Aula 1 Processo industrial 2016.2 r2

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INTRODUÇÃO
MARCO GAYA
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 INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
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1.	Critério de aprovação
Serão aplicadas duas provas (P1 / P2), caso a media aritmética seja inferior a 4 o aluno está reprovado, entre 4 < 7 aluno ficará em prova final, com nota superior ou igual a 7 o aluno é aprovado por média..
2.	Sobre a presença em aula
A universidade estabelece formalmente o seguinte; “Será reprovado, sem direito a exame final, o aluno de crédito ou seriado que não obtiver, em cada disciplina ou atividade, a frequência exigida, isto é, o aluno que deixar de comparecer a um mínimo de 75% do total de horas/aula, independente de alcançar nota final superior a 7.0.”
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3.	Sobre a revisão das provas
O procedimento de solicitação de revisão de prova é estabelecido nos regulamentos da UERJ, conforme quadro a seguir apresentado, e deve ser efetuado formalmente junto a secretaria do IQ em formulário próprio, como pode ser observado não esta previsto a questão de “visto de prova”, mas sim de revisão. Somente será efetuada revisão de prova por solicitação formal nas bases estabelecidas pelo regimento da UERJ. Entendendo que revisar uma prova não é revisar uma questão mas sim a prova inteira de forma a verificar se a questão esta efetivamente correta ou não.
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EVOLUÇÃO HISTÓRICA
1. Até a década de 1940, as plantas eram operadas manualmente por um grande número de operadores, os quais valiam-se de alguns poucos instrumentos mecânicos elementares que realizavam controle local.
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2. Com o surgimento (anos 40-50) dos instrumentos pneumáticos, foi possível a transmissão de informações sobre as variáveis do processo, através de tubulações específicas, até uma certa distância. Isso permitia que os controladores ficassem reunidos em uma mesma sala, a sala de controle do processo.
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3. Com a criação da instrumentação eletrônica digital nos anos 1970 e 1980, o grau de automação das instalações industriais foi ampliado entrando o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD). Que associa varias malhas de controle numa única estação de controle. Atualmente, utilização de sistema wireless (remoto)
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AUTOMAÇÃO: CONCEITOS
Automação Industrial: procura escolher a tecnologia que melhor se adapta a uma máquina ou processo com a melhor relação de custo/benefício. Ela ainda pode ser subdividida em três níveis, sendo: de campo, de controle e de supervisão
Automação Comercial: nesse caso faz o uso de softwares para proporcionar a otimização de processos comerciais, desde a produção de sistemas de controle de estoque até a identificação de mercadorias por códigos de barra.
Automação Residencial: aplicam-se as técnicas de automação para o conforto e a segurança habitacional, que variam desde o ajuste de temperatura por ar condicionado até o controle por biometria.
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PIRÂMIDE DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
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Automação Industrial: A automação, por essência, estuda técnicas e maneiras de diminuir a mão de obra em um processo, ou seja, uma forma eficaz de substituir o manual pela máquina ou robótica..
Instrumentação Industrial: A instrumentação, por outro lado, estuda como aperfeiçoar o controle/desempenho de processos industriais, como o aumento de segurança de máquinas e pessoas. Um exemplo é quanto aos instrumentos pneumáticos, que foram substituídos pelos eletrônicos para que houvesse uma melhoria no sistema.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL X INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL 
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O PROCESSO INDUSTRIAL
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Fluxograma
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Concepção de um processo químico / petroquímico
Entendendo o processo
Estruturando as principais operações
Elaborando o diagrama de blocos
Elaborando o fluxograma de processo
Identificando as variáveis controladas / manipuladas
Lançando uma primeira visão do controle
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PROCESSO INDUSTRIAL - ALGUMAS DEFINIÇÕES
SÃO PROCEDIMENTOS ENVOLVENDO DE FORMA LÓGICA ETAPAS QUÍMICAS / MECÂNICOS QUE FAZEM PARTE DA MANUFATURA DE UM OU VÁRIOS ITENS, USUALMENTE EM GRANDE ESCALA.
ASSOCIAÇÃO LÓGICA DE DIFERENTES OPERAÇÕES UNITARIAS CUJA FINALIDADE ESTA EM PROCESSAR AS MATERIAS PRIMAS (ENTRADAS) EM PRODUTOS QUE ATEDAM A UMA DEMANDA DEFINIDA (SAÍDA) COM UM MINIMO DE SUBPRODUTOS GERANDO UM MÍNIMO DE PERDAS SEM DE FORMA SUSTENTAVEL E SEM DANO AO MEIO AMBIENTE
UM CONJUNTO DE PROCESSOS UNITÁRIOS INTERLIGADOS ENTRE SI, DE ACORDO COM UMA SEQUENCIA LÓGICA
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EXEMPLO PARA ELABORAÇÃO DO DIAGRAMA DE BLOCOS DO PROCESSO
 1. DESCRIÇÃO DO PROCESSO 
Um processo para produção de um produto C via a reação de duas matérias primas A e B. Como informação de processo temos que: 
A e B líquidos
 Processo continuo  ( T e P definidos)
C é solúvel em A + B // C é solúvel em água
A e B são insolúveis em água
C produto final é sólido 
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ETAPAS SEQUENCIAIS (lógicas) 
IDENTIFICAÇÃO DAS ETAPAS BASICAS DO PROCESSO
AREA DE ARMAZENAMENTO 
ÁREA DE REAÇÃO 
AREA DE SEPARAÇÃO
ÁREA DE ACABAMENTO
AREA DE ARMAZENAMENTO DE PRODUTO FINAL
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Analisando as etapas associadas ao processo
Separação C da mistura A/B - (C solúvel. A e B insolúvel em água)
Lavagem / decantação (ou)
Extração
Separação de C ( C – sólido)
Concentração (Evaporação) - solução
Cristalização (esfriamento) suspensão
Separação (Filtração, Centrifugação , ets.) ( sólido com umidade alta)
Acabamento
Secagem (spray dryer / rotativo /esteira / fluidização)
Classificação granulométrica (peneiramento/classificação ae[rea (pouco usada)
Transporte / Armazenamento – Pneumático / Rosca transportadorta,etc.
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Fluxograma
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Área de armazenamento
MP
ETRI
Área de reação
Área de acabamento
Área de separação
Área de recuperação
(MP não reagida)
Área de armazenamento (PF)
B
A
A+ B
B
A
C – A/B
C / H2O
H2O
C
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ELABORAÇÃO DO DIAGRAMA DE BLOCOS
Armazenamento
Reação
Separação
ETRI
Classificação
Secagem
Separação
Cristalização
Recuperação
Evaporação
B
A
A/B
B
A
Água
C/ A+B
C/Água
C/Água
C/Água
C
C
C
Água
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 FLUXOGRAMA PRELIMINAR DE PROCESSO
O fluxograma preliminar do processo busca mostra de forma lógica, a interligação dos principais equipamento que constituem as operações unitárias associadas ao processo. Eles incluem todos os vasos, reatores, separadores e tambores; equipamentos como trocadores de calor, bombas, etc. Completa o PFD o balanço de massa com as condições das correntes e o controle básico (ou mínimo – sem a estratégia) que permite o entendimento do processo sem recorrer a descrição detalhada
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O ATO DE CONTROLAR
BUSCAR GARANTIR, A QUALIDADE DO PRODUTO PRINCIPAL, COM UM MINIMO
DE PERDAS, SEM DANO AO MEIO AMBIENTE, COM SEGURANÇA, GARANTINDO OS PRINCIPIOS DE SUSTENTABILIDADE
1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- PROCESSOS QUÍMICOS:
Petróleo;
Petroquímica;
Química Fina;
Farmacêutica;
Alimentos;
Cerâmica;
Siderúrgica;
Celulose e papel;
Têxtil;
Geração de Energia, etc.
-- VARIÁVEIS DE PROCESSO (PV):
Pressão;
Nível;
Vazão;
Temperatura;
pH;
Condutividade;
Velocidade;
Umidade;
Tempo, etc.
Instrumentação
Industrial ?
Controle
de processos ?
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- CONTROLE DE PROCESSOS: manter variáveis de processo (PV) em valores (patamares) desejados;
-- INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL: auxiliar o controle dos processos industriais.
-- PVs:
Temperatura do fluido de processo (entrada e saída);
Vazão e condições do vapor;
Vazão do fluido de processo;
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- TERMOS USUAIS EM CONTROLE DE PROCESSOS:
VARIÁVEL CONTROLADA: variável que deve ser mantida ou controlada em algum valor desejado.
VALOR DE REFERÊNCIA (“set point”): também conhecido como valor de controle, valor de ajuste ou valor desejado. É o valor desejado da variável controlada.
VARIÁVEL MANIPULADA: é a variável usada para manter a variável controlada no seu valor de referência. É a variável onde o controlador vai atuar para fazer as correções, a fim de manter a variável controlada no valor de referência.
VARIÁVEL PERTUBADORA (variável de carga): é qualquer variável que pode fazer com que a variável controlada se desvie do valor de referência.
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VARIÁVEIS MANIPULADAS E CONTROLADAS
 Exemplos básicos
Aquecendo um reator (pressão atmosférica) num processo endotérmico:
Variável controlada – Temperatura: Manipulada – Utilidades (vapor, óleo quente, etc.)
Controlando um sistema de flash (destilação em um estágio) ( a vazão de alimentação sempre estará associada a um tipo de controle (vazão / nível, etc.)
	a) Se adiabático: Controladas Pressão (topo e nível (fundo). Manipuladas Topo – vazão de gás, Fundo vazão de líquido)
	b) Se isotérmico: Controladas, Temperatura (vaso ou linha) alem da pressão e nível
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA ABERTA:
	Sistema em que a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada em função das alterações nas variáveis de processo.
Exemplos:
Temperatura da água do chuveiro (potência – casp elétrico) ou vazão de água fria 
Tempo de cozimento ( vazão de gás (Fogo baixo / médio ou alto)
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA FECHADA: ou sistema de controle com realimentação, tem a função fundamental de manipular a relação entrada/saída de energia ou material, de maneira a manter a variável controlada dentro dos limites estabelecidos.
	Regula a variável controlada fazendo correções, de forma manual ou automática, em outra variável do processo (variável manipulada).
Variável controlada
Variável manipulada
Variáveis perturbadoras
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
-- SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA FECHADA (CONTINUAÇÃO):
MEDIR, COMPARAR, COMPUTAR E CORRIGIR.
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1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
“O objetivo do sistema de controle automático de processos é usar a variável manipulada para manter a variável controlada no seu valor de referência, apesar das perturbações.
É trabalho do engenheiro de controle projetar um esquema de controle capaz de manter um processo controlado e operando dentro das condições normais para as quais ele foi projetado.”
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“Os sistemas de segurança são projetados para atuar quando o processo controlado sai das condições normais e se aproxima ou adentra em condições anormais que possam ocasionar risco ou dificuldade.”
“A função dos instrumentos é controlar, monitorar e proteger os sistemas industriais.”
“Definir o que controlar, monitorar e proteger em um processo industrial exige o conhecimento básico das matérias-primas, produtos, operações unitárias, equipamentos, seqüências e situações operacionais.”
1.1 - CONCEITOS BÁSICOS
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Fluxograma
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Simbologia
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Fluxograma
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Simbologia
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Fluxograma
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Representação
P	PERMUTADOR DE CALOR (AQUECEDOR, REFERVEDOR, 		RESFRIADOR,CONDENSADOR, RESFRIADOR A AR)
PE	PENEIRA, ESTEIRA FILTRANTE
R 	REATOR, REGENERADOR
S 	SECADOR
SA 	SEPARADOR DE ÁGUA
SAO 	SEPARADOR DE ÁGUA E ÓLEO
SC 	SEPARADOR CENTRÍFUGO
SG 	SEPARADOR DE GÁS/ÓLEO/ÁGUA
SI 	SILO
SP 	SOPRADOR
T 	TORRE (DE DESTILAÇÃO, DE FRACIONAMENTO, DE 		RETIFICAÇÃO)
TB 	TURBINA A VAPOR OU A AR
TQ 	TANQUE DE ARMAZENAMENTO OU DE MISTURA
V 	VASO, TAMBOR
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Fluxograma
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Tq 1
A
Tq 2
B
Tq 3
H2O
Tq 4
A/B
R-1
V-1
lav
V 2
dec
V-3
Evap
V-4
Cris
V 5
Sc-1
Sl-1
S-1
Secag
Tp- 1
P 1
Pe-1
Sl-2
B-1
B-5
B-6
B-4
B-3
B-2
B-7
Sp-1
Sp-2
Cl-1
Cl-2
Dr-1
Dr-2
Armazenamento
Matéria prima
Reação
Separação
Acabamento
Ar
Ar
ETRI
Produto Final 
Tratamento
Gases
FLUXOGRAMA PRELIMINAR
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INSTRUMENTOS: CONCEITOS E NOÇÕES PRELIMINARES
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1.2 – CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS
1.2.1 - CLASSES:
INSTRUMENTOS CEGOS: instrumentos sem indicação visível da variável medida. Ex: instrumentos de alarme (pressostatos e termostatos) e alguns instrumentos de vazão, pressão, nível e temperatura.
INSTRUMENTOS INDICADORES: instrumentos que dispõem de indicação local para leitura da variável medida/controlada.
INSTRUMENTOS REGISTRADORES: são instrumentos que registram a variável medida/controlada de forma contínua ou intermitente.
ELEMENTOS PRIMÁRIOS: elementos que estão em contato direto com a variável medida/controlada e fornecem ao sistema de medição um sinal.
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1.2 – CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS
1.2.1 - CLASSES:
TRANSMISSORES: são instrumentos que detectam as variações na variável medida/controlada através do elemento primário, transmitindo-as à distância. Pode formar um conjunto único com o elemento primário. (atualmente por conta da pequena diferença de custo, alguns transmissores possuem indicação local da variável medida no campo (FIT)
CONVERSORES: são instrumentos capazes de receber e converter um tipo de sinal em outro.
CONTROLADORES: instrumentos que comparam o valor da variável medida/controlada com o valor desejado e exercem uma ação de correção na variável manipulada (função da diferença entre estes valores e das características do sistema de controle).
ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE: são equipamentos que recebem o sinal de correção do controlador e, em função deste sinal modificam/atuam sobre a variável manipulada ou agente de controle.
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1.2 – CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS INSTRUMENTOS
1.2.2 - DEFINIÇÕES:
FAIXA DE MEDIDA (“range”): faixa ou conjunto de valores da variável medida/controlada que estão compreendidas dentro dos limites inferior e superior de capacidade de medição, transmissão ou controle do instrumento (estabelece os seus valores extremos).
ALCANCE (“span”): diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento.
PONTO
DE AJUSTE (“set point”): é o ponto no qual o controlador é ajustado para controlar o processo.
ERRO (“offset”): diferença entre o valor do ponto de ajuste e o valor medido da variável controlada.
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PRECISÃO, (ACCURACY): É a tolerância de medição ou de transmissão (% Span, % leitura, etc.)
SENSIBILIDADE (SENSITIVITY): Valor mínimo que a variável deve mudar para obter-se uma variação na indicação ou transmissão (% Alcance)
REPETIBILIDADE (REPETIBILITY): É a capacidade de reprodução da indicação ou da transmissão repetidamente nas mesmas condições (% span)
HISTERESE (HYSTERESIS): Diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento para um mesmo valor qualquer da faixa de medida (independente do percurso (%span)
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Supressão de Zero : É a quantidade com que o valor inferior da faixa de medida (range) supera o valor zero da pressão): a supressão acontece quando o transmissor indica um nível superior ao real. (1)
Elevação de Zero :É a quantidade com que o valor zero de pressão supera o valor inferior da faixa de medida (Range). Pode ser expresso em unidades da variável medida ou porcentagem do alcance (span) (2)
(1)
(2)
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1.3 – IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
Referência: Bega e outros. Instrumentação Industrial - 1ª Edição. Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás. Editora Interciência, 2003.
 ISA: The Instrumentation, Systems and Automation Society, antiga Instrument Society of America.
 Norma S 5.1: Instrumentation Symbols and Identification.
 ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.
 Norma NBR 8190: Simbologia de Instrumentação.
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1.3 – IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
1.3.1 – LETRAS DE IDENTIFICAÇÃO DE INSTRUMENTO OU FUNÇÃO PROGRAMADA:
-- CONSIDERAÇÕES:
	A padronização da ISA considera que cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras e um conjunto de algarismos.
	A primeira letra do conjunto indica a variável medida/controlada.
	As letras subsequentes indicam a função desempenhada pelo instrumento na malha de controle.
	O primeiro conjunto de algarismos indica a área/fábrica e o segundo indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence.
	Para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.
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OBS: a primeira letra de identificação funcional é selecionada de acordo com a variável medida ou controlada e não de acordo com a variável manipulada.
1.3 – IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
EXEMPLO (TRC-21002A):
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1.3 – IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
1.3.2 – SÍMBOLOS GERAIS PARA INSTRUMENTOS OU FUNÇÃO PROGRAMADA:
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1.3 – IDENTIFICAÇÃO E SÍMBOLOS DE INSTRUMENTOS
1.3.3 – SÍMBOLOS E FUNÇÕES DE PROCESSAMENTO DE SINAIS:
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SÍMBOLOS DE LINHAS PARA INSTRUMENTO OU FUNÇÃO PROGRAMADA:
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EXEMPLOS (VÁLVULAS, DAMPERS E ATUADORES):
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EXEMPLOS (ELEMENTOS PRIMÁRIOS DE VAZÃO):
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EXEMPLOS DE REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE PROCESSOS (P&I)
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Fluxograma
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Laço de controle
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“Permitir a atuação sobre o processo reduzindo ao máximo a variação de forma a ter o mínimo de material fora de especificação, obtendo desta forma maior segurança pessoal, a integridade dos equipamentos e a qualidade do meio ambiente”
CONTROLE PODE SER DEFINIDO COMO:
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Identificando controles simples
Controle em vaso aquecido (ou refrigerado) (ou para um trocador de calor)
Base: Quanto se tem a necessidade de se manter um fluido numa determinada temperatura de forma a garantir sua qualidade ou fluidez, ex Parafina, Asfalto, etc. Variável controlada: Temperatura. Variável manipulada: utilidade (vapor, água de refrigeração, etc.)
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IDENTIFICANDO OS CONTROLES EM EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS 
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2. Controle de tempo de residência ( ou nível)
Base: No caso de reatores (sistema contínuos), normalmente o tempo de reação é variável controlada, da mesma forma em vasos intermediários, deve-se garantir um volume mínimo para se evitar cavitação de bombas. Neste caso a variável controlada é a altura útil ocupada e a manipulada a descarga do vaso ou reator
Nota: Não se realiza controle de nível via manipulação da vazão de alimentação do vaso ou reator), pode sim haver um intertravamento alterando a vazão
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  3. Controle de BOMBAS
 
 Basicamente existem dois casos, Bombas centrifugas e bombas de deslocamento positivo (engrenagem) 
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3.1 Bombas centrifugas: Podemos ter bombas com acionamento elétrico ou com acionamento a turbina. A variável controlada é a vazão. Como variável manipulada podemos ter: Variação da rotação do rotor por modulação da frequência elétrica cedida ao motor, variação na vazão de vapor de acionamento da turbina de acionamento da bomba
Variável manipulada a própria vazão: Neste caso a instalação de uma válvula de controle na descarga da bomba
 
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3.2 Bombas de deslocamento positivo (engrenagem, lóbulos, fuso, diafragma, etc.).
Neste tipo de bomba, a pressão da descarga independe da vazão e o controle da vazão pode ser efetuado de duas formas, a saber.
Variando-se a rotação ou o curso do pistão (caso tipo diafragma ou de pistão)
Recirculando parte da vazão para a sucção (não é muito utilizado)
No caso das bombas de deslocamento positivo onde o fluxo é pulsante, uma forma muito utilizada para minimizar o efeito da pulsação é a instalação de um vaso pressurizado antes da linha de reciclo para a sucção
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Este sistema, a depender do tipo de compressor contempla os seguintes itens:
Controle de pressão na descarga, controle de vazão (básicos). Alem disso considerando compressores lubrificados a óleo temos, controle do nível de óleo. A depender do porte, controle de vibração (surge)
4. Compressores
De uma forma geral, num projeto de processo não se especifica apenas o compressor mas sim o sistema de compressão, que é composto normalmente dos seguintes equipamentos: de Vaso de sucção, resfriador entre estágios de compressão ( inter cooler) e sistema básico de segurança.
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REATORES
 
 No caso dos reatores, o sistema de controle a ser adotado é dependente do tipo de reação processado no equipamento. O objetivo neste caso é a garantia da qualidade do produto dentro das condições especificadas. Deste modo podemos ter como variáveis controladas; a temperatura da reação, a pressão do reator, o nível do reator, etc
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DESTILAÇÃO 
Por ser um processo que associa vários outros sistemas (vasos de condensado, trocadores de calor ( condensador e refervedor)), por ser uma operação de separação que ocorre por conta de diferença entre pressões de vapor (volatilidade relativa), os paramentos básicos de controle são: na torre: temperatura, pressão, vazão de refluxo interno e nível (fundo e prato de retirada lateral caso exista). Alem destes, deve-se considerar controle de nível – vaso de condensado e controle de carga térmica fundo (não se utiliza dois controles de temperatura (topo/fundo). A Alimentação basicamente no ponto de bolha e controlada (atentar sempre para a origem da carga)
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Por se tratar sistema que utiliza recheio (seja randômico ou estruturado, são sustentados, assim também controla-se o nível no fundo. Em termos operacionais, a torre pode operar afogada ( mais usual), caso contrário utiliza-se um controle de nível no topo.
A depender do processo pode-se considerar a inclusão de um controle de pressão (fase gasosa) e um controle de temperatura. Neste caso se deve verificar a possibilidade do controle da temperatura do solvente
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EXTRAÇÃO 
Como operação que utiliza um solvente para remoção de um contaminante, normalmente as variáveis de controle são: Vazão de carga e vazão de solvente.
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Ø      SEPARAÇÃO POR FLASH. 
 
A operação de flash, ou destilação em um único estagio, de uma forma simplificada implica numa redução de pressão, visando separar uma mistura mais volátil de uma determinada mistura neste caso os controles básicos são:
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Pressão e nível no vaso de separação.
Como existem dois tipos de operação, isotérmica e adiabática, a depender do tipo temos a inclusão do controle de temperatura.
A vazão de alimentação também é controlada, mas deve-se verificar a origem da carga pois esta já por ser admitida no vaso oriunda de um sistema que já sofreu controle (tipo um vaso de condensado, neste caso não cabe controle)
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De uma forma simplificada, a operação de estripagem pode ser considerada como sendo uma separação de um determinado composto existente em uma mistura geralmente líquida,. Desta forma controla-se a vazão do gás de arraste. Normalmente a estripagem ocorre em ligeira depressão, logo, controla-se a pressão da torre (topo). Como o produto final é liquido, controla-se o nível no fundo. Cabem a mesma observação feita para o flash, se a operação é adiabática ou isotérmica. No segundo caso cabe controle de temperatura
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Ø      ESTRIPAGEM (arraste de um determinado contaminante por uma outra fase gasosa)