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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS - UFAM FACULDADE DE TECNOLOGIA – FT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA - DEQ PROJETO FINAL - MEMORIAL DESCRITIVO EM PLANTA INDUSTRIAL LABORATÓRIO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS MANAUS - AM 2017 ANDRÉ MASATO OE (21202231) EVANDRO SERAFIM MORAIS (21205051) FAGNER FERREIRA COSTA (21204687) IGOR MORAES BEZERRA CALIXTO (21456321) JULIANA LACET ZENDIM (21202247) LUIZ HENRIQUE BECKER MOREIRA (21203563) PROJETO FINAL - MEMORIAL DESCRITIVO EM PLANTA INDUSTRIAL LABORATÓRIO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS Projeto Final, de Laboratório de Controle e Automação de Processos, orientada pelo professor Pablo Guimarães, válida como componente parcial, para período 2016/02. MANAUS - AM 2017 RESUMO O Projeto Final proposto para a disciplina Laboratório de Controle e Automação de Processos envolve a análise completa de uma planta industrial, construída e projetada a partir do uso do programa de desenho AutoCAD, tendo também a parte de simulação e controle pelo MatLab dos parâmetros principais e também toda a necessária fundamentação teórica a respeito do estudo de caso levantado. Palavras-chaves: Planta, AutoCAD, Matlab, simulação. ABSTRACT The Final Project proposed for the Control Laboratory and Automation of Processes involves the complete analysis of an industrial plant, built and projected from the use of the AutoCAD drawing program, also having the MatLab simulation and control part of the main parameters and also the necessary theoretical basis for the case study. Keywords: Plant, AutoCAD, Matlab, Simulation. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Identificação do instrumento. Fonte: Norma NBR 8190, 1983...............................14 Figura 2 – Identificação do símbolo. Fonte: Norma NBR 8190, 1983.....................................15 Figura 3 – Representação em destaque da válvula pneumática avaliada..................................22 Figura 4: Resposta ao degrau da função de transferência G(s).................................................23 Figura 5: Comparação entre as respostas ao degrau das funções de transferência original (G(s)) e aproximada (G1(s)).....................................................................................................25 Figura 6: Comparação entre as respostas em frequência das duas funções de transferência G(s) e G1(s).......................................................................................................................................25 Figura 7: Ajuste inicial do controlador PI através da ferramenta de ajuste de PID do MatLab......................................................................................................................................28 Figura 8: Ajuste final do controlador PI através da ferramenta de ajuste de PID do MatLab......................................................................................................................................29 Figura 9: Resposta do sistema em malha fechada com o controlador final..............................31 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Instrumentos mais utilizados.....................................................................................2 Tabela 2 – Identificação das principais simbologias utilizadas no trabalho...............................4 Tabela 3 – Principais diretrizes para a planta industrial em estudo............................................9 Tabela 4 – Quadro de materiais...............................................................................................36 Tabela 5 – Orçamento simplificado estimado..........................................................................38 SUMÁRIO 1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS...............................................................................................1 2.OBJETIVOS............................................................................................................................3 3. GLOSSÁRIO..........................................................................................................................4 4. GENERALIDADES...............................................................................................................5 4.1.Transporte........................................................................................................................6 4.2. Comissionamento............................................................................................................7 4.2.1. Embalagens e transporte ideal para o equipamento..............................................7 4.2.2. Normas especificas para o funcionário................................................................7 4.2.3. Serviço de montagem...........................................................................................8 4.2.4. Pré-Operação do sistema......................................................................................9 4.2.5. Manual de comissionamento................................................................................9 4.2.6. Manutenção........................................................................................................10 4.3. Embalagens...................................................................................................................10 4.4. Mão-de-Obra especializada...........................................................................................10 5. NORMAS E REGULAMENTOS ESPECÍFICOS...............................................................11 5.1. Normas de serviços e métodos......................................................................................15 5.2. Normas para projeto, comissionamento e execução.....................................................16 5.3. Normas de materiais......................................................................................................16 6. DESCRIÇÃO DO PROJETO E PROCESSO......................................................................17 6.1. Descrição de insumos do processo................................................................................17 6.1.1. Reagentes.............................................................................................................17 6.1.2. Água quente e vapor (HWS e S, respectivamente)..............................................17 6.2. Descrição do fluxo de processo e da fabricação do produto.........................................18 6.2.1. Volume de controle I: CSTR (TK-341-08)..........................................................18 6.2.2. Volume de Controle II: Tanques de aquecimento (TK-341-09A e 09-B)...........18 6.3. Explicação dos equipamentos e maquinarias utilizadas................................................19 6.3.1. CSTR (TK-341-08)..............................................................................................19 6.3.2. Tanques de Aquecimento (TK-341-09A e TK-341-09B)....................................196.3.3. Bomba Centrífuga (PU-341-06 e PU-341-07A)..................................................20 6.3.4. Válvulas...............................................................................................................20 6.3.4.1. Válvulas solenoides.................................................................................20 6.3.4.2. Válvulas de operação manual.................................................................20 6.3.4.3. Válvulas pneumáticas.............................................................................20 6.3.4.4. Válvulas globo.............................................................................................21 7. MEMORIAL DE CÁLCULO E SIMULAÇÕES NO MATLAB........................................21 7.1. Cálculo das variáveis de entrada “a” e “b”....................................................................21 7.2. Memorial de cálculo da função de transferência...........................................................22 8. QUANTITATIVO DE MATERIAL....................................................................................32 8.0. Da instalação e dos equipamentos da obra.....................................................................32 8.1. Projeto.............................................................................................................................32 8.2. Segurança........................................................................................................................32 8.3. Início da obra..................................................................................................................33 8.4. Prazos..............................................................................................................................33 8.5. Instalações Elétricas........................................................................................................33 8.6. Válvulas..........................................................................................................................33 8.7. Tanques..........................................................................................................................33 8.8. Mixer..............................................................................................................................34 8.9. Transmissores.................................................................................................................34 8.9.1 Transmissor de Peso..............................................................................................34 8.9.2. Transmissor de temperatura.................................................................................34 8.10. Indicadores...................................................................................................................34 8.10.1. Indicador de peso..............................................................................................34 8.10.2. Indicador de temperatura..................................................................................34 8.11. Controladores..............................................................................................................35 8.12. Bomba..........................................................................................................................35 8.13. Funis.............................................................................................................................35 8.14. Suportes........................................................................................................................35 8.15. Redutores.....................................................................................................................35 8.16. Motores........................................................................................................................35 8.17. Tubulação.....................................................................................................................36 8.18. Manômeros...................................................................................................................36 8.19. Quadro de materiais.....................................................................................................36 9. ORÇAMENTO SIMPLIFICADO EM ESCALA INDUSTRIAL........................................37 10. CONSIDERAÇÕES FINAIS..............................................................................................39 11. APÊNDICES.......................................................................................................................40 11.1. Planta Industrial do caso estudado..............................................................................40 12. REFERÊNCIAS................................................................................................................41 1 1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS. Este Memorial Descritivo da Análise de uma Planta Industrial Típica para produção de carbopol apresenta uma versão simplificada em escala piloto de uma potencial unidade fabril em que são utilizados inúmeros equipamentos, instrumentos, controladores, sensores, medidores, em que se faz todo o controle do processo produtivo com o intuito de obter um produto manufaturado de interesse para o mercado consumidor. Inicialmente, deve-se entender que para implementar este projeto em escala industrial, deve-se verificar rigorosamente todas as principais normas regulamentadoras pertinentes quanto à implantação e uso dos equipamentos, instrumentos e do processo como um todo, além dos aspectos que envolvem a segurança no trabalho. Para isso, são utilizados como fonte para o correto estabelecimento de funcionamento da planta projetada as normas NBR (Norma Brasileira Regulamentadora) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), que farão conforme visto no corpo deste memorial a análise dos procedimentos normativos referentes à simbologia industrial, serviços, materiais, métodos e segurança de trabalho. Sabe-se que todo projeto bem-sucedido, além de conter todos as principais legislações oficiais para o processo industrial, deve-se também ter uma análise minuciosa de quais equipamentos devemos empregar na produção, por exemplo. Assim, a partir de planta obtida neste memorial, pode-se verificar que os equipamentos destacados são os vários tipos de válvulas, com destaque para os tipos globo, solenoide e pneumática, cuja principal função dentro do processo foi de regular a passagem ou não de fluxo por determinado conduto influenciando em parâmetros como temperatura, composição ou caracterização do produto obtido.. Além disso, temos reatores de mistura perfeita (CSTR) em que são processadas as principais reações para a produção do produto final, tanques e também uma bomba que fornece energia ao sistema em fluidos líquidos. A seguir, verifica-se uma tabela simplificada que mostra os principais instrumentos utilizados em escala industrial. 2 Tabela 1 – Instrumentos mais utilizados Outro aspecto igualmente relevante é entender e reconhecer quais são os principais instrumentos empregados para regulagem, controle e manipulação das principais variáveis envolvidas neste processo – com destaque para temperatura, pressão, volume. Dentro disso, temos sensores, indicadores, controladores, alarmes que nada mais do que representam a parte de controle da produção. São estes instrumentos responsáveispor manter a produção em conformidade com as exigências pré-estabelecidas para o processo. Não devemos também deixar de enfatizar a importância do uso da plataforma computacional Matlab, que nos guiará para a análise de controle dos principais processos envolvidos na planta em estudo. Sabe-se que o controle é fundamental para manipular corretamente a variável manipulada e obter um setpoint desejado, ou seja, dentro das especificidades exigidas pelo mercado e pela própria indústria também. O MATLAB é uma abreviação para MATrix LABoratory que se trata de um ambiente de alto nível que possui ferramentas avançadas de análise e visualização de dados. Além disso, mais do que um aplicativo, o MATLAB também possui características de linguagem de programação. A programação em ambiente MATLAB dispensa tarefas como declaração de variáveis, alocação de memória, utilização de ponteiros, necessárias durante a utilização de linguagens de programação como C ou Fortran (COSTA,2003) As funções matemáticas já existentes no MATLAB são otimizadas, programadas em linguagem MATLAB e estão agrupadas de acordo com a área de interesse em toolboxes. Assim, o usuário tem acesso aos arquivos das funções matemáticas o que possibilita a realização de alterações nas rotinas já existentes. Todavia, vale ressaltar que estas alterações são perigosas e só devem ser realizadas como última alternativa (COSTA,2003) 3 Além disso, devemos ter amplo conhecimento de operação e manipulação do uso da plataforma de desenhos industriais AutoCAD, que nos servirá de base para mostrarmos uma planta industrial típica com as diversas linhas de produção. Dentro disso, entendemos que o desenho técnico nada mais é do que uma forma de expressão gráfica que tem por finalidade a representação de forma, dimensão e posição de objetos de acordo com as diferentes necessidades requeridas pelas diversas modalidades de engenharia e também da arquitetura. Utilizando-se de um conjunto constituído de linhas, números, símbolos, indicações escritas normalizadas internacionalmente, o desenho técnico é definido como linguagem gráfica universal da engenharia e da arquitetura. Assim como a linguagem verbal exige alfabetização, a execução e a interpretação da linguagem gráfica do desenho técnico exige treinamento específico, porque são utilizadas figuras planas (bidimensionais) para representar formas espaciais. Outro tópico relevante a mencionar é a quantificação de materiais utilizados dentro do processo industrial, uma vez que é necessário e impreterível verificar todas as maquinarias e instrumentos vitais para a manutenção da atividade fabril. Assim, podemos planejar previamente o que será utilizado, o que ser reaproveitado, gerando posteriormente um orçamento simplificado que consiste na avaliação financeira da aplicação de um investimento para implantação de uma unidade fabril como especificada neste projeto. Complementando, o levantamento de um orçamento simplificado é de extrema valia para avaliarmos se o projeto apresenta um bom custo benefício ou não, além de obviamente representar um potencial interesse para o mercado ou não. Devemos entender que, além da qualidade técnica do projeto em si, outro aspecto igualmente ou mais importante para o atual cenário da indústria, é a alta eficiência, rentabilidade e viabilidade do projeto. A seguir, são identificados os principais objetivos deste memorial descritivo. 2. OBJETIVOS. 2.1. Objetivo Geral: Realizar, através de um memorial descritivo de Análise de uma Planta típica de processo industrial para produção de carbopol, os critérios principais pertinentes para implantação piloto em escala fabril, através do uso de ferramentas úteis como AutoCAD e Matlab e estabelecendo correlações com os princípios aprendidos nas disciplinas básicas de simulação, modelagem e controle. 4 2.2. Objetivos Específicos: A partir deste Memorial Descritivo, tem-se como objetivos secundários os tópicos levantados e listados a seguir: (i). Realizar toda a abordagem teórica pertinente quanto à obtenção de uma planta industrial típica, envolvendo os conceitos de normas, generalidades, entre outros; (ii). Obter os principais memoriais de cálculo em plataforma matemática Matlab, avaliando e utilizando os princípios de Controle e Simulação da planta utilizada; (iii). Projetar uma planta em escala piloto através do uso da ferramenta técnica de desenhos AutoCAD para posterior implantação em unidade fabril; (iv). Realizar um orçamento simplificado dos principais equipamentos, maquinarias e instrumentos utilizados no processo; e (v). Avaliar e projetar a viabilidade de implantação de um projeto desta ordem em escala industrial de médio e/ou grande porte. 3. GLOSSÁRIO. A seguir, verificam-se as principais representações simplificadas utilizadas no corpo deste memorial descritivo que nos serviram como base para o trabalho: Tabela 2 – Identificação das principais simbologias utilizadas no trabalho. Símbolo/Sigla/Abreviatura Significado ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR Norma Brasileira Regulamentadora ISO International Standardization Organization ISA INMETRO Instituto Nacional de Metrologia e Normalização SINMETRO Sistema Nacional de Metrologia e Normalização C Condutividade elétrica F Vazão I Corrente elétrica J Potência L Nível M Unidade P Pressão no vácuo R Radioatividade T Temperatura 5 V Viscosidade Símbolo/Sigla/Abreviatura Significado Z Pressão TI Indicador de temperatura TT Transmissor de temperatura XV Válvula de Atuação HSW Hot Water Steam CA Ar comprimido PSV Válvula chave de pressão ou vácuo M Motor SIC Controlador Indicador de frequência TV Válvula de Temperatura TIC Controlador Indicador de temperatura WT Transmissor de peso ou força WI Indicador de peso ou força OW Água de osmose CON condensado E Reagente utilizado 4. GENERALIDADES. O presente memorial descritivo refere-se à implantação de uma planta em escala fabril para produção de carbopol e tem por objetivo a descrição detalhada do projeto em si e a definição das especificações dos materiais e equipamentos a serem utilizados, com a consequente padronização da montagem e fornecimento dos itens especificados. Diante disso, o projeto do memorial descritivo aceita e está de acordo que os serviços sejam objeto dos documentos contratuais devendo ser complementados em todos os seus detalhes, ainda que cada item necessariamente envolvido não seja especificamente mencionado. Os autores deste projeto poderão prevalecer-se de qualquer erro, manifestamente involuntário ou de qualquer omissão, eventualmente existente, para eximir-se de suas responsabilidades. Além disso, nos responsabilizamos a satisfazer a todos os requisitos constantes dos desenhos ou das especificações. No caso de erros ou discrepâncias, as especificações deverão 6 prevalecer sobre os desenhos, devendo o fato, de qualquer forma, ser comunicado à empresa interessada. Quaisquer outros detalhes e esclarecimentos necessários serão julgados e decididos de comum acordo entre as partes do projeto. O projeto descrito no presente documento é apenas de caráter inicial, podendo no futuro ser modificado e/ou acrescido, a qualquer tempo e a critério das necessidades do mercado, que de comum acordo com os autores do projeto, fixarão as implicações e acertos decorrentes, visando a boa continuidade da obra. Quanto ao desenho técnico, as cotas que constam deverão predominar,caso houver discrepâncias entre as escalas e as dimensões. Igualmente, se com relação a quaisquer outras partes dos serviços, apenas uma parte estiver desenhada, todo o serviço deverá estar de acordo com a parte assim desenhada ou detalhada e assim deverá ser considerado, para continuar através de todas as áreas ou locais semelhantes, a menos que indicado ou anotado diferentemente. Para os serviços de execução das instalações constantes do projeto e descritos nos respectivos memoriais, os autores deste projeto se obrigam a seguir as normas oficiais vigentes, bem como as práticas usuais consagradas para uma perfeita execução dos serviços. O projeto proposto por este memorial deverá manter contato com as repartições competentes, a fim de obter as necessárias aprovações dos serviços a serem executados, bem como fazer os pedidos de ligações e inspeção. Os serviços deverão ser executados em perfeita sintonia com o andamento de funcionamento da planta, devendo ser observadas as seguintes condições: (i). Todas as instalações deverão ser executadas com esmero e bom acabamento, com todos os dutos, tubos e equipamentos, sendo cuidadosamente instalados e firmemente ligados à estrutura com suportes antivibratórios, formando um conjunto mecânico ou elétrico satisfatório e de boa aparência. (ii). Deverão ser empregadas ferramentas fornecidas pelos autores do projeto apropriadas a cada uso. (iii). Avaliar periodicamente a manutenção das maquinarias industriais. 4.1.Transporte. Este tópico trata de todo o processo de logística da obtenção do produto final e do fornecimento do mesmo para o mercado. Para isso, sabe-se que a empresa produtora de algum produto manufaturado químico deve seguir todas as normas principais referentes ao processo e qualidade para obter confiabilidade do mercado. Assim, seguindo as padronizações 7 esperadas, espera-se que após obtermos um produto final, ter-se-á capacidade de colocá-los no mercado rapidamente. Além disso, devemos nos lembrar também que no processo produtivo deve-se ter cuidado com o condicionamento correto e o destino adequado para subprodutos e/ou efluentes gerados no processo, uma vez que este projeto também considera importante minimizar impactos ambientais maléficos. 4.2. Comissionamento. 4.2.1. Embalagens e transporte ideal para o equipamento. O setor de embalagens e estocagem é fundamental para qualquer indústria no mercado vigente. Sabe-se que muitas empresas atualmente buscam alcançar processos ecoeficientes, ou seja, etapas produtivas que economizam o uso de energia, agridem menos o meio ambiente e geram contribuições indiretas ao ecossistema onde atuam. Assim, sabe-se que através de todo o ciclo de transformação de uma matéria-prima em um produto, deve-se estocar adequadamente toda a produção, uma vez que há a necessidade de vender ao mercado, além da óbvia necessidade de conservação e manutenção da vida útil da mercadoria posta no mercado. Tendo em vista esta ampla necessidade de também preservar o meio ambiente e garantir importantes certificados ambientais como as normas das ISOs, entre elas as da série 9000 e 14000, este projeto apoia a ideia de utilizar polímeros biodegradáveis como matéria-prima para embalagem, evitando o uso de plásticos convencionais. Apoia-se também a ideia de coleta seletiva, segregação de material orgânico e inorgânico e a operação conjunta das cooperativas de lixo e também catadores. Assim, minimizando o uso de embalagens usuais de plástico, o projeto busca também se aprimorar na questão socioambiental. Quanto ao tipo de transporte, ainda devem ser feitos estudos mais específicos para avaliar qual tipo de transporte é mais adequado e eficiente para o processo logístico do produto final. Ainda se carecem de informações para a determinação deste importante setor na indústria. 4.2.2. Mão de obra especializada e normas especificas para o funcionário. Certamente avaliar e recrutar uma boa e qualificada mão de obra para o projeto da planta descrito é fundamental, visto que a competência dos principais autores do processo é vital para a obtenção de um produto de qualidade. 8 Assim, a qualificação dos recursos humanos é, indiscutivelmente, uma das principais causas de sucesso ou fracasso de uma empresa. Apesar disso, alguns empreendimentos contratam e selecionam o funcionário pensando no salário mais baixo que irá pagar. No entanto, sempre devemos levar em consideração a questão do custo-benefício em que deve prevalecer a qualidade ao invés de quantidade. Logo, essa política permite economia no curto prazo, mas implica, em médio prazo, no aumento de custos por causa de baixa produtividade, falta de qualidade, ausências e pequeno tempo de permanência do funcionário. Alguns empresários acreditam que o treinamento e a capacitação dos funcionários pode ser um desperdício, pois quando um empregado sair da empresa o valor investido será perdido. Na verdade, o resultado de um funcionário capacitado compensa o valor investido em sua capacitação mesmo com pouco tempo de produção. Até uma empresa pequena deve estabelecer um processo de recrutamento, seleção e capacitação dos funcionários com mais cuidado do que geralmente se faz. Este processo deve ser focado em encontrar a pessoa mais capacitada para a vaga, conforme o perfil necessário. Após contratar, o funcionário deve ser integrado à empresa, sendo apresentado a todos os funcionários e setores. Deve-se falar a ele sobre a empresa, seus produtos e como se deve trabalhar. Seu desempenho deve ser acompanhado e é importante treiná-lo. As empresas precisam de funcionários proativos e com espírito de trabalho em equipe. Basicamente, finalizando, se o funcionário é suficientemente qualificado para ocupar tal cargo e devidamente bem remunerado, são impreteríveis as necessidades de estabelecer normas e padronizações para qualquer empregado. Dentre estas, podemos destacar: (i). Definir horários de entrada e saída; (ii). Exigir e estabelecer metas dos funcionários; (iii). Impor compromissos e responsabilidades dentro do trabalho; (iv). Estabelecer princípios de bom comportamento e atitudes éticas do corpo empregatício; (v). Esperar o melhor desempenho para cada funcionário. 4.2.3. Serviço de montagem. O serviço de montagem cabe neste caso a uma empresa terceirizada responsável por todo controle e planejamento dos setores relevantes dentro da planta. Sabe-se que para o correto funcionamento de todo o processo produtivo, deve-se ter cuidado na etapa de montagem, visto que uma ausência ou falta de organização da aparelhagem e maquinaria envolvida pode afetar a qualidade do produto final. Assim, este presente projeto, buscando sempre aprimorar seus 9 processos, objetiva avaliar periodicamente a manutenção da estrutura básica de funcionamento da planta. 4.2.4. Pré-Operação do sistema. Avaliar o pré-projeto antes da implantação propriamente da unidade fabril é fundamental para evitar erros, controlar distorções e planejar otimização do processo, sempre buscando aprimorar a produção, reduzir custos, mitigar impactos ambientais negativos, gerando resultados positivos e lucrativos para a empresa. 4.2.5. Manual de comissionamento. Este manual de comissionamento será vital para manter toda a linha de produção na unidade fabril operando com regularidade e eficiência elevada. Assim, obtêm-se uma tabela simplificada a seguir com as principais diretrizes adotadas para este projeto: Tabela 3 – Principais diretrizes para a planta industrial emestudo. Equipamentos/ Instrumentos Manual de operação Reatores Testes de pátio: inspeção visual; circuito de ventilação forçada; alarmes e desligamentos por proteções físicas; circuitos iluminação tomadas e aquecimento. Testes de controle e proteção dos vãos de reatores: valores de tensão de alimentação e ausência de mistura de circuitos de controle; comandos de fechamento e abertura locais (SE) e COS simulados; bloqueios chave Local/Remoto; sinalizações e alarmes; desligamentos pelas proteções principal e secundária; bloqueio do fechamento de disjuntores por relés de bloqueio; alarmes dos circuitos e relés de proteção; verificação das proteções quanto a ligações elétricas e funcionalidades; circuitos de falha de disjuntores; comando remoto da refrigeração forçada de óleo; comando remoto da ventilação forçada. Equipamentos/ Instrumentos Manual de operação 10 Serviço Auxiliar de CA valores de tensão de alimentação e ausência de mistura de circuitos de controle; comandos manuais dos disjuntores do SA; intertravamento manual; Válvulas - manutenção periódica; verificação regular de desempenho; Bombas - verificação de desempenho; análise de capacidade; troca periódica. Controladores - análise de desempenho; regulagem periódica; Indicadores - análise de desempenho; regulagem periódica; Sensores análise de desempenho; regulagem periódica; 4.2.6. Manutenção. Este setor é extremamente vital para qualquer projeto bem-sucedido ocorrer, uma vez que realizar a manutenção frequente e periódica dos equipamentos, instrumentos e linhas de processo assegura a qualidade e a confiabilidade da empresa no mercado. Assim, ambiciona- se realizar frequentemente os serviços de limpeza, calibração e controle de toda maquinaria com intuito de operar sempre com o máximo de eficiência possível. 4.3. Embalagens. Para reafirmar, o objetivo também deste projeto é de utilizar embalagens sustentáveis em que os impactos ambientais certamente serão menos significativos. Além disso, sabe-se que para todo processo produtivo, existem os subprodutos potencialmente descartáveis, mas a partir dos importantes conceitos ambientais, estima-se reduzir a geração desses resíduos sólidos e aumentar percentualmente o reaproveitamento de resíduos inorgânicos, como plásticos e vidros, em que um de seus principais usos destina-se para o setor de embalagens. Para isso efetivamente acontecer, estima-se implantar unidades de acondicionamento de resíduos sólidos recicláveis na empresa com o intuito de promover a logística reversa deste material residual. Além disso, estabelecer parcerias com comunidades de catadores e cooperativas de lixo parece também de boa valia, uma vez que incentiva a geração de empregos além de dar outro tipo de destino ao resíduo gerado no processo. 4.4. Mão-de-Obra especializada. 11 O número de homens-hora envolvidos em qualquer atividade produtiva, para uma mesma quantidade de produto, terá que diminuir continuamente. Isso pode ser alcançado com a conjunção de dois esforços: a melhoria do ambiente de produção com o uso intensivo de equipamentos e tecnologia moderna de automação, e a qualificação da mão de obra por meio da melhoria educacional, do treinamento “on the job” e da capacitação geral. Uma política desse tipo permitiria aumentar o estoque de mão de obra existente, já que um número menor de funcionários mais qualificados poderia produzir a mesma quantidade que vêm sendo produzida pelos times atuais, menos qualificados. Ou, por outro lado, com o mesmo contingente atual, desde que melhor qualificado, alcançarmos maior volume de produção. Estou particularmente convencido de que essa é a saída para o crescimento econômico continuado e para o consequente enriquecimento da nossa população. Um estudo examina as condições atuais e futuras da força de trabalho em 25 países (que abrigam 65% da população mundial e que são responsáveis por 80% do PIB global). A estratégia geral de abordagem adotada no estudo do BCG foi a de estimar, em um horizonte relativamente longo, a taxa de crescimento da produtividade do trabalho necessária para que cada país pudesse continuar apresentando o mesmo índice de enriquecimento per capita observado no passado recente, considerados os crescimentos dos respectivos PIBs, força de trabalho e população total. Alguns resultados são muito interessantes: segundo oBCG, os EUA apresentam uma situação futura muito equilibrada, enquanto outros países (Alemanha, Brasil, Polônia, Rússia e Japão) apresentariam situações particularmente críticas no futuro e dependeriam de modificações imediatas nas respectivas políticas educacionais e de formação técnica. 5. NORMAS E REGULAMENTOS ESPECÍFICOS. A norma destina-se a fornecer informações para que qualquer pessoa possa entender as maneiras de medir e controlar o processo. Não constitui pré-requisito para esse entendimento um conhecimento profundo e/ou detalhado de um especialista em instrumentação. Segundo definição proposta por BOJORGE, a hierarquia das normas no Brasil é a seguinte: 1. Lei ou portaria (INMETRO edita as leis técnicas), 2. Normas ABNT, que edita as normas técnicas no Brasil, 3. Normas OIML, 4. Normas ISO/IEC (IEC faz as normas técnicas da ISO), 12 5. Normas ISA, API, DIN e outras nacionais de outros países, 6. Normas internas de empresas, como Petrobras, Braskem, Vale (que só podem ser usadas internamente, pois não podem competir com as normas da ABNT). Embora a precedência da norma ISA esteja na quinta posição, a norma ISA 5.1, Símbolos e Identificação de Instrumentos, é usada como padrão e obrigatório no mundo e no Brasil. A norma ISA 5-1 estabelece um meio uniforme e consistente de mostrar e identificar instrumentos ou equipamentos e suas funções inerentes, sistemas e funções de instrumentação e funções de programas de aplicação usados para medição, monitoramento e controle, apresentando um sistema de designação que inclui esquemas de identificação e símbolos gráficos. Esta norma é conveniente para uso sempre que se referir a instrumentação de medição e controle, equipamentos e funções de controle e aplicações e funções de programas que devam ter identificação e simbolização, tais como: projeto, treinamento, relatórios e discussões técnicas. Os símbolos e identificação dos instrumentos são baseados na família de normas ISA serie S5. A primeira norma foi publicada como Prática Recomendada em 1949, revista, afirmada e publicada posteriormente em 1984 e reafirmada em 1992. Esta série de normas sempre procuram acomodar os avanços da tecnologia e acompanhar e refletir a experiência ganha neste longo período. As normas da série ISA S5 evoluem de acordo as novas tendências e para atender os grandes avanços da tecnologia, tais como: - instrumentação distribuída, - protocolos digitais e comunicação sem fio, entre muitas outras. Assim, para acompanhar as mudanças e fornecer novos símbolos, foram editadas normas suplementares, como: a) ISA 5.2: Diagramas Lógicos Binários para Operações de Processo, (1976, 1981): trata dos símbolos lógicos e é pouco usada. b) ISA 5.3: Símbolos gráficos para Instrumentação de Display para Controle Distribuído e Compartilhado, Sistemas Lógicos e de Computador, (1983): trata de símbolos e identificação de instrumentos digitais compartilhados, computadores e sistemas de intertravamento. c) ISA 5.4: Diagramas de Malha de Instrumentos (1991): trata de símbolos e identificação de diagramas de malha. d) ISA 5.5: Símbolos Gráficospara Displays de Processo, (1985): trata de símbolos gráficos para serem usados em telas de vídeo em interface humano-máquina. 13 A seguir, é mostrada a norma NBR 8190, que é a norma que regulamenta a simbologia e instrumentação industrial, ferramenta extremamente útil para a composição deste memorial descritivo. Esta norma NBR estabelece os símbolos gráficos para identificação dos instrumentos e dos sistemas de instrumentação usados para medição e controle, apresentando os sistemas de designação que inclui código de identificação. Esta norma permite opções de adicionar informações ou de simplificar símbolos se desejado, desde que isso contribua para a maior clareza na identificação. Apesar da variedade de instrumentos que tem sido utilizados , todos eles se enquadram em categorias funcionais comuns, o que permite uma ampla utilização desta norma, o que é própria para uso em indústrias químicas, de petróleo, siderúrgicas, centrais térmicas, ar condicionado e outras. Esta Norma é utilizada sempre que for necessário identificar ou simbolizar um instrumento, tal como: a) fluxogramas de processo e fluxogramas de engenharia; b) diagramas de controle de processo; c) listas de instrumentos, folhas de dados de processos para instrumentos; d) folhas de especificação, requisições e pedidos de compra de instrumentos; e) detalhes da instalação, diagramas de interligação e outros documentos de montagem de instrumentos; f) instrumentos e outros documentos de operação e manutenção dos instrumentos; g) artigos e literatura técnica em geral; h) plaquetas de identificação de instrumentos. Esta norma NBR 8190, 1983, também estabelece a identificação funcional do instrumento, das malhas de controle, além de trazer algumas definições relevantes como as apresentadas resumidamente a seguir: a) Alarme: Sistema que identifica a condição de uma existência anormal por meio de um sinal sonoro ou visual. b) Atrás do painel: Termo aplicado ao local dentro ou atrás do painel onde está montado um instrumento e que geralmente não é acessível para o operador nas condições normais. c) Chave: Dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos e que não seja designado como controlador, relé ou válvula de controle. d) Círculo: Símbolo usado para identificar ou representar um instrumento, ou ambos. 14 e) Controlador: dispositivo que tem um sinal de saída que pode ser variado para manter a variável controlada dentro de um limite especificado ou para alterá-la de um valor previamente estabelecido. f) Conversor: Dispositivo que recebe uma informação na forma de um sinal, altera a forma da informação e o emite como sinal de saída. g) Função: Objetivo ou ação desenvolvida por um instrumento de controle. h) Identificação: Conjunto de letras ou dígitos, ou ambos, usados para desigar um instrumento individual ou uma malha. i) Isntrumentação: Aplicação de instrumentos. j) Instrumento: Dispositivo usado direta ou indiretamente para medir ou controlar uma variável ou ambos. k) Medição: determinação da existência ou magnitude de uma variável. l) Processo: Qualquer operação ou sequência de operações envolvendo uma mudança de estado, de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. m) Transmissor: Dispositivo que detecta uma variável de processo por meio de um elemento primário e que tem uma saída cujo valor é proporcional ao valor da variável de processo. Além dessas definições, esta norma também introduz uma padronização para identificação do instrumento. Cada instrumento será identificado primeiramente por um conjunto de letras para classificá-lo funcionalmente. Para identificar o instrumento com malha de controle, um número é acrescentado ao conjunto de letras acima referido. Este número deve ser, em geral, comum aos outros instrumentos de mesma malha. Opcionalmente pode-se acrescentar um sufixo para completar a identificação da malha. Um exemplo típico de identificação desse instrumento para um registrador controlador de temperatura é representado a seguir: Figura 1 – Identificação do instrumento. Fonte: Norma NBR 8190, 1983. 15 Além disso, temos também o conceito introduzido pela norma de símbolos. Os símbolos de linhas de instrumento são a representação de todas as linhas em relação às linhas de tubulação do processo: Figura 2 – Identificação do símbolo. Fonte: Norma NBR 8190, 1983. A seguir, identifica-se, através de uma tabela, o significado de cada letra de identificação usada comumente em instrumentação na indústria. Tabela 3 – Significado das letras de identificação instrumental. Fonte: Norma NBR 8190. Adiante é representada uma série de normas específicas no que concerne ao serviço, projeto, comissionamento, execução, materiais e métodos na indústria. 16 5.1. Normas de serviço e/ou métodos. Estas normas, estabelecidas em grande parte pela Associação Brasileira de Normas Técnicas,ABNT, servem para regulamentar e padronizar no processo industrial as obrigações necessárias para a manutenção da segurança, qualidade e controle fabril. a) NBR 14679, ABR 2001 – Sistemas de condicionamento de ar e ventilação. Execução de serviços de higienização: Esta Norma tem por objetivo estabelecer os procedimentos e diretrizes mínimas para execução dos serviços de higienização corretiva de sistemas de tratamento e distribuição de ar contaminados microbiologicamente. b) NBR 6401:1980 - Instalações centrais de ar-condicionado para conforto - Parâmetros de projeto. c) NBR 13971:1997 - Sistemas de refrigeração, condicionamento de ar e ventilação - Manutenção programada. d) Portaria nº 3214 de 1978 do Ministério do Trabalho: Normas regulamentadoras de segurança e saúde no trabalho. NR 7: Programa de Controle Médico de Saúde Operacional. NR9: Programa de Prevenção de Riscos Ambientais. e) NBR 5410/2004 – Instalações elétricas de baixa tensão: Esta Norma estabelece as condições a que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens. Esta Norma aplica-se principalmente às instalações elétricas de edificações, qualquer que seja seu uso (residencial, comercial, público, industrial, de serviços, agropecuário, hortigranjeiro, etc.), incluindo as pré-fabricadas. f) NBR 14725, 2011–Produtos químicos: Informações sobre segurança, saúde e meio ambiente. A elaboração da ABNT NBR 14725 foi embasada nas seguintes premissas básicas do GHS: a necessidade de fornecer informações sobre produtos químicos perigosos relativas à segurança, à saúde e ao meio ambiente; o direito do público-alvo de conhecer e de identificar os produtos químicos perigosos que utilizam e os perigos que eles oferecem; a utilização de um sistema simples de identificação, de fácil entendimento e aplicação, nos diferentes locais onde os produtos químicos perigosos são utilizados; a necessidade de compatibilização deste sistema consistente com o critério de classificação para todos os perigos previstos pelo GHS; a necessidade de facilitar acordos internacionais e de proteger o segredo industrial e as informações confidenciais; a capacitação e o treinamento dos trabalhadores e a educação e a conscientização dos consumidores. 17 5.2. Normas para projeto, comissionamento e execução. São normas propostas pela ABNT,NBR, para o processo de avaliação periódica de desempenho da unidade fabril. a) NBR 7229, 1997- Projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos. Esta Norma fixa as condições exigíveis para projeto, construção e operação de sistemas de tanques sépticos, incluindo tratamento e disposição de efluentes e lodo sedimentado. Tem por objetivo preservar a saúde pública e ambiental, a higiene, o conforto e a segurança dos habitantes de áreas servidas por estes sistemas. 5.3. Normas de materiais. Estas normas dispostas a seguir nos servem para adotar procedimentos corretos quanto ao tratamento das maquinarias utilizadas na planta. a) NBR IEC 60439-1, 2003 – Sistemas Elétricas industriais típicos e painéis elétricos: Conjuntos de manobra e controle de baixa tensão. Parte 1: Conjuntos com ensaio de tipo totalmente testados (TTA) e conjuntos com ensaios de tipo parcialmente testados (PTTA). b) IEC 61439 – 1 – 2011 – Low-Voltage Switchgear and Controlgear Assemblies – General Rules. c) NBR IEC 62271-200 – 2007 – Conjunto de manobra e controle de alta-tensão em invólucro metálico para tensões acima de 1 kV até e inclusive 52 kV d) NBR IEC 60694 – 2006 – Especificações comuns para normas de equipamentos de manobra de alta tensão e mecanismos de comando. e) NBR 5594 – NR 13 – Caldeiras, vasos de pressão e tubulações. Esta Norma Regulamentadora - NR estabelece requisitos mínimos para gestão da integridade estrutural de caldeiras a vapor, vasos de pressão e suas tubulações de interligação nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e manutenção, visando à segurança e saúde dos trabalhadores. 6. DESCRIÇÃO DO PROJETO E PROCESSO. A seguir, é descrito o processo de fabricação do produto apresentado na planta nos apêndices. 6.1. Descrição de insumos do processo. 6.1.1. Reagentes O processo visa a produção de carbopol, o qual consiste em um polímero de alto peso molecular, mais especificamente polímeros de Ácido Poliacrílico Reticulado. Antigamente, 18 usava-se benzeno como matéria-prima para sua obtenção. Contudo, devido novas restrições regulatórias quanto a toxicidade desta substância, o carbômero Carbopol deve ser sintetizado por vias mais limpas. Desta forma, propõe-se que o reagente base para as devidas polimerizações nesta planta seja acetato de etila. 6.1.2. Água quente e vapor (HWS e S, respectivamente) Utilizados para manter o controle da temperatura do processo estável. As tubulações que recebem o vapor são recobertas por uma tubulação mais resistente, a fim de não haver rompimento das mesmas devido ao calor excessivo. As tubulações contendo água quente trabalham com manômetros para verificação da pressão no local de atuação. 6.2. Descrição do fluxo de processo e da fabricação do produto. Para descrição do processo, optou-se por selecionar volumes de controle específicos em cada equipamento com o intuito de identificar da melhor maneira cada elemento envolvido no processo. 6.2.1. Volume de controle I: CSTR (TK-341-08) No flowsheet apresentado devidamente nos apêndices, os insumos são injetados na parte superior do CSTR (TK-341-08), juntamente com água quente (HWS). O equipamento contém transmissores de peso associados à sua estrutura, de forma a se verificar a carga administrada no reator (WI-341-03 e WT-341-03). A agitação do fluido neste aparato é realizada por um agitador mecânico (AG-341-07), através de um motor elétrico (M). Além disso, transmissores de temperatura (TT-341-07) estão presentes em sua constituição, controlando diretamente esta propriedade ao permitir a passagem vapor (S) para o CSTR a uma dada temperatura, por meio de uma válvula de temperatura (TV 341-07). Este vapor é contido na jaqueta do CSTR, o qual aquece os reagentes indiretamente. Após realizar esta função, o vapor sai condensado da jaqueta e segue por meio de válvulas atuadoras (XV-341-20A/B) para fora do galpão. O produto sai pela parte inferior do reator e segue para uma bomba centrífuga (PU-341- 06), onde tem dois destinos: (1) seguir para outra malha e (2) fazer tratamento térmico por meio de uma corrente de reciclo. 6.2.2. Volume de Controle II: Tanques de aquecimento (TK-341-09A e TK-341-09B) 19 Como visto na sessão anterior, o produto é deslocado para outra parte do processo, onde será feito o tratamento térmico. Esta etapa tem a finalidade de tornar o material mais viscoso e acontece com o auxílio de água quente. O carbopol, agora mais consistente, é encaminhado para os próximos tanques (TK-341-04/05), através de outra bomba de engrenagens. . 6.3. Explicação dos equipamentos e maquinarias utilizadas. A seguir, tem-se uma breve descrição dos principais equipamentos utilizados no processo. 6.3.1. CSTR (TK-341-08) Os reatores de tanque agitado (CSTR do inglês Continuous Stirred Tank Reactor, ou RPA) são reatores químicos definidos para certas condições de escoamento ideal. Assim, são assumidos perfeitamente misturados, o que significa que a temperatura, a pressão e a concentração das espécies químicas são independentes da posição espacial dentro do reator (RAWLINGS; EKERDT, 2002). Este tipo de reator é o extremo oposto do reator de escoamento empistonado (PFR do inglês Plug Flow Reactor). O principal aspecto é assumir a completa uniformidade da concentração e temperatura através do reator, em contraste com a mistura de sucessivos elementos do fluido observados no PFR. Assim, no reator de mistura perfeita, a conversão acontece a uma única concentração (e temperatura), a qual é, na verdade, a mesma concentração do efluente. De forma a aproximar esse modelo de mistura ideal, é necessário que a alimentação esteja intimamente misturada com o conteúdo do reator por um intervalo de tempo muito pequeno quando comparado com o tempo de residência do fluido escoando pelo vaso (FROMENT; DE WILDE; BISCHOFF, 2011). As principais vantagens observadas no reator perfeitamente agitado em frente ao reator em batelada são devidas a sua característica de fluxo contínuo de reagentes e produtos. Assim, um CSTR pode fazer produtos 24 horas por dia, enquanto para um ciclo típico, um reator em batelada produz apenas na metade deste tempo. Em um CSTR, o controle de temperatura é mais fácil, pois a velocidade de reação é constante e a taxa de calor liberada não muda com o tempo, ao contrário do reator em batelada. Além disso, a conversão e a seletividade podem variar de um dia pro outro em um reator em batelada, diferentemente do CSTR, haja vista que estes parâmetros tendem a permanecerem constantes neste tipo de reator (HARRIOTT, 2003). 6.3.2. Tanques de Aquecimento (TK-341-09A e TK-341-09B) 20 São tanques regulados por uma válvula atuadora, com indicadores de temperatura acoplados. Eles são utilizados como trocadores de calor simples para manutenção da temperatura do produto. Possuem um indicador de temperatura (TI-341-07) para verificação desta propriedade no interior dos mesmos. O ajuste de temperatura funciona com a adição de água quente (HWS) e servem para controlar esta propriedade no produto final, onde este entra pelo topo do equipamento por meio de uma válvula atuadora (XV-341-21). 6.3.3. Bomba Centrífuga (PU-341-06 e PU-341-07A) Bombas são dispositivos que adicionam energia mecânica a um fluido líquido para o deslocar de um ponto a outro na linha de processo. Em uma bomba centrífuga, especificamente, o fluido entra pelo centro da carcaça, através do rotor (impelidor), onde é impulsionado pela rotação do mesmo, escoando pelas pás do rotor até deixá-lo na direção tangencial ao mesmo. Ao deixar o rotor, a velocidade do fluido é reduzida quandoo mesmo entra em contato com a voluta carcaça da bomba, aumentando a pressão no fluido. A bomba PU-341-07ª conta com um sistema de segurança proporcionado por uma válvula de escape (PSV-341-06) para o alívio da pressão dentro do equipamento. Além disso, possui um controlador e indicador de velocidade/freqüência (SIC-341-06) instalado no painel do equipamento para o controle da velocidade do motor. 6.3.4. Válvulas 6.3.4.1. Válvulas solenóides Normalmente, são pequenas válvulas de isolamento magnéticas. Algumas versões podem ser moduladas. Válvulas solenoides podem ser consideradas como válvulas globo seladas com atuação elétrica. 6.3.4.2. Válvulas de operação manual Normalmente, este tipo de válvula pode servir para as seguintes funções: dar partida e parar um escoamento, controlar a taxa de fluxo e desviar uma corrente. Por serem operadas manualmente, não requerem muita complexidade em seu uso. 6.3.4.3. Válvulas pneumáticas Válvulas de controle de ar são componentes fundamentais de qualquer sistema pneumático. Selecionar corretamente as válvulas para regular a pressão no sistema e direcionar o escoamento é crucial quando se está desenvolvendo o circuito hidráulico de uma 21 planta. Se a válvula pneumática for grande demais para a aplicação desejada, serão gastos tempo e dinheiro. Se for pequena demais, o atuador não funcionará adequadamente. 6.3.4.4. Válvulas globo Controla o fluxo em uma tubulação através de um disco móvel e uma base com anel estacionário acoplado a um corpo geralmente esférico. Internamente, uma chicana separa em duas metades a sua estrutura. Este tipo de válvula é usado quando se requer uma operação rotineira, devido a sua boa resistência. 7. MEMORIAL DE CÁLCULO E SIMULAÇÕES NO MATLAB. 7.1. Cálculo das variáveis de entrada “a” e “b”. Antes de apresentarmos o memorial de cálculo propriamente dito, faz-se necessário mostrar como foram identificadas as variáveis “a” e “b” visíveis a seguir a partir do número de matrícula dos componentes da equipe, indicando a somatória “a” e “b”. A seguir, são mostrados os números de matrícula referentes aos alunos participantes deste projeto final. Quadro de Identificação dos números de matrícula dos discentes do projeto. DISCENTES NÚMERO DE MATRÍCULA André Masato Oe 21202231 Evandro Serafim Morais 21205051 Fagner Ferreira da Costa 21204687 Igor Moraes Bezerra Calixto 21456321 Juliana Lacet Zendim 21202247 Luiz Henrique Becker Moreira 21203563 As informações básicas para calcular as variáveis “a” e “b” são mostradas a seguir: Variável “a” = Somatório dos penúltimos números de matrícula dos membros da equipe. Variável “b” = Somatório dos últimos números de matrícula dos membros da equipe. Definição da Função de Transferência Os números de matrícula dos membros da equipe são: 2 1 2 0 2 2 3 1; 2 1 2 0 5 0 5 1; 2 1 2 0 4 6 8 7; 2 1 4 5 6 3 2 1; 22 2 1 2 0 2 2 4 7, e 2 1 2 0 3 5 6 3. Logo, os valores das constantes 𝑎 e 𝑏 são: 𝑎 = 3 + 5 + 8 + 2 + 4 + 6 = 28; 𝑏 = 1 + 1 + 7 + 1 + 7 + 3 = 20. Dessa forma, a função de transferência, aqui denotada por 𝐺(𝑠), se torna: 𝐺(𝑠) = 1 𝑎 2 𝑠 2 + 𝑎 ∗ 𝑏 2 𝑠 + 𝑎2 𝑏 = 1 28 2 𝑠 2 + 28 ∗ 20 2 𝑠 + 282 20 = 1 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 7.2. Memorial de cálculo da função de transferência. Feita a análise e o cálculo das variáveis de entrada “a” e “b”, parte-se agora para a simulação do projeto em que avaliamos o controle da válvula pneumática de saída representada em destaque na figura a seguir. Figura 3 – Representação em destaque da válvula pneumática avaliada. A função de transferência dessa válvula é descrita abaixo, e foi preenchida de acordo com os coeficientes dos números de matrículas dos componentes da equipe já devidamente calculada e demonstrada. Para a seguinte função de transferência, foi feita a análise da resposta ao degrau: 23 Dentro dessa análise, fizemos o estudo da função de transferência quando: a) A tubulação de saída admite um pico de pressão na ordem de 4%; b) O sistema precisa se estabilizar em menos de 2,5 segundos para não influenciar nas outras etapas de processo; c) o sistema não admite erro em estado estacionário; (i). Análise da Função de Transferência Ao observar os polos 𝑝1 = −19,859 e 𝑝2 = −0,141. da função de transferência 𝐺(𝑠), podemos inferir que o polo 𝑝2 será dominante. Isso se torna ainda mais claro observando a figura a seguir. Que revela que a resposta lenta é a dominante, ou seja, aquela devida ao polo 𝑝2. Figura 4: Resposta ao degrau da função de transferência G(s) Assim, é possível aproximar a função de transferência 𝐺(𝑠) por uma função de transferência de primeira ordem, 𝐺1(𝑠), de maneira a simplificar o projeto. A função de transferência 𝐺1(𝑠) pode ser obtida através do comando residue do MatLab da seguinte maneira: 24 Com isso, temos o ganho correspondente ao polo 𝑝2, que é 0.0036. Com esses valores, definimos a função de transferência 𝐺1(𝑠). Para verificar a equivalência das duas funções de transferência, geramos a resposta ao degrau e a resposta em frequência das duas em um mesmo gráfico. >> [r,p,k] = residue([1],[14 280 39.2]) r = -0.0036 0.0036 p = -19.8590 -0.1410 k = [] >> G1 = tf([0.0036],[1 0.141]) G1 = 0.0036 ---------- s + 0.141 Continuous-time transfer function. >> step(G,G1) >> bode(G,G1) 25 Figura 5: Comparação entre as respostas ao degrau das funções de transferência original (G(s)) e aproximada (G1(s)) Figura 6: Comparação entre as respostas em frequência das duas funções de transferência G(s) e G1(s) Logo, podemos ver que a aproximação é boa apenas em baixas frequências, ou seja, abaixo de 0,1𝐻𝑧. Portanto, como as condições de operação da planta nos são desconhecidas, a aproximação NÃO será utilizada, pois, no caso de serem utilizados sinais de referência de alta frequência, poderá haver uma grande discrepância entre a resposta obtida e a desejada devido à influência do polo 𝑝1, que será importante na operação da planta em frequências altas. Requisitos de Projeto Para o projeto do controlador, as características dinâmicas exigidas são: 26 Tempo de assentamento para 2% do valor de estado estacionário igual ou menor a 2,5 segundos; Overshoot máximo de 4%; Erro de estado estacionário nulo. (ii). Projeto do controlador Seleção do controlador Devido ao comportamento do sistema semelhante ao de um sistema de primeira ordem, um controlador proporcional seria o suficiente para garantir a resposta rápida desejada para o sistema, entretanto, um controlador proporcional neste caso não produziria um erro em estado estacionário nulo a menos que seu ganho proporcional fosse bastante elevado, isso pode ser observado através da função de transferência para o sistema em malha fechada com um controlador proporcional puro: 𝐺𝑚𝑓,𝑃(𝑠) = 1 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 ∗ 𝐾𝑃 1 + 1 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 ∗ 𝐾𝑃 = 𝐾𝑃 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 + 𝐾𝑃 Usando o teorema do valor final, é possível verificar o erro de estado estacionário ao degrau do sistema com o controlador. Para isso, fazemos: 𝑒𝑠𝑠 = lim 𝑠→0 (1 − 𝑠𝑈(𝑠)𝐺𝑚𝑓,𝑃(𝑠)) = lim 𝑠→0 (1 − 𝑠 ∗ 1 𝑠 ∗ 𝐾𝑃 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 + 𝐾𝑃 ) = 1 − 𝐾𝑃 𝐾𝑃 + 39,2O sinal de entrada, 𝑈(𝑠), é um degrau unitário neste caso. Assim, o erro de estado estacionário será nulo somente no caso de 𝐾𝑝 ≫ 39,2, o que é indesejável, visto que um ganho proporcional bastante elevado levaria a um Overshoot maior que o permitido. Dessa forma, será utilizado um controlador proporcional+integral (PI), que é capaz de produzir um erro de estado estacionário nulo (graças ao termo integral) ao degrau, um tempo de assentamento desejável e um overshoot mínimo, preservando esta característica da planta (que naturalmente possui overshoot igual a zero, por apresentar um comportamento de primeira ordem). Logo, a função de transferência da planta em malha fechada com o controlador PI, fica da seguinte forma: 27 𝐺𝑚𝑓,𝑃𝐼(𝑠) = 1 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 ∗ 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 𝑠 1 + 1 14𝑠2 + 280𝑠 + 39,2 ∗ 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 𝑠 = 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 14𝑠3 + 280𝑠2 + (39,2 + 𝐾𝑃)𝑠 + 𝐾𝐼 É possível demonstrar que o erro em estado estacionário do sistema com o controlador PI é nulo de maneira análoga à discussão acima, sobre o controlador proporcional puro. Tomando o limite da função de transferência do novo sistema, temos: 𝑒𝑠𝑠 = lim 𝑠→0 (1 − 𝑠𝑈(𝑠)𝐺𝑚𝑓,𝑃𝐼(𝑠)) = lim 𝑠→0 (1 − 𝑠 ∗ 1 𝑠 ∗ 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 14𝑠3 + 280𝑠2 + (39,2 + 𝐾𝑃)𝑠 + 𝐾𝐼 ) = 1 − 𝐾𝐼 𝐾𝐼 = 0 Ou seja, o estado estacionário do sistema será zero. (iii). Obtenção dos valores dos parâmetros do controlador O projeto do controlador será realizado através da interface de projeto de PID do MatLab, invocada através do comando pidtool. Esta interface é bastante conveniente, facilitando bastante a obtenção dos parâmetros do controlador que faça com que o sistema atenda aos requisitos desejados. Os valores das constantes proporcional e integral do controlador do tipo selecionado são ajustadas automaticamente pela ferramenta pidtool do MatLab, bastando ao usuário manipular dois sliders, um que controla o tempo de resposta do sistema, variando entre mais lento ou mais rápido, e o outro controlando a robustez do sistema, reduzindo ou aumentando o overshoot. A dificuldade inicial deste método é a interação entre as duas variáveis (agressividade e robustez do sistema de controle). Como verificação do desempenho do sistema, a planta será simulada com o comando step na janela de comandos do MatLab. A seguir serão apresentados somente os ajustes inicial e final do controlador, na tela da ferramenta de ajuste de PID. O ajuste inicial é o ajuste obtido no momento que o comando pidtool(G(s),’PI’) é utilizado na janela de comando do MatLab. O ajuste final foi o obtido após algum tempo de manipulação dos sliders até obter-se uma resposta satisfatória. (iv). Ajuste inicial O ajuste inicial dado pela ferramenta pidtool é dado na figura da página a seguir. É possível observar, no canto direito, os valores de overshoot e tempo de assentamento, além das constantes 𝐾𝑃 e 𝐾𝐼. Os valores das constantes para este ajuste são aproximadamente: 𝐾𝑃 = 22,5 e 𝐾𝐼 = 10. Vê-se que os valores de overshoot e tempo de assentamento para este ajuste são muito maiores que os desejados, de 4% e 2,5 segundos. Assim, faz-se o ajuste através dos sliders. 28 Figura 7: Ajuste inicial do controlador PI através da ferramenta de ajuste de PID do MatLab (v). Ajuste final O ajuste final obtido através da manipulação dos sliders é dado na figura 5, da página seguinte. Ambos os sliders foram deslocados para a direita, de modo a obter um overshoot menor (ou zero, como foi o caso) e uma resposta transiente mais rápida, levando a um tempo 29 de assentamento menor. Os valores das constantes são aproximadamente: 𝐾𝑃 = 1500 e 𝐾𝐼 = 150. No final com as aproximações, foram obtidos valores de overshoot de 0%, tempo de assentamento para 2% do valor final de 0,556 segundos e erro de estado estacionário nulo, como mostrado na figura 6. Para realizar a simulação do sistema usando o comando step, os seguintes comandos foram utilizados: Gerando a figura 6. Assim, a função de transferência final do controlador é: 𝐶(𝑠) = 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 𝑠 = 1500𝑠 + 150 𝑠 E a função de transferência do sistema em malha fechada final: 𝐺𝑚𝑓,𝑃𝐼(𝑠) = 𝐾𝑃𝑠 + 𝐾𝐼 14𝑠3 + 280𝑠2 + (39,2 + 𝐾𝑃)𝑠 + 𝐾𝐼 = 1500𝑠 + 150 14𝑠3 + 280𝑠2 + 1539,2𝑠 + 150 >> C = pid(1500,150,0) C = 1 Kp + Ki * --- s with Kp = 1.5e+03, Ki = 150 Continuous-time PI controller in parallel form. >> G_mfPI = feedback(C*G,1) G_mfPI = 1500 s + 150 ------------------------------- 14 s^3 + 280 s^2 + 1539 s + 150 Continuous-time transfer function. >> step(G_mfPI,10) 30 Figura 8: Ajuste final do controlador PI através da ferramenta de ajuste de PID do MatLab 31 Figura 9: Resposta do sistema em malha fechada com o controlador final 32 8. QUANTITATIVO DE MATERIAL. 8.1 Da Instalação dos equipamentos e da obra. Deverá ser rigorosamente observado o que consta neste memorial descritivo, como se transcrito fossem no contrato da obra. Para o contratado, serão necessários levantamentos técnicos das condições anteriores à execução de instalação e da obra, através de visita ao local, assim como completa verificação do projeto físico e do que consta neste material. A empresa deverá executar a instalação e realizar a obra de acordo com as indicações existentes neste memorial. Quanto ao dimensionamento e organização de mão de obra, será de responsabilidade do empreiteiro e dos demais instaladores a execução dos diversos serviços. Deverão ser considerados a qualidade dos profissionais da área, a eficiência e a conduta de cada profissional no campo de trabalho. Todo o trabalho realizado deverá obedecer o que consta nas normas e nas indicações dispostas neste memorial, seguindo as medidas de segurança tal qual descrito nas NR’s pertinentes. A proposta da construtora e dos instaladores, devem ser apresentadas indicando equipamentos, ferramentas, veículos pertinentes exclusivamente à empresa que vier a ser contratada ou locação direta do equipamento. Nos preços ofertados deverão ser computadas as despesas decorrentes. Aquilo que não estiver de acordo com as condições contratuais será impugnado pela fiscalização, devendo o empreiteiro providenciar reexecuções necessárias, imediatamente após o registro da ordem de serviço. 8.1 Projeto O projeto pertinente feito pela construtora deverá ser anexado a este memorial, que servirá de referência para execução da obra. Antes da construção, o projeto da contratada deverá se apresentar ao Departamento de Engenharia da Prefeitura de Manaus. 8.2 Segurança Deverá haver rigorosa observação às normas de segurança do trabalho, do Ministério do Trabalho. Serão de uso obrigatório os equipamentos de proteção individual, EPI, conforme disposto na norma reguladora NR 6, do Ministério do Trabalho. As partes móveis de ferramentas e equipamento deverão ser protegidas, de forma que as ferramentas não sejam abandonadas impedindo passagens, andaimes e superfícies de trabalho. Todos e quaisquer 33 riscos e acidentes de trabalho serão de inteira responsabilidade da empresa à qual for adjudicada à obra ou serviço. 8.3 Início da obra A obra deve iniciar quanto antes todas as partes estiverem de acordo. 8.4 Prazos Os prazos de execução dos serviços serão implementados conforme análise do trabalho pelo chefe de obra e do engenheiro responsável.8.5 Instalações Elétricas Todas as instalações elétricas deverão obedecer rigorosamente as normas da Norma Regulamentadora NR 10 do Ministério do Trabalho, que trata da segurança em instalações e serviços em eletricidade, assim como também à NBR 5410, e aos padrões da concessionária Manaus Energia. Todas as tomadas deverão possuir aterramento. As tomadas telefônicas, deverão ser do tipo aparente, dispostas com aterramento padrão universal (2P + T). Os interruptores deverão estar condizentes com as normas ABNT e outras pertinentes. A instalação das lâmpadas devem seguir também as regras ABNT e pertinentes. A fiação deverá seguir as normas já indicadas para instalações industriais. Os pontos elétricos deverão ser colocados em eletrodutos aparente de PVC, padrão ABNT. Quaisquer dúvidas deverão ser seguidos os padrões das norma regulamentadoras concernentes. 8.6 Válvulas Todas as válvulas utilizadas no projeto deverão atender às regulamentações da NR 13 quando necessárias e aplicáveis. Além disso, as normas PETROBRAS N-76, N-2444 e N- 2668 são utilizadas para identificações específicas para válvulas, tubos, conexões, flanges, uniões, juntas, parafusos, porcas e outras padronizações. O conjunto de válvulas ao longo da malha da planta é formado pelas seguintes válvulas:Válvulas globo; válvula bola atuada pneumaticamente; válvula gaveta; válvula pistão bola; válvula manual bola; válvula de alívio de pressão. 8.7 Tanques Serão utilizados 2 (dois) tanques para a seção de aquecimento do produto, idênticos entre si. Além disso, um tanque será utilizado em conjunto com o agitador, formando um 34 tanque tipo CSTR, que será utilizado para misturar os reagentes. Se necessário, os tanques deverão possuir válvulas de segurança, em conformidade com a NR 13. Os tanques também podem estar sujeitos às normas do American Petroleum Institute, para garantir a qualidade de sua utilização, através das normas API 12 R1, API RP 571, API RP 576, API RP12A, API RP12B,API RP 12D, API std 570, API std 620, API std 650, API std 653, API std 2000, entre outras normas que sejam pertinentes. O material escolhido para os tanques deve ser tal que não possa influenciar o resultado da operação, e de tal modo que os fluidos não alterem as propriedades físicas do tanque a curto e longo prazo. 8.8 Mixer Um mixer será utilizado em conjunto com um tanque para a produção do CSTR, e servirá como agitador da mistura. 8.9. Transmissores 8.9.1 Transmissor de peso O transmissor de peso deverá possuir certificação em relação à Directiva MID 200422/CE relativa aos instrumentos de pesagem com funcionamento automático. Deverá também possuir Directiva 89/336/CEE relativa à compatibilidade eletromagnética e Directiva 73/23/CEE relativa a equipamentos de Baixa Tensão. 8.9.2 Transmissor de temperatura O transmissor de temperatura deverá ser utilizado conjuntamente com o indicador de temperatura e o controlador da válvula de temperatura, seguindo para isso as normas de calibração ASTM E220-13,E1129/E-1129M-15 e E2846-14. 8.10 Indicadores 8.10.1 Indicador de peso O indicador de peso deverá ser utilizado em conjunto com o transmissor de peso, seguindo as normas pertinentes ABNT e ASTM. 8.10.2 Indicador de Temperatura O indicador de temperatura deverá funcionar em conjunção com o transmissor de temperatura e com o sistema de controle da válvula de temperatura, para controle da vazão e temperatura no tanque. 35 8.11. Controladores Os controladores utilizados ao longo da planta serão Controlador de tensão, para o controle de rotação do motor do Mixer; Controlador indicador de temperatura, que será utilizado para indicar e controlar a temperatura por meio do acionamento de válvulas na linha de vapor; Controlador indicador de velocidade, que será utilizado para controlar a rotação do motor na bomba. Todos estes equipamentos deverão atender às normas internacionais e ABNT de calibração de equipamentos, e sofrer manutenção programada e cíclica. 8.12. Bombas As bombas utilizadas são as bombas centrífugas e uma bomba de engrenagens. A bomba é utilizada na seção 06 da malha 341, e é utilizada para o bombeamento aos tanques TK-341-09A e TK-341-09B. A bomba possui uma válvula de alívio de pressão, um motor e um Controlador Indicador de Velocidade do motor. 8.13. Funis São utilizados dois funis para as correntes de saída de ambos os tanques, como mostrado no projeto desenhado em Autocad. A utilização de ambos corresponde à uma retirada do produto no processo. 8.14 Suportes Os suportes utilizados devem ter capacidade mecânica adequada para a sustentação dos equipamentos e tubulações necessários, de forma a manterem a segurança na planta durante a operação da mesma. O material do suporte deve ser tal que não sofra alterações pelo ambiente em que o suporte se encontra. 8.15 Redutores Os redutores serão utilizados para a redução do diâmetro da seção de uma tubulação. Serão utilizados para este projeto apenas reduções de 2”x 1”. 8.16 Motores Os motores de acionamento da bomba e do mixer deverão ser dimensionados conforme a necessidade, respeitando as normas ISO, ABNT e RN vigentes. O motor da bomba possui um indicador controlador da velocidade da bomba, de forma que sobre este e sobre a bomba devem ser levantadas manutenções constantes e programadas. 36 8.17 Tubulação A tubulação na qual percorre ar comprimido, vapor e outros fluidos de alta pressão deverão possuir um plano de inspeção, que considere os fluidos transportados, a pressão de trabalho, temperatura de trabalho, mecanismos de danos previsíveis e as consequências para os trabalhadores, instalações e meio ambiente trazidas por possíveis falhas das tubulações. Além disso, as tubulações devem possuir obrigatoriamente dispositivos de segurança conforme os critérios do código de projeto utilizado, ou atendendo às recomendações de estudo de análises de cenários e de falhas, conforme explícito na NR 13 para caldeiras, vasos de pressão e tubulação. Os intervalos de inspeção das tubulações deve atender aos prazos máximos da inspeção interna do vaso ou caldeira mais crítica a ela interligada. Outras especificações de projeto pertinentes deverão seguir rigorosamente a legislação e as Normas Regulamentadoras Brasileiras. Como adendo pode-se seguir a norma da PETROBRAS N-1692, que é obrigatória no detalhamento de tubulações industriais. Para a identificação das tubulações, pode-se utilizar a norma PETROBRAS N-1522. 8.18 Manômetros Os manômetros serão utilizados nas linhas de correntes de alta pressão, conforme descrito pela NR 13. 8.19 Quadro de materiais O quadro de materiais abaixo é baseado no diagrama de processos P&ID da planta da qual este trabalho trata. Nele constam as válvulas, equipamentos, tanques e acessórios descritos pela simbologia da planta, e suas quantidades. O objetivo deste quadro é assegurar uma quantificação do material utilizado no processo, não levando-se em conta a tubulação nem as correntes de processo, pois tais informações não foram dispostas. Tabela 4 – Quadro de materiais Equipamento Quantidade Válvula globo 12 Válvula atuadora pneumática 3 Manômetro 3 Válvula gaveta 1 Válvula pistão bola 9 Tanques 2 37 Equipamento Quantidade Tanque CSTR + mixer 1 Válvula bola com acionamento manual 29 Transmissor de peso 1 Indicador de peso 1 Controlador de tensão do mixer 1 Controlador indicador de temperatura 1 Transmissor de temperatura 1 Indicador de temperatura 2
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