Artigo de Controle Maria Nathalia, Mariana, Marja (1)

Prévia do material em texto

ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CONTROLE L-V DE UMA 
COLUNA DE DESTILAÇÃO BINÁRIA 
 
 
M. N. B. CORREIA1, M. A. AQUINO1 e M. B. PIMENTEL1 
 
1 Universidade Salvador – UNIFACS, coordenação de engenharia química 
E-mail para contato: marja.bittencourt@gmail.com 
 
 
RESUMO – Este artigo apresenta a análise das principais características de um sistema de 
controle de configuração L-V de uma coluna de destilação binária. Nesse controle o refluxo e 
a carga térmica do refervedor são as entradas para o controle das composições da saída da 
corrente do destilado e do fundo da coluna, respectivamente. Portanto, a principal variável 
controlada é a composição, já que está diretamente relacionada a especificação do produto 
desejado. Um diagrama de blocos foi desenvolvido para o sistema e foi sugerida a adição de 
desacopladores como forma de redução do acoplamento existente na malha estudada. 
Determinou-se que o tipo de controlador mais indicado para o controle da composição é o PID 
e para as outras variáveis controladas, pressão e nível, é o PI. No entanto, sabe-se que uma 
análise mais robusta dos parâmetros do sistema é necessária para se determinar o controlador 
mais eficiente. 
 
ABSTRACT – This article presents the analyses of the main characteristics of a L-V binary 
distillation column system control. In this control the reflux and the reboiler duty are the inputs to 
control the output composition of the distillate and bottom streams, respectively. Therefore, the mail 
controlled variable is the composition as it is directed related with the desired product specification. 
A block diagram was developed for the system and it was suggested the addition of a decoupling 
controller as a solution to reduce the existing coupling in the control loop. It was determined that 
the controller type more indicated to control the composition is the PID and for the other controlled 
variables, pressure and level, is the PI. However, it is known that a robust analyses of the system 
parameters is needed in order to determine the most efficient controller. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 
Os objetivos operacionais de uma coluna de destilação estão relacionados ao melhor 
funcionamento levando em consideração a hidráulica da coluna, a fim de evitar problemas como 
inundação e gotejamento; a segurança do processo; e a especificação de composição requerida para 
as correntes de topo e fundo. 
 
Destilação é a operação unitária mais comum e o processo de separação mais importante 
na indústria química. A separação dos componentes é feita pela aplicação ou remoção de calor 
e se baseia na diferença de volatilidade e no princípio do equilíbrio das fases líquida e vapor. 
Desta forma, o vapor terá maior presença dos componentes mais voláteis, ou seja, com menor 
ponto de ebulição, enquanto o líquido possuirá componentes menos voláteis. Esse processo 
pode ser usado na separação de misturas binárias ou multicomponentes, através do contato entre 
as fases que ocorre por meios de internos da torre. 
 
 
 O sistema de uma coluna de destilação, ilustrado na Figura 1, é composto pela coluna de 
destilação; pelo condensador, que resfria e condensa o vapor contendo o componente mais 
volátil que sai pelo topo; pelo vaso de refluxo, que armazena o vapor condensado onde parte 
volta para coluna e a outra sai como produto de topo; e pelo refervedor, que vaporiza parte do 
líquido armazenado no fundo da coluna e que retorna para coluna fornecendo calor para o 
sistema. Sua maior aplicação é na indústria petroquímica, especialmente na refinação do 
petróleo. 
CARGA/
ALIMENTAÇÃO
REFERVEDOR
VASO DE 
REFLUXO
CONDENSADOR
 
Figura 1 - Fluxograma esquemático de um sistema de destilação (Fonte: própria) 
 
Colunas de destilação em processos industriais são operadas em situações dinâmicas 
sujeitas às perturbações inerente do processo. Desta forma, um sistema de controle em uma 
coluna de destilação é de extrema importância para quantificar os efeitos das perturbações e 
atuar no processo a fim de eliminá-los, garantindo assim a qualidade do produto (FUCHS, 
2010). 
 
Em uma área de controle automático de um processo, a variável controlada ou principal 
(PV) é a grandeza que deve ser mantida em um valor desejado, chamado de ponto fixo ou set 
point (SP). A grandeza responsável por alterar o meio controlado para manter a variável 
controlada no seu ponto fixo é chamada de variável manipulada (MV). Finalmente, qualquer 
variável que faz com que a variável controlada desvie do seu ponto fixo é conhecido como 
variável distúrbio (DV) ou perturbação (SMITH, 1997). 
 
No sistema de controle o sensor é responsável por produzir um sinal, que poderá ser 
pneumático ou elétrico, relacionado à variável do processo que se quer medir. Os transmissores 
permitem então que o sinal do sensor seja visto pelo controlador, que recebe o sinal e compara 
com o valor desejado. Com base na sua decisão, o controlador envia um sinal para o elemento 
final de controle, por exemplo a válvula de controle, que irá atuar no processo. Esse tipo de 
sistema de controle é conhecido como controle por realimentação ou feed-back. Existem ainda 
outros tipos de configuração de controle, como o antecipativo (feed-forward) e o inferencial. 
 
 
Uma malha de sistema de controle pode ainda ser classificada como malha aberta e fechada. Na 
malha aberta, o sistema de controle é independente da saída. Diferentemente, na malha fechada 
a ação do controlador é determinada de acordo com a saída do processo (TOWER; SINNOTT, 
2008; SMITH; CORRIPIO, 1997). 
 
Existem três leis básicas de controle que relaciona a manipulação com o erro: 
Proporcional (P); Proporcional-Integral (PI); e Proporcional-Integral-Derivativo (PID). O 
controlador PID é caracterizado por apresentar um só sinal de controle, resultante da 
combinação das ações proporcional, integrativa e derivativa. 
 
Embora a maioria das colunas operem com uma alimentação multicomponentes, muitas 
delas podem ser aproximadas para uma mistura binária. Portanto, para fins didáticos do presente 
trabalho, será considerado uma coluna de destilação binária na qual será aplicada um controle 
de retroalimentação (feedback) em malha fechada. Serão analisadas as principais variáveis e o 
controlador mais indicado para o sistema. 
 
 
2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA 
 
 
A destilação é o principal processo de separação utilizado na indústria química. Ela é 
utilizada em vários processos químicos para separar correntes e purificar produtos. Colunas de 
destilação de altas purezas são não-lineares e o controle é muito difícil quando tem múltiplos 
produtos de composição constante. Vários métodos de controle foram reportados na literatura, 
no entanto os controles PI e PID ainda representam a maioria dos controles utilizados na 
indústria (YANG, 2005). 
 
A função integral dos controladores do tipo PI apesar de eliminarem o erro estacionário, 
aumentam o tempo de estabelecimento, prejudicando a estabilidade do sistema. 
Consequentemente, o ganho da ação proporcional será reduzido. O controlador do tipo PID 
resulta da combinação dos modos proporcional, integral e derivativo. O modo integral é 
responsável por eliminar o erro estacionário causado pelas variações de carga. E o modo 
derivativo permite o aumento do ganho e redução de possíveis oscilações (LOURENÇO, 1997). 
 
A escolha do tipo de controlador depende das especificações e das condições operativas 
do sistema. De forma geral, a ação proporcional é usada para obter um determinado tempo de 
subida; a ação derivativa é usada para obter uma determinada sobreelevação; e a ação 
integrativa é usada para eliminar o erro estacionário (CORRIPIO; SMITH, 1997). Segundo 
Yang 2005, foi obtido uma melhor performance do controle PID quando comparado ao controle 
PI para um sistema de destilação binário, no entanto, não se pode garantir que este é a melhor 
configuração para o melhor ganho do processo. A Figura 2 resume, de maneira geral, quando 
cada controlador deve ser usado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 - Tabela para escolha do tipo de controlador PID (Fonte: GUERRIERI) 
 
Mesmo para o processo de destilação binária o controle simultâneo das composições do 
destilado e da corrente de fundo ainda é difícil. Os sistemas que apresentam várias variáveis 
controladas e manipuladas, tanto de entrada quanto de saída, são denominados de sistemas 
multivariáveis (MIMO). As malhas de controle MIMO, no entanto, apresentam alguns 
problemas devido a presença de interferências (acoplamento) no processo que podem existir 
entre os controladores. Considerando uma coluna de destilação, por exemplo, ajustando tanto a 
vazão de refluxo quanto a carga térmica do refervedor irá afetar as composições de ambos os 
produtos de fundo e topo (SEBORG; EDGAR; MELLICHAMP, 2004). 
 
 Quando se trabalha com um sistema multivariáveis, costuma-se representar um sistema 
de controle da forma N x N, na qual N representa o número de variáveis controladas ou variáveis 
manipuladas. Considerando que algumas malhas não interagem entre si, normalmente utiliza-
se pares de variáveis baseados no melhor controle e medição e na interação entre si, reduzindo 
assim o sistema para um controle 2 x 2 (RADEMAKER et al., 1975; REMBERG et al., 1994; 
SHINSKEY, 1984; BUCKLEY et al., 1985; SKOGESTAD, 1992 apud ZIERHUT, 2014). O 
sistema de controle dual da composição, por exemplo, é considerado complexo devido as 
interações existentes entre suas variáveis, no entanto ele é de extrema importância quando se 
busca uma elevada pureza tanto no produto de topo quando no produto de fundo (ZIERHUT, 
2014). 
 
 A instabilidade gerada pela interação entre as malhas, pode ser restabelecida a partir do 
uso de desacopladores. A performance de um controle desacoplador depende da precisão do 
modelo do processo e quão bem estão sintonizados ao sistema. Desacopladores são raramente 
utilizados para malhas acima de três variáveis (3 x 3), sendo utilizado, portanto, outros modelos 
para casos ais complexos (SEBORG; EDGAR; MELLICHAMP, 2004) 
 
 
 
 
3. OBJETIVOS 
 
 
3.1. Objetivo Geral 
 
Realizar uma revisão bibliográfica visando analisar as principais características de uma 
malha de controle L-V de uma coluna de destilação binária. 
 
3.2. Objetivos Específicos 
 
- Determinar as principais variáveis do sistema e a relação entre elas. 
 
- Esquematizar o diagrama de blocos para o sistema em estudo. 
 
- Determinar qual o tipo de controlador mais indicado para cada variável controlada. 
 
 
4. METODOLOGIA 
 
 
Realizou-se uma pesquisa bibliográfica exploratória para identificar as possíveis 
configurações de malhas de controle em processos que envolvem colunas de destilação. Para 
uma mistura binária foram encontradas estratégias de controle a depender da combinação entre 
as variáveis manipuladas do sistema. Existem várias possibilidades a depender das variáveis 
escolhidas, no entanto, a configuração L-V (L relativo ao refluxo e V a carga térmica do 
refervedor) foi escolhida, pois apresenta boa característica dinâmica ao manipular os fluxos de 
líquido e vapor em uma coluna de destilação e é menos sensível a composição da carga. Foi 
verificado que esse sistema apresenta elevado acoplamento, o que levou a realização de 
pesquisas voltadas para a redução dessa característica. 
 
Após a seleção da configuração foram levantadas informações a respeito das possíveis 
variáveis manipuladas, controladas e distúrbio em uma coluna de destilação. Existem uma 
variedade enorme de arranjos possíveis para o controle de uma coluna de destilação, no entanto, 
a partir das variáveis principais encontradas foi verificada a relação entre elas levando em 
consideração a configuração L-V de controle escolhida, esquematizado um diagrama de blocos 
para o sistema e analisado o tipo de controlador a ser utilizado. 
 
 
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
 
Após analisar os modelos de controle utilizados para uma coluna de destilação binária, 
optou-se por analisar a estrutura do controle L-V. Nesse controle a vazão de refluxo (VR) e a 
carga térmica do refervedor, diretamente relacionada à vazão (VA) do fluido de aquecimento, 
são usados como entradas para controlar as saídas relacionadas as purezas do destilado e da 
corrente de fundo, respectivamente. Na Figura 3 é possível verificar a localização de cada 
 
 
válvula e a relação com os respectivos transmissores, sendo estes de nível (LT), de pressão (PT) 
e de composição (AT). 
PT
LT
LT
AT
AT
V, z
VA
VF, x
VD, y
VR
VC
 
Figura 3 - Malha de controle da coluna de destilação (Fonte: Própria) 
 
Passa o sistema apresentado existem cinco variáveis controladas, cinco variáveis 
manipuladas e possíveis variáveis distúrbio (perturbações) inerentes ao processo, conforme 
descrito na Tabela 1. Cada conexão elétrica existente entre os transmissores e as válvulas na 
Figura 3 representa uma malha controle em feedback, portanto o sistema em estudo apresenta 
cinco malhas de controle resultantes das relações entre as cinco variáveis manipuladas com as 
cinco variáveis controladas. 
 
 
Tabela 1 – Variáveis da malha de controle da coluna de destilação (Fonte: Própria) 
Variáveis Controladas Variáveis Manipuladas Variáveis Distúrbio 
Composição y do 
Destilado 
Vazão de Refluxo (VR) 
- Vazão de Alimentação 
(V); 
- Composição da 
Alimentação; 
- Temperatura de 
Alimentação; 
- Suprimento de fluido 
de aquecimento e 
resfriamento; 
- Condições ambientais. 
Composição x da 
corrente de fundo 
Vazão de fluído de 
aquecimento do 
Refervedor (VA) 
Nível do vaso de 
condensado 
Vazão de Destilado (VD) 
Nível do fundo da 
Coluna 
Vazão do Fundo (VF) 
Pressão da Coluna 
Vazão de fluído de 
aquecimento do 
Condensador (VC) 
 
 
 
Na Tabela 1 cada variável controlada está relacionada a sua respectiva variável 
manipulada. As variáveis manipuladas são vazões que podem ser manipuladas através do ajuste 
desejado na válvula de controle, controlando assim a variável desejada. Os níveis do vaso de 
condensado e do fundo da coluna são inerentes ao processo e são diretamente controlados por 
pela vazão do destilado e do fundo, respectivamente. Segundo Fuchs (2010) a pressão é uma 
das variáveis mais importantes, pois afeta em quase todo o processo operacional da coluna. Em 
relação as perturbações sofridas no processo, o mais comum é que sejam provenientes de 
alterações da corrente de alimentação, pois essas alterações influenciarão em todas as variáveis 
controladas do processo. Uma variação da temperatura da entrada, por exemplo, pode deslocar 
o perfil de temperatura através da coluna, resultando assim em um distúrbio na composição dos 
produtos. 
 
Considerando o estudo da coluna de destilação binária para que se obtenha produtos de 
elevada concentração tanto no topo quanto no fundo deve-se existir um controle rigoroso das 
concentrações dessas correntes para que o produto esteja sempre dentro do especificado.Dentro 
das cinco variáveis controladas existentes da Tabela 1, o controle das composições x e y são os 
mais importantes por estarem diretamente ligado a pureza do produto desejado. As outras três 
variáveis (pressão e níveis) estão voltadas para a operação estável da torre. 
 
Como foi visto, cada variável manipulada pode afetar várias variáveis controladas no 
sistema. Considerando que existem cinco variáveis manipuladas para cinco variáveis 
controladas, pode-se formar centenas de arranjos diferentes relacionando essas variáveis, sendo 
um diagrama de bloco para cada situação. Como no modelo em estudo busca-se a maior pureza 
do produto, será considerada apenas as duas variáveis principais relacionadas ao controle das 
composições a partir da manipulação do refluxo e da carta térmica do refervedor. O diagrama 
de blocos está esquematizado na Figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Diagrama de blocos (Fonte: Própria) 
 
 
As saídas do sistema Y (concentração do destilado) e X (concentração da corrente de 
fundo) são as variáveis controladas que devem ser mantidas iguais aos set-points SP1 e SP2, 
respectivamente. Caso exista diferença entre o valor medido e o set-point, um erro E1 ou E2 
será lido pelo controlador que atuará na válvula 1 ou 2, respectivamente. Como pode-se 
perceber, a partir da Figura 4, para as duas variáveis controladas existiriam duas malhas de 
controle em feedback independentes caso não houvesse a interação entre elas através dos 
processos 1.2 e 2 2.2. Fica claro visualizar que caso ocorra uma perturbação que ocasione uma 
mudança na concentração Y, por exemplo, ela será corrigida através da atuação do Controlador 
1 sob a Válvula 1, que por fim altera o Processo 1.1 na direção da correção da perturbação. No 
entanto, esse ajuste da Válvula 1 também atuará no processo de maneira a interferir na 
manutenção da concentração X, através do Processo 2.2. Essa interferência geraria um loop que 
aumentaria o tempo para alcançar a nova estabilidade após uma perturbação em qualquer uma 
das duas variáveis. 
 
Uma alternativa para essa situação é a adição de desacopladores à malha de controle com 
o objetivo de reduzir o acoplamento existente entre os controladores. Conforme Figura 5, os 
desacopladores 1 e 2 serão responsáveis por reduzir a interferência gerada pelos Processos 2.2 
e 1.2, respectivamente. Como consequência a estabilidade da malha fechada passa a ser 
determinada pelas estabilidades das malhas de controles individuas (SEBORG; EDGAR; 
MELLICHAMP, 2004). 
 
 
 
Figura 5. Diagrama de blocos com inclusão dos desacopladores (Fonte: Própria) 
 
 
O tipo de controle a ser utilizado para cada variável controlada do sistema foi determinado 
com base nos dados da Figura 2. A composição altera de forma lenta e por ser a principal 
variável do sistema estudado é necessário um controlador com maior ganho e menores erros e 
oscilações. O controlador PID é recomendado para a medição de composição, portanto seria o 
controlador indicado para o controle das composições dos produtos de topo de fundo da 
destilação. Já para o controle de pressão e vazão o controle PID não é recomendado. Como a 
 
 
vazão e pressão precisam ser controlados de maneira rápida a fim de manter a estabilidade do 
sistema, o controle PI seria o mais indicado. Vale ressaltar que a indicação dos controladores 
não confirma que eles seriam realmente os melhores para a situação es estudo, visto que para a 
implementação de um controlador é necessário analisar a sintonia para que se obtenha uma 
melhor estabilidade, robustez e velocidade de resposta da malha de controle. 
 
 
6. CONCLUSÃO 
 
 
Ao analisar do sistema de controle L-V de uma coluna de destilação verificou-se as 
principais variáveis controladas, manipuladas e distúrbio. As variáveis controladas são 
composição, pressão e nível, sendo a primeira a mais importante por estar diretamente 
relacionada a pureza do produto desejado. Já as variáveis manipuladas, responsáveis pela 
manutenção das variáveis controladas, são basicamente as vazões das correntes envolvidas no 
sistema, sendo as vazões do fluido de aquecimento e resfriamento responsáveis pela carga 
térmica do refervedor e condensador, respectivamente. 
 
Para a determinação do diagrama de blocos, houve uma simplificação do sistema 5 x 5 
encontrado, contendo todas as variáveis, para um sistema 2 x 2, relacionado apenas às variáveis 
controladas mais importantes. A partir do estudo realizado, ficou claro que existem 
interferências (acoplamentos) entre os controladores em uma malha de controle e, dependendo 
da quantidade de variáveis, faz-se necessário a utilização de desacopladores ou sistemas mais 
robustos para afim de eliminá-las. 
 
Por fim, foi analisado o tipo de controlador mais adequado para cada uma das cinco 
variáveis controladas. Dois controladores foram sugeridos, o PI e o PID. Para o controle da 
composição faz-se necessário a utilização de um controlador mais robusto, portanto, o PID seria 
o mais adequado. Já para o controle da pressão e do nível o PI seria o mais recomendado já que 
precisa de uma resposta mais rápida. No entanto, esses dois controladores são apenas sugestões, 
visto que os parâmetros da sintonia devem ser analisados antes de decidir qual o controlador 
deve realmente ser utilizado para cada situação. 
 
 
7. REFERÊNCIAS 
 
 
BARATTI, R.; CORTI, S.; SERVIDA, A. A feedforward control strategy for distillation 
columns. Great Britain: Elsevier, 1997. 
 
BAZANELLA, A. S.; SILVIA, J. M. G. Ajuste de controladores PID. Departamento de 
Engenharia Elétrica, Rio Grande do Sul. 2000. 
 
FRANCHI, C. M. et al. Instrumentação de uma coluna de destilação didática. In: 
CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAÇÃO EM ENGENHARIA, 35., 2007, Maringá. 
Anais... Distrito Federal: Abenge, 2007. 
 
 
 
FUCHS, S. Desenvolvimento De Uma Estratégia De Controle Para Colunas De 
Separação Propeno-Propano. 2010, 47 f. Monografia (Graduação). Curso de Engenharia 
Química. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 
 
LOURENÇO, J. Sintonia de controladores P.I.D. 1996. 12 f. Dissertação (Graduação). Escola 
superior de tecnologia. 1997. 
 
MINH, V. T.; RANI, A. M. A. Modeling and Control of Distillation Column in a 
Petroleum Process. 2009. 14 f. Dissertação (Graduação). Curso de Engenharia Mecânica. 
Universiti Teknologi Petronas, Malaysia, 2009. 
 
NAIK, S. et al. Distillation Columns. Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment, 
Michigan. 
 
SEBORG, D. E.; EDGAR, T. F.; MELLICHAMP D. A. Process Dynamics and Control. 2. 
ed. John Wiley & Sons, 2004. 
 
SKOGESTAD, S. Dynamics and Control of Distillation Column: A tutorial introduction, 
Norway: IChem, 1997. 
 
SMITH, C. A.; CORRIPIO, A. Princípios e Prática do Controle Automático de Processo. 
2. ed. Florida: LTC, 1997. 
 
TOWER G.; SINNOTT. R.; Chemical Engineering Design – Principles, Practice and 
Economics of Plant and Process Design. Londres. Elsevier, 2005 
 
YANG, J. S. Optimization based PI/PID Control for a Binary Distillation Column. 
Oregon, jun. 2005. 
 
ZIERHUT, E. J. Modelagem empírica de destilação com controle distribuído e comparação 
desta estratégia com preditor de Smith. 2014. 92 f. Dissertação (Mestrado) – Engenharia de 
Processos. Universidade da Região de Joinville - UNIVILLE