

B

F

FC

TC

LC

FIGURA 6 - Alternativas de controle de colunas de destilação.

21


LC

PC

D

B

LC

F

FC

TC

LC

PC

D

B

F

FC

LC

TC

FIGURA 6 (continuação) - Alternativas de controle de colunas de destilação

22

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina pela vazão do produto de topo (Figura 6 a, b, c, d). O nível da base é controlado

pela vazão do produto da base (Figura 6 a, b, c, d), enquanto a composição dos

produtos (controlando indiretamente a temperatura da coluna) é controlada pela

vazão de vapor no refervedor (Figura 6 a, c), pela razão de refluxo (Figura 6 b) ou

pela vazão do produto de topo (Figura 6 d).

Entre as técnicas aplicadas para controlar os parâmetros de uma coluna de

destilação, o controle multivariável apresenta maior facilidade de implementação.

De fato, diversos estudos são realizados com esta abordagem [12] . Algumas

estratégias avançadas de controle em destilação tem sido estudadas e

apresentadas na literatura com o objetivo de formular algoritmos de otimização e

controle, buscando o melhor ajuste de parâmetros como volume de produção,

recuperação de produto, e melhora nos perfis transientes da coluna. Estes

estudos enfocam principalmente controle multivariável com restrições [13],

modelagem neuro-fuzzy [14] e redes neurais [15, 16].

Porém estas estratégias continuam abordando o controle do processo

através de variáveis como fluxo de vapor no refervedor, controle do destilado e da

alimentação. Alguns trabalhos relatam as mesmas técnicas de controle preditivo

abordadas no estudo de controle de uma coluna de destilação [17, 18, 19, 20, 21].

No entanto, essas propostas mantêm as ações de controle concentradas nos

mesmos pontos dos sistemas de controle convencionais, e por isso são pouco

eficientes quando se deseja reduzir os tempos de transição entre dois estados de

operação de uma coluna.

Considerando as dificuldades inerentes ao processo, é proposta a inclusão

elementos de aquecimento localizados diretamente nos estágios de equilíbrio da

coluna de destilação, tornando mais próximas a ação de controle e a variável a ser

controlada. Essa ação visa tornar mais eficiente o controle do perfil de temperatura

ao longo da coluna, sob a forma de uma estratégia de controle distribuído, através

da qual pretende-se reduzir o intervalo de transição entre os estados estacionários

e minimizar o tempo que a coluna opera fora das condições especificadas.

23


2.2: Controle de reatores de polimerização

Durante o século XX a indústria de polímeros passou por grandes

desenvolvimentos, quando materiais plásticos passaram a substituir a madeira, o

vidro, os metais, as fibras naturais, etc. Esta evolução gerou a necessidade de

automatização e controle de reatores de polimerização, com o propósito de reduzir

custos de mão-de-obra, melhorar a qualidade dos produtos e aumentar o grau de

segurança da operação.

A temperatura e a pressão exercem forte influência sobre a cinética das

reações químicas. No caso de reações exotérmicas, o calor liberado pela reação

pode por em risco a segurança do processo. Nesse ponto, o controle dessas

variáveis torna-se imprescindível para a operação adequada desses processos.

A possibilidade de se controlar as propriedades de polímeros, como a

distribuição de peso molecular (MWD) e de tamanho de partículas (DTP) é de

grande importância industrial, pois essas propriedades influenciam diretamente na

qualidade do produto. No entanto, é difícil a implementação de sistemas on-line

para o monitoramento dessas propriedades, principalmente pela falta de

instrumentação adequada. Para contornar esse problema, a maioria das

estratégias monitora indiretamente essas propriedades através de variáveis de

fácil medição, como temperatura, pressão e velocidade de agitação, fazendo uso

de modelos matemáticos da reação de polimerização.

Do ponto de vista operacional, uma planta operando em regime contínuo é

muito mais produtiva do que se operasse em regime de batelada. Porém devido

ao alto valor agregado de alguns produtos, como fármacos, por exemplo, ou à

dificuldade de condução de algumas reações em regime contínuo, como reações

de polimerização em suspensão, estes sistemas são, preferencialmente,

conduzidos em regime de batelada [22].

24


Basicamente, dois fatores diferem os processos batelada dos contínuos. O

primeiro está relacionado com a trajetória de partida da planta. Em processos

contínuos, esta etapa deve ser realizada de maneira segura, enquanto que num

processo de batelada, além de segura deve ser rápida e, preferencialmente, sem

sobreelevações. Em alguns casos o ciclo de operação é de apenas algumas

horas, e uma partida lenta pode elevar significativamente o ciclo da batelada e os

custos de produção.

O segundo fator de diferenciação está relacionado à manutenção das

condições ideais de operação após a partida. Em processos contínuos, esta etapa

se inicia quando o estado estacionário é atingido e, então, as condições de

operação e as propriedades físicas do meio permanecem aproximadamente

constantes. Nesse caso, esse estado deve ser mantido por um longo intervalo de

tempo. Por outro lado, nos processos batelada e semi-batelada, se um estado

estacionário de operação é atingido, sua duração é pequena, em relação a um

processo contínuo.

Desta forma, define-se que a melhor partida de um reator é aquela que faz

uma transição rápida e segura das condições iniciais até as condições de

operação e, preferencialmente, sem sobreelevações.

Muitos trabalhos apresentam o desenvolvimento de sistemas de controle

que buscam alcançar essa condição ideal. O desenvolvimento da eletrônica e da

microinformática facilitou o surgimento e a aplicação dessas técnicas. Modelos

matemáticos passaram a ser aplicados na etapa de projeto de sistemas de

controle.

Sobre as indústrias petroquímicas, mais especificamente as indústrias de

polímeros, são raras as publicações sobre controle de reatores em regime

batelada que apresentam resultados experimentais em nível industrial [22]. A

utilização de um controlador utilizando lógica Fuzzy para o controle de reatores de

polimerização em batelada é proposta por Mazzucco [23]. A maioria dos trabalhos

se concentra em resultados obtidos através de simulações, cuja implementação é

mais fácil e de menor custo, por não necessitar de equipamentos e

25

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina instrumentação, não consumir reagentes, insumos e utilidades, e gerar resultados

mais rapidamente. No entanto, resultados validados experimentalmente são mais

valiosos e seguros para serem extrapolados a nível industrial.

O controle de reatores de polimerização é uma tarefa árdua, onde se

encontram as seguintes dificuldades:

a) Dificuldade na especificação do objetivo de controle;

b) Grande variação de viscosidade do meio;

c) Alta exotermicidade das reações de polimerização;

d) A dinâmica do processo geralmente é bastante complexa;

e) Dificuldades na realização de medidas on-line das propriedades do

polímero, devido à falta de instrumentação adequada.

Sob este enfoque, na segunda etapa do trabalho, foi realizada a

instrumentação de uma unidade industrial de polimerização para a produção de

poliestireno expansível, realizado na empresa Termotécnica LTDA. A

instrumentação é necessária para a automatização do processo e controle dos

reatores de polimerização. As variáveis controladas são a temperatura e a pressão

do reator e da camisa de aquecimento e refrigeração, além da velocidade de

agitação do reator.

Algumas técnicas de controle de reatores de polimerização em batelada já

foram desenvolvidas e implementadas em escala piloto no Laboratório de Controle

de Processos (reator de 5 l – Figura 7) e na Termotécnica (250 l). [22, 23, 24, 25,

26]. A instrumentação tem por objetivo permitir a implementação de um sistema de

controle utilizando lógica Fuzzy nos reatores industriais (20.000 l). A

automatização da planta de polimerização tem por objetivo minimizar a

interferência da ação humana e por conseqüência aumentar a segurança e

confiabilidade do processo.

26


FIGURA 7 – Reator piloto de polimerização

Controlando as variáveis do processo de polimerização, é possível atingir

os níveis de qualidade dos polímeros a cada batelada, mantendo sob controle as

propriedades como as distribuições de peso molecular e de tamanho de

partículas. Além disso, o processo é conduzido de forma segura e eficiente,

contendo as sobreelevações de temperatura causadas pela liberação de calor

proveniente da reação (exotérmica).

27


Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação

No desenvolvimento de técnicas destinadas a processos industriais, é

adequado que estudos preliminares sejam realizados em equipamentos de menor

porte. Neste caso, experimentos em escala laboratorial e piloto são próprios para

suprir essa necessidade. Paralelamente a simulações numéricas, os resultados

obtidos podem ser extrapolados às dimensões industriais, respeitando-se alguns

parâmetros e proporções próprios para cada tipo de processo. Ainda, ensaios em

escala piloto são mais ágeis, despendem menores recursos e geralmente não

comprometem o processo produtivo de uma indústria, o que muitas vezes

inviabiliza testes em plantas industriais.

Aliado a estes motivos, o fato de não haver uma coluna de destilação em

escala piloto com instrumentação adequada, disponível para a realização de

experimentos de controle, justifica a necessidade de projetar, construir e

instrumentar uma unidade experimental de destilação, onde serão testadas as

estratégias de controle propostas para essa operação a nível industrial.

A coluna de destilação foi projetada para a separação de misturas

multicomponentes, operando em regime contínuo com recirculação das correntes

produzidas. A configuração do interior é do tipo pratos perfurados, dispondo de

pontos de aquecimento e retiradas laterais em todos os estágios de equilíbrio. A

coluna tem configuração modular, tornando-se flexível em relação ao número de

estágios. Além do dimensionamento e construção da coluna, foram projetados e

construídos (ou adquiridos) todos os equipamentos periféricos necessários para a

sua operação, como bombas, tanques, tubulações, instrumentação, utilidades e

obras de infra-estrutura.

A proposta de controle apresenta a inclusão de pontos de aquecimento

distribuídos, localizados junto aos pratos da coluna, objetivando descentralizar as

ações de controle em relação à base e topo da coluna. Essa técnica deve ser

testada experimentalmente na planta piloto, onde os resultados obtidos sejam

28

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina representativos o suficiente para que possam ser implementados processos de

destilação de unidades industriais, especialmente na indústria de petróleo.

Dessa maneira, pretende-se em um primeiro estágio obter uma estratégia de

controle de uma coluna de destilação, caracterizada como uma abordagem de

controle distribuído, que seja capaz de minimizar as variações que ocorrem nos

processos de destilação atmosférica de petróleo. A unidade piloto será utilizada

ainda para a realização de outros trabalhos do PRH-ANP/MCT Nº 34 sobre

controle de colunas de destilação, além de sua utilização para fins didáticos no

ensino de controle de processos.

3.1: Dimensionamento

O dimensionamento de um equipamento é uma parte fundamental do seu

projeto. O comportamento dinâmico e a eficiência do processo dependem

diretamente das dimensões do equipamento, o que acaba se refletindo sobre o

desempenho dos controladores que lhe são implementados. Por esse motivo,

muita atenção é dada para o dimensionamento de equipamentos dentro do ensino

de engenharia química, especialmente no campo de projetos.

Em colunas de destilação, o primeiro passo para o dimensionamento é o

cálculo do número de estágios de equilíbrio. O método mais utilizado é o de

McCabe-Thiele, mas este é aplicado apenas para misturas binárias. Como o

sistema proposto é multicomponente, cálculos mais rigorosos são necessários.

Uma forma simplificada de realizar esses cálculos é obter o número mínimo de

estágios em simuladores comerciais [27], que foi o método utilizado nesta etapa.

Neste método, usa-se o critério de busca da menor coluna em que há

convergência, que é função do número de estágios e da posição ótima de

alimentação. Esta análise foi realizada estudando-se dois casos, os quais

pretende-se utilizar nos experimentos: no primeiro, foi testada a alimentação com

29

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina uma mistura de isômeros de butanol, onde o número mínimo de estágios teóricos

encontrado foi quatro. No segundo caso, foi testada a alimentação com uma

mistura de alcanos (hexano, heptano e octano), onde o resultado foi seis pratos

teóricos, que foi o valor escolhido para os cálculos de projeto da coluna por ser o

maior valor encontrado. O prato de alimentação foi determinado através das

simulações, sendo definido o quarto prato. Este valor foi obtido analisando-se a

quantidade de calor necessária ao refervedor de acordo com o local de

alimentação.

O número de estágios reais é calculado através da equação 1 para

eficiência global da coluna de 51%. Este valor de eficiência é recomendado por

Gomide (1988) para um sistema de hidrocarbonetos. Obteve-se um valor de 13

estágios reais.

oa

NNη

= (1)

Onde: Na = número de estágios reais;

N = número mínimo de estágios teóricos;

ηo = eficiência global da coluna;

Para validar os resultados obtidos, a eficiência da destilação é avaliada

através de simulações no Hysys®. A Figura 8 representa o resultado de uma das

simulações efetuadas, para a separação de isômeros de butanol, mostrando a

composição da mistura em cada estágio da coluna (estágio 1 – topo, estágio 15 –

base). A partir desse dado foram realizados os cálculos para a determinação das

dimensões das colunas (altura, diâmetro, configuração dos pratos, etc.) [28].

O cálculo da altura da coluna depende do espaçamento mínimo entre os

pratos. Esse espaçamento é função do coeficiente de inundação da coluna.

Segundo Gomide [28], um espaçamento adequado entre os pratos (para uma

mistura de hidrocarbonetos) é em torno de 0,15 m. Com este dado, a altura da

coluna foi calculada conforme a equação 2.

30


xsa HHNH ∆+∆= (2)

Onde: H = altura da coluna (ft);

Na = número de estágios reais;

∆Hs = espaçamento entre os pratos (ft);

∆Hx = altura necessária para adaptação dos extremos da coluna (ft);

Cabe ressaltar que é necessário acrescentar 10 a 20% da altura da coluna

para a adaptação dos extremos da coluna (base e topo). A altura total da coluna e

extremos resultante foi de 2,4 m.

FIGURA 8 - Frações molares ao longo da coluna

Para determinar o diâmetro da coluna, o primeiro passo é estimar a

densidade da fase vapor, segundo a equação 3.

)460( +=

TRMP

vρ (3)

Onde: ρv = densidade da fase vapor (lb.(ft3)-1);

M = peso molecular da mistura (lb.lbmol-1);

31

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina R = constante dos gases ideais (psia.ft3.(lbmol.R)-1);

T = temperatura do prato (R);

P = pressão no prato (psia)

A velocidade do vapor (equação 4) e a área de borbulhamento (equação 5)

são determinadas como uma porcentagem da velocidade de inundação, expressa

como fator-F (F-factor). Este fator é dependente do espaçamento entre os pratos e

da densidade da fase vapor. Segundo Douglas [29], o fator F a ser utilizado é igual

a 0,66.

v

factorFuρ

−=

(4)


u = velocidade da fase vapor (ft.s-1);

F-factor = expressão da taxa de inundação

uMVS

vb ρ3600=

(5)


u = velocidade da fase vapor (ft.s-1);

Sb = área de borbulhamento (ft2);

M = peso molecular da mistura (lb.lbmol-1);

V = corrente da fase vapor (lbmol.h-1);

O diâmetro interno da coluna pode ser calculado pela equação 6.

)1(4

D

bi f

SD

−=

π (6)

Onde: Di = diâmetro interno da coluna (ft);

32

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina Sb = área de borbulhamento (ft2);

fD = fração da área do prato destinada ao vertedouro;

A razão de refluxo adotada foi 1,1, de acordo com Douglas [29], que

recomenda uma razão de refluxo ótima entre 1,1 e 1,4. A eficiência de separação

dos pratos depende do caminho que o vapor deve atravessar pelo meio líquido e

do tamanho das bolhas de vapor [30]. É recomendada uma altura do vertedouro

de 0,05 m, e comprimento de 0,15 m. O diâmetro dos furos sugerido é de 0,006 m,

com passo triangular.

Com os resultados obtidos foram realizadas simulações em regime

transiente, utilizando o modelo fenomenológico implementado em linguagem

Fortran® [31], com o intuito de avaliar o comportamento dinâmico da coluna com a

configuração obtida. A Tabela 1 apresenta os demais dados utilizados nas

simulações.

TABELA 1 - Dados das simulações

Variável Valor Número de pratos 13 Prato de alimentação 4 Razão de refluxo 1,1 Vazão de alimentação 0,2 m3/h Holdup (base e topo) 0,014 m3 Temperatura de alimentação 107 ºC Composição molar da alimentação

0,35 n-butanol 0,35 t-butanol 0,3 s-butanol

Fração molar do componente mais volátil no topo 0,6 Fração molar do componente mais pesado na base 0,6 Pressão do topo 179 kPa Calor do refervedor 14 kW Eficiência de Murphree 0,5

A Figura 9 apresenta o perfil dinâmico da temperatura no condensador,

para três variáveis perturbadas: vazão de alimentação (FL), calor no refervedor

(QB) e razão de refluxo (R). As perturbações foram realizadas primeiramente

acrescendo-se 50% do valor da variável perturbada no estado estacionário, e

33

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina depois decrescendo-se 50%. Os resultados demonstram que o modelo é sensível

às perturbações aplicadas, apresentando um comportamento típico de sistemas

de primeira ordem, em concordância com o esperado e discutido na literatura.

0 2 4 6 8 10190

195

200

205

210

215

220

225 Fl Qb R

Tem

pera

tura

do

Des

tilad

o ( 0 F

)

Tempo (h) FIGURA 9 - Resultado das simulações com modelo dinâmico

Cabe ressaltar que, mesmo existindo simuladores comerciais muito

poderosos, uma configuração que se ajusta ao processo pode não ser uma

configuração otimizada, porque o resultado partiu de uma estimativa, e não de um

dimensionamento otimizado [32]. Dessa maneira, é prudente restringir o uso das

simulações no dimensionamento de uma coluna ao ajuste de alguns parâmetros,

como realizado neste trabalho.

O dimensionamento das resistências elétricas (cálculo da potência máxima

de aquecimento) foi realizado com o auxílio das simulações em regime

estacionário e transiente, a partir da análise dinâmica da coluna com aquecimento

distribuído feita por Marangoni et al.[33], onde foi avaliada a sensibilidade do perfil

de temperatura da coluna em relação às perturbações aplicadas ao calor fornecido

34

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina nos pratos. Neste estudo verificou-se que, quando se aplica uma perturbação no

calor fornecido à coluna através do refervedor em conjunto com o calor fornecido

ao(s) prato(s), o perfil de temperatura da coluna alcança um estado estacionário

diferente da situação em que a mesma quantidade de calor fornecida é

concentrada no refervedor.

Através do balanço de energia, calculou-se a quantidade de calor

necessária aos pratos para que se alcance o mesmo estado estacionário em

ambos os casos, e a partir desse valor foi calculada a potência máxima das

resistências elétricas, encontrando-se o valor de 3,5 kW. Mais detalhes sobre esta

metodologia podem ser encontrados em [6], uma vez que esta etapa foi realizada

em conjunto com os demais membros do PRH Nº 34.

3.2: Construção da unidade piloto

Com o dimensionamento concluído, foram realizados os desenhos para a

construção da coluna de destilação. No Anexo 1 são apresentados os desenhos

desenvolvidos para a construção da coluna. Os desenhos foram elaborados

utilizando o software CorelDraw® versão 10.0. Uma ilustração da unidade piloto é

apresentada na Figura 10, representando a coluna de destilação em conjunto com

os demais equipamentos que compõem a unidade. O sistema opera em regime

contínuo, em ciclo fechado, onde os produtos da base e do topo são retornados ao

tanque de alimentação. Duas bombas centrífugas são utilizadas: uma para a

alimentação da coluna, e a outra para o retorno do produto de fundo. O produto de

topo é transferido por gravidade.

Foi necessário incluir no projeto as obras de infra-estrutura para a unidade

piloto, a estrutura de sustentação da coluna, instrumentos de controle (válvulas,

sensores, variadores de potência, resistências elétricas, etc.), sistema de

aquisição e tratamento de dados (placa de aquisição, cabos, conversores, etc.),

35

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina acessórios para transporte de fluidos (bombas, tubulações, conexões, tanques,

etc.) e unidades de transferência de calor (condensador e refervedor).

Coluna

Condensador

Acumulador

Tanque de Mistura

Trocador de Calor

Bomba

Bomba

FIGURA 10 – Representação esquemática da unidade experimental de destilação

O material utilizado para a construção da coluna foi aço inox 304. A escolha

do material foi realizada com base na necessidade de aplicar uma ampla faixa de

condições de operação, como pressão, por exemplo, além da exigência quanto à

resistência à corrosão. A coluna possui 13 estágios de equilíbrio, construída em

módulos com 0,15 m de altura e 0,20 m de diâmetro, sendo que a sua estrutura

modular lhe confere flexibilidade em relação ao número de estágios de equilíbrio.

Os pratos são perfurados (diâmetro de 0,006 m, com passo triangular). Uma

ilustração do encaixe entre módulo e prato pode ser visualizada na Figura 11.

Cada módulo possui conexões para a inclusão dos sensores de

temperatura, das resistências elétricas e para a coleta de amostras. O módulo da

base e o tanque acumulador de condensada têm conexões para a instalação de

sensores diferenciais de pressão, que serão utilizados para a medição do nível de

líquido acumulado nesses estágios.

36


FIGURA 11 - Forma de encaixe entre o módulo e o prato da coluna de destilação.

O condensador é utilizado para retirar calor da corrente de vapor produzida

no topo da coluna. Como resultado, tem-se uma corrente líquida que será dividida

em duas frações: uma será retornada ao último estágio da coluna (refluxo), e outra

será direcionada ao tanque de alimentação. É composto de um tanque construído

em aço carbono, contendo uma serpentina em seu interior, por onde passa o

fluido a ser condensado; a serpentina permanece imersa em água que é utilizada

como fluido refrigerante (Figura 12).

FIGURA 12 – Condensador

37


O tanque acumulador é acoplado logo na saída do condensador e recebe a

fase líquida com o objetivo de garantir a razão de refluxo necessária ao processo.

Este foi construído no mesmo material da coluna e possui as dimensões de

0,20 m de diâmetro e 0,15 m de altura (Figura 13). O nível de líquido acumulado

neste equipamento (bem como no estágio da base da coluna) é monitorado

através de um sensor diferencial de pressão.

FIGURA 13 – Acumulador

O trocador de calor a placas da marca Alfa Laval é utilizado como

refervedor, para vaporizar a mistura acumulada na base da coluna (Figura 14).

Este equipamento opera na faixa de operação de temperatura entre 150ºC e

160º C. Será utilizado vapor saturado para alimentar o trocador de calor, fornecido

por uma caldeira já disponível no EQA (Figura 15), a uma pressão de

aproximadamente 5 Kgf.(cm2)-1 na linha.

As bombas centrífugas utilizadas são responsáveis por alimentar a coluna e

o trocador de calor (Figura 16). Operam com vazão máxima de 500 L.h-1, com

potência de 0,75 HP. Sensores de temperatura do tipo termorresistores Pt-100 são

utilizados para monitorar a temperatura em todos os estágios de equilíbrio bem

como no tanque de mistura e acumulador. Sensores de pressão manométrica na

38

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina base e no topo juntamente com a temperatura permitem inferenciar a composição

nestes pontos.

FIGURA 14 – Trocador de calor a placas

FIGURA 15 – Caldeira para geração de vapor

As utilidades definidas para o processo, disponíveis para operar o

equipamento são: (1) vapor – para o aquecimento da base da coluna; (2) água –

para o resfriamento no topo da coluna, (3) energia elétrica – para o acionamento

das resistências elétricas e para o sistema de controle e (4) ar comprimido – para

39

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina o acionamento de alguns elementos de controle. No Anexo 2 são apresentadas

algumas fotos da unidade piloto de destilação, que está localizada no

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da

Universidade Federal de Santa Catarina, anexo ao Laboratório de Controle de

Processos.

FIGURA 16 – Bomba centrífuga

3.3: Instrumentação

Para implementar o controle de um processo, é necessária a instalação de

instrumentos capazes de medir direta ou indiretamente as variáveis a serem

controladas, e executar as ações corretivas que mantenham essas variáveis sob

controle. Para tanto, é necessário que os instrumentos sejam especificados de

acordo com as características do processo, obedecendo às restrições inerentes, e

que atendam as necessidades do sistema de controle. No caso da coluna de

destilação, a instrumentação projetada foi dividida entre os seguintes elementos:

a) Aquisição de dados – Microcomputador, controlador lógico

programável e módulo Universal Bridge Fieldbus;

b) Sensores de temperatura e pressão (diferencial e manométrica);

c) Transmissores de sinais;

d) Elementos finais de controle;

e) Equipamentos para transferência de fluidos.

40


A instrumentação é baseada no protocolo de comunicação Foundation

Fieldbus. Essa tecnologia permite que o controle da coluna seja extremamente

flexível em relação às malhas de controle utilizadas, pois os emparelhamentos de

variáveis controladas-manipuladas podem ser rapidamente alterados. Os

algoritmos de controle serão executados em um microcomputador, onde será

implementado um sistema supervisório. A Figura 17 representa de maneira

simplificada a instrumentação proposta, com as malhas de controle que serão

inicialmente implementadas. A seguir serão descritos os instrumentos utilizados na

planta piloto.

3.3.1: Descrição dos sensores

Estes elementos são necessários para converter a magnitude da variável do

processo (pressão, temperatura, nível, etc) em um sinal que possa ser enviado

diretamente ao controlador.

Sensores de Temperatura

Em termorresistores (Pt-100) a medida da temperatura baseia-se na

variação da resistência elétrica de dois metais. O metal mais utilizado é um cabo

de platina, com resistência de 100 Ω (por isso Pt-100). Este sensor possui uma

precisão em torno de ± 0,25 % sendo bastante sensível a pequenas variações de

temperatura. O tempo de resposta é bastante rápido e não possui restrição de

distância máxima para retransmissão de sinal. A Figura 18 apresenta o sensor

utilizado.

41


FIGURA 17 – Instrumentação da unidade piloto de destilação

42


FIGURA 18 – Sensor de temperatura

Sensores de Pressão

O nível de líquido na base e no acumulador pode ser obtido através de

medidas de pressão nestes pontos. A pressão diferencial pode ser medida pela

inserção de duas medidas em lados opostos de um diafragma. Esta diferença

entre o vapor acima do líquido e ao fundo de uma coluna do mesmo líquido pode

ser utilizada para o cálculo do nível do ponto desejado. A precisão de atuação do

diafragma que detecta as mudanças de pressão pode chegar a 1% da escala total

para este tipo de sensor. O sensor diferencial de pressão é apresentado na Figura

19.

FIGURA 19 – Sensor diferencial de pressão

Medidores de vazão tipo Placa-Orifício

Esses medidores determinam a vazão de fluido que passa por um orifício

disposto no centro de uma placa inserida em uma tubulação. A vazão é

43

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina proporcional à raiz quadrada do diferencial de pressão estática, antes e após a

placa.

3.3.2: Descrição dos elementos finais de controle

O controle das variáveis do processo poderá ser realizado basicamente de duas

formas: através de potência dissipada em uma resistência elétrica instalada no

interior do equipamento, ou através da variação de vazão de líquido refrigerante

ou de aquecimento no interior de sua camisa ou serpentina.

Válvulas de controle

Válvulas de controle são utilizadas para manipular o escoamento de

material ou energia em um processo. Em geral, utilizam algum tipo de dispositivo

mecânico para mover o cabeçote da válvula em seu eixo, abrindo ou fechando a

válvula. O dispositivo mecânico pode ser um diafragma operado pneumaticamente

que movimenta uma haste contra a força oposta do sinal enviado. Este tipo de

válvula é denominado ar-abre, falha-fecha. A Figura 20 apresenta uma válvula de

controle pneumática.

FIGURA 20 – Válvula de controle pneumática.

44


As válvulas de controle pneumáticas são em geral equipadas com um

posicionador: um instrumento mecânico que compara a posição atual com a

posição desejada e ajusta a pressão de ar necessária a válvula. Posicionadores

são utilizados para aumentar a força mecânica relativamente pequena e podem

ser exercidas com sinal de pressão de 3-15 psig operando diretamente no

diafragma da válvula.

Válvulas solenóide

Essas válvulas têm como característica o fato de permitirem apenas a

passagem plena do fluido. Em outras palavras, pode adquirir apenas dois estados:

aberta ou fechada. São acionadas através de um sinal elétrico, de maneira que é

possível manipulá-las a partir do microcomputador. Uma válvula solenóide pode

ser vista na Figura 21.

FIGURA 21 – Válvula solenóide

Variadores de potência

O controlador de potência é um instrumento destinado ao controle de

potência para processos em geral, especialmente envolvendo cargas resistivas ou

indutivas. Este recebe o sinal enviado de um controlador (temperatura, por

45

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina exemplo) e em função do sinal, modula o tempo de condução do tiristor. Desta

forma, a carga recebe energia, cujo tempo de duração é proporcional ao nível de

sinal de entrada.

3.4: Controle distribuído

O sistema de controle distribuído proposto consiste numa adaptação dos

sistemas convencionais de controle de colunas de destilação, incluindo pontos de

aquecimento distribuídos ao longo da coluna. Com essa configuração, pretende-se

descentralizar as ações de controle, que em sistemas convencionais são

concentradas no topo e na base da coluna, obtendo uma estratégia que seja mais

eficiente no controle do perfil de temperatura ao longo da coluna. Para a

implementação do controle nesta unidade pretende-se aplicar as malhas de

controle descritas na Tabela 2.

TABELA 2 – Malhas de controle da coluna de destilação

Variável controlada Variável manipulada Nível da base Vazão de realimentação do refervedor

Nível do acumulador Razão de refluxo

Temperatura da alimentação Vazão de vapor no pré-aquecedor

Temperatura do acumulador Vazão de água de condensação

Temperatura da base Vazão de vapor no refervedor

Temperatura de um estágio

intermediário

Potência fornecida à resistência elétrica

do mesmo estágio.

As seguintes variáveis também devem ser monitoradas:

a) vazão da corrente de produto de topo;

b) vazão da corrente de produto de fundo;

46


c) temperatura dos estágios intermediários da coluna;

d) pressão na base;

e) pressão no topo.

A instrumentação da coluna foi projetada de forma flexível para que permita

a aplicação de diversas técnicas de controle, conforme descrito anteriormente. A

inclusão das resistências elétricas junto aos pratos permite a realização de

experimentos com aquecimento distribuído. Através dos sensores de pressão e

temperatura, é possível implementar o controle da composição das correntes de

topo e de base. Dessa maneira, a coluna de destilação atende todos os requisitos

para que sejam testadas experimentalmente as estratégias de controle que serão

desenvolvidas.

Portanto, o projeto da unidade piloto, bem como a sua instrumentação,

possibilita que sejam testadas inúmeras técnicas de controle para esse processo,

como aquelas descritas na literatura ou outras que venham a ser desenvolvidas.

Não se tem relato sobre precedentes a esta unidade, utilizando uma

instrumentação com tecnologia Fieldbus. Assim, a coluna será extremamente útil

para o desenvolvimento dos estudos relacionados a colunas de destilação,

desenvolvidos pelo PRH Nº 34.

47


Capítulo 4: Instrumentação da Planta de Polimerização Industrial

O planta industrial de polimerização da empresa Termotécnica LTDA é

destinada à produção de poliestireno expansível, através da polimerização de

estireno em mecanismo de suspensão, utilizando pentano como agente de

expansão. É composta de dois reatores de polimerização operando em regime de

batelada.

Além dos reatores, a planta conta ainda com um tanque de pré-emulsão,

onde os catalisadores da reação são misturados ao estireno, e um tanque pulmão

para descarga dos reatores. Para compor a suspensão, os reatores são

carregados com água além da fase orgânica preparada no tanque de pré-

emulsão. A água e o estireno são dosados através de um medidor de vazão

mássico de efeito Coriolis quando são carregados aos reatores.

Os reatores são do tipo tanque agitado encamisado, sendo o fluido de

aquecimento/resfriamento utilizado é a água. Para o aquecimento, a água da

camisa é aquecida com vapor d’água saturado através de um trocador de calor a

placas, enquanto no resfriamento a água é resfriada em torres de refrigeração.

A instrumentação da unidade de produção de poliestireno expansível deve

atender, além do controle da reação de polimerização, a automatização das ações

necessárias ao processo, como:

a) Carga e descarga dos reatores;

b) Aditivação do polímero;

c) Transferência da carga, reagentes e aditivos;

d) Monitoramento do processo;

e) Acionamento de alarmes e dispositivos de segurança;

48


Essas operações são efetuadas principalmente pela abertura/fechamento

de válvulas de passagem plena (tipo On/Off) e pelo acionamento de bombas

centrífugas. Esses instrumentos são acionados a partir de sinais elétricos oriundos

de uma unidade central de controle, e com o auxílio de relês e contatores

elétricos.

Como variáveis de controle, são relacionadas:

a) Temperatura e pressão nos reatores;

b) Temperatura e pressão nas camisas dos reatores;

c) Taxa de agitação dos reatores;

d) Temperatura na descarga dos reatores.

No aquecimento, a vazão de vapor é manipulada, enquanto no resfriamento

a vazão de água fria que passa pela camisa é manipulada. Atualmente, esses

procedimentos são realizados através de abertura ou fechamento manual de

válvulas. Com o controle das variáveis citadas acima, controla-se indiretamente as

propriedades que determinam a qualidade do polímero, que são:

a) Peso molecular médio do polímero;

b) Distribuição de tamanho de partículas;

c) Teor de pentano incorporado ao polímero;

d) Teor de monômero residual.

Para atender essas operações foi proposta a instrumentação conforme é

apresentado na Figura 22. Essa configuração permite a automatização completa

da planta de polimerização, além da implementação de um sistema supervisório e

o controle da temperatura, pressão e agitação dos reatores.

49


Tanque de descarga

Tanque de descarga

Tanque dePré-emulsão

Reator

Torre derefrigeração

MedidorMássico

Vapor

Condensado

Pentano

Água

Estireno

Aditivos

Aditivos

TTTT

PTPT

TTTT

PTPT

Legenda


Válvula On/Off

Válvula de retenção

Bomba centrífuga

Trocador de calor



TT

PT

Legenda


Válvula On/Off


Bomba centrífuga

Trocador de calor



TT

PT

Legenda


Válvula On/Off


Bomba centrífuga

Trocador de calor



TTTT

PTPT

FIGURA 22 - Instrumentação da planta de polimerização

Atualmente, já se encontra em operação na planta um sistema de

monitoramento da temperatura na camisa, temperatura e pressão dos reatores,

que foi desenvolvido pelo LCP. Esse sistema está conectado a uma unidade de

aquisição de dados composta de um microcomputador com placa de interface

analógico/digital, sensores e transmissores de temperatura e pressão. Dessa

maneira o sistema de controle está operando em malha aberta, uma vez que não

50

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina há ação de controle direta sobre o processo. A partir da instrumentação, o

processo pode ser operado em malha fechada, através da ação automática sobre

as variáveis manipuladas do processo (abertura das válvulas de aquecimento e

resfriamento dos reatores). Para tal, um controlador utilizando lógica Fuzzy foi

desenvolvido pelo LCP com o intuito de ser aplicado a este processo. Esse

controlador já foi testado em escala piloto, no LCP e na Termotécnica,

apresentando um ótimo desempenho para o controle desses reatores.

Com a instrumentação da planta de polimerização, será possível operá-la

de maneira automatizada, processando as reações de polimerização de maneira a

controlar as propriedades que definem a qualidade do polímero, já citadas

anteriormente.

51


Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas

Experimentos em escala piloto são importantes para um desenvolvimento

científico e tecnológico, especialmente nos estudos sobre controle de processos,

que dependem do comportamento dinâmico das plantas. Nesse caso, a etapa de

projeto é fundamental para que não haja comprometimento dos resultados

experimentais, e para que a unidade piloto tenha um comportamento

representativo em relação aos processos industriais.

O controle e automação de processos é um investimento que traz grandes

benefícios para uma indústria, como melhora na qualidade dos produtos e

aumento na eficiência e produtividade dos processos. No entanto, sua

implementação requer o conhecimento dos processos que são operados, do qual

definem-se as variáveis a serem manipuladas e controladas. Além disso, é

necessário conhecer os instrumentos que são utilizados, suas potencialidades e

restrições em relação às condições de operação.

Dentre os processos estudados, a coluna de destilação e os reatores de

polimerização apresentam certas semelhanças, principalmente quanto às

variáveis controladas e manipuladas. No entanto, o primeiro trata-se de um

processo contínuo e em escala piloto, enquanto o segundo é um processo

descontínuo e em escala industrial.

Em colunas de destilação, o controle com aquecimento distribuído se

apresenta como uma técnica promissora para minimizar as dificuldades para

controlar esse processo, causados pelo seu comportamento dinâmico particular,

que tem dinâmica lenta e comportamento altamente não-linear. Nos reatores de

polimerização, A automatização da sua operação trará benefícios para a qualidade

dos polímeros produzidos, além de permitir que o processo seja conduzido de

maneira mais segura e eficiente.

52


Dessa maneira, o presente trabalho permitiu o contato com diferentes

situações quanto às configurações dos processos, fornecendo assim um

aprendizado bastante amplo a respeito do tema estudado.

53


Anexos

Anexo 1: Desenhos utilizados para a construção da coluna de destilação.

Figura A1.1 – Desenho do módulo de alimentação da coluna

54


Figura A1.2 – Desenho do módulo da base da coluna

55



56

Figura A1.3 – Desenho do módulo padrão da coluna

56



57

Figura A1.4 – Desenho do módulo do topo da coluna

57


Figura A1.5 – Desenho do prato perfurado

58


Anexo 2: Fotos da unidade piloto de destilação

FIGURA A2.1: Vista geral da unidade piloto de destilação

59


FIGURA A2.2: Detalhe da coluna de destilação

60


FIGURA A2.3 – Seção inferior da coluna de destilação

FIGURA A2.4 – Seção superior da coluna de destilação

61


Figura A2.5 – Vista externa dos módulos da coluna.

Figura A2.6 – Vista do interior da coluna: detalhe do prato perfurado.

62


Bibliografia

[1] MORARI, M. et al. Model predictive control: theory and practice. IFAC workshop

on model based control, Atlanta, Georgia, 1988.

[2] SHINSKEY, F.G. Distillation Control. Mc-Graw-Hill, 2º ed., Massachusetts,

365p., 1984.

[3] ELKIND, R. Petroquímica básica. SEDES – PETROBRÁS.

[4] SKOGESTAD, S. Dynamics control of distillation columns – a tutorial

introduction. Trans. IchemE, V. 65, Part A. 1997.

[5] GOULD, L. Chemical process control: theory and applications. Addison-Wesley.

USA, 1969.

[6] MACHADO, R. A. F.; MARANGONI, C.; MENEGUELO, A. P.; BARAÑANO, A.

G.; TEIXEIRA, A. C. Análise e controle de processos da indústria de petróleo e

gás. UFSC-LCP. 193p. 2003.

[7] BRANDON, D. H.; GRAY, M. Project control standards. Mason, 6. ed. New

York, 203 p. 1975.

[8] FAIRBANKS, M. Petrobrás: Investimentos ajustam refino para usar mais óleo

nacional, Química e Derivados, pp12-20, Agosto, 2002.

[9] MARANGONI, C. Controle distribuído de uma coluna de destilação de

derivados de petróleo. Exame de Qualificação, CPGENQ-UFSC. Florianópolis.

2003.

[10] REMBERG, C. et al. Decision supporting system for the design of control

systems for distillation columns. Comp. Chem. Engng., v. 18, s. 1, p. s409-

s413, 1994.

[11] KISTER, H. Z. Distillation operation. Mc-Graw-Hill. USA, 727 p. 1990.

[12] BALANCHANDRAM, R. & CHIDAMBARAM,M. Decentralized control of crude

unit distillation towers, Computers Chem. Engng. V. 21: p. 783-786, 1997.

[13] ABOU-JEYAB, R. A., GUPTA, Y. P., GERVAIS, J. R., BRANCHI, P. A., &

WOO, S. S., Constrained multivariable control of a distillation column using a

63


simplified model predicitive control algorithm. J. Proc. Control, V. 11, p. 509-

517, 2001.

[14] WILSON, J. A. & MARTINEZ, E. C. Neuro-fuzzy modeling and control of a

batch process involving simultaneous reaction and distillation. Computers

Chem. Engng. V. 21, p. S1233-S1238, 1997.

[15] SAVKOTIC-STEVANOVIC, J. Neural net controller by inverse modeling for a

distillation plant. Computer Chem. Engng. V 20, p S925-S930, 1996.

[16] DUTTA, P. & RHINEHART, R. R.; Application of neural network control to

distillation and an experimental comparison with other advanced controller. ISA

Transactions. V. 38, p. 251-278, 1999.

[17] ANSARI, R. & GHAZZAWI, A. A., M. Multivariable control on a crude

distillation unit: applications and benefits. S. A. J. Technol., spring, 1999.

[18] BLOEMEN, H. H. J.; CHOU, C. T., van der BOOM, T. J. J.; VERDULT, V.;

VERHAEGEN, M.; BACKX, T.C.; Wiener model identification and predictive

control for dual composition control of distillation column, J. Proc. Control, V.

11, p. 601-630, 2001.

[19] KUMAR, V.; SHARMA, A.; CHOWDHURY, I. R.; GANGULY, S. SARAF, D. N.;

A crude distillation unid model suitable for online applications. Fuel Proc.

Technol., V. 73, p. 1-21. 2001.

[20] HOVD, M. & MICHELSEN, R. Model predictive control of a crude oil

distillation column. Computers Chem. Engng. V. 21: p. S893-S897, 1997.

[21] MORNINGRED, J. D., MELLICHAMP, D. A. & SEBORG, D.A. Experimental

evaluation of multivariable adaptative nonlinear predictive controller. J. Proc.

Cont., V. 3: p. 125-134, 1993.

[22] MACHADO, R. A. F. Otimização e controle de reatores de polimerização em

batelada. Dissertação de mestrado – UFSC. 155p. Florianópolis, 1996. [23] MAZZUCCO, M. M. Um sistema difuso para o controle automático de uma

unidade de polimerização de estireno em suspensão. Exame de Qualificação,

PPGEP-UFSC. Florianópolis, 2001.

64

Programa: PRH-ANP/MCT N0 34 Formação de Engenheiros nas Áreas de Automação, Controle e Instrumentação para a Indústria do Petróleo e Gás Universidade Federal de Santa Catarina [24] CANCELIER, A. Otimização do processo de polimerização em suspensão.

Exame de Qualificação, PPGEP-UFSC. Florianópolis, 2003.

[25] BOLZAN, A. Ajuste e implementação de um controle adaptativo para um

reator semi-batelada. Tese de Doutorado, COPPE-UFRJ. 209 p. Rio de

Janeiro, 1991.

[26] MASCIOLI, C. M.; BOLZAN, A. Otimização do processo de polimerização do

estireno: a distribuição de tamanho das partículas do poliestireno. Dissertação

de Mestrado – UFSC. . 79 p. Florianópolis, 2001.

[27] TALAVERA, R. M. R. Avaliação das condições limites de operação e critérios

de otimização para colunas de destilação multicomponente. Dissertação de

mestrado – UNICAMP. 128 p. Campinas, 1999.

[28] GOMIDE, R. Manual de operações unitárias. 2. ed. 187p. São Paulo, 1991.

[29] DOUGLAS, J.N., Mc-Graw Hill, 1988.

[30] DESHPANDE, P.B. Distillation Dynamics and Control. Edward Arnold, New

York, 510p., 1985.

[31] LUYBEN, W.L. Process modelling, simulation and control for chemical

engineers. Mc-Graw Hill, 2º. ed., Singapore, 725p. 1990

[32] WASYLKIEWICZ, S.K. et al. Designing azeotropic distillation columns, Chem.

Engng., p. 80-84, Aug, 1999.

[33] MARANGONI, C.; LONGO, A. L.; PANISSA, G. L.; MACHADO, R. A. F.;

BOLZAN, A. Controle e dinâmica de um sistema de destilação de pratos

aquecidos. Anais do XV Congreso Chileno de Ingeniería Química. Punta

Arenas, Chile. 2002.

65


____________________________

Álvaro Luiz Longo

66

Instrumentação e Controle de Processos...

Documents

Transcript of Instrumentação e Controle de Processos...