aula 05

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PROCESSOS QUÍMICOS 
INDUSTRIAIS 
AULA 05 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Thaís Helena Curi Braga 
 
 
 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
Um processo químico industrial não está completo sem os instrumentos 
de controle, que são usados com o objetivo de controlar as variáveis do 
processo, tais como temperatura, pressão, vazão, nível, pH, condutividade, entre 
outras. A medida e o controle dessas variáveis são indispensáveis não apenas 
para assegurar o bom desempenho da unidade industrial, a qualidade final do 
produto, mas também para atender às normas de segurança. 
Figura 1 – Medidor de pressão em uma indústria de óleo e gás 
 
No início, o controle era realizado manualmente, com o auxílio de 
instrumentos simples como termômetros e válvulas manuais. Com o 
desenvolvimento dos processos, veio a necessidade de automação e 
desenvolvimento de novos instrumentos de medição e centralização do controle 
de variáveis em uma única sala. Hoje, existem controles mecânicos, hidráulicos, 
pneumáticos, elétricos, eletrônicos e digitais. 
Figura 2 – Monitor de uma sala de controle 
 
 
 
 
 
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TEMA 1 – MEDIDORES DE PRESSÃO 
O instrumento de medida de pressão mais simples é o tubo em U, que 
consiste em um tubo de vidro contendo um líquido, denominado fluido 
manométrico (os mais usados são água e mercúrio), fixado a uma escala 
graduada. Quando se aplica uma pressão em uma das extremidades, o líquido 
é deslocado proporcionalmente a essa pressão aplicada. Note na figura a seguir 
que a outra extremidade do tubo é aberta, sofrendo a ação da pressão 
atmosférica. Se o lado aberto à atmosfera desce mais, isso significa que a 
pressão no balão é menor que a pressão atmosférica, ou seja, é uma pressão 
negativa ou vácuo. Em contrapartida, se o nível do fluido está mais alto no lado 
aberto à pressão atmosférica, a pressão exercida pelo líquido dentro do balão é 
maior que a atmosférica, denominada pressão relativa. 
Figura 3 – Manômetro em U 
 
O manômetro em U mede apenas pressões relativas positivas ou 
negativas. A pressão absoluta é, por definição, a soma da pressão relativa com 
a pressão atmosférica ou barométrica. 
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑟𝑒𝑙 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 
A pressão atmosférica é a pressão exercida pela atmosfera terrestre. Ela 
é medida por um instrumento chamado barômetro, daí ser denominada pressão 
barométrica. 
 
 
 
 
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Figura 4 – Barômetro 
 
 
Ao nível do mar, seu valor é de 1 atm ou 760 mmHg. Os instrumentos de 
medição industriais medem a pressão relativa. O valor da pressão absoluta deve 
ser calculado levando-se em conta a pressão barométrica local. Quando há 
necessidade de se utilizar a pressão em um cálculo ou na leitura de um diagrama 
ou tabela termodinâmica, essa pressão deve ser absoluta. 
Existem medidores de pressão constituídos de elementos mecânicos 
elásticos como diafragmas, foles e tubos Bourdon. Eles são fundamentados na 
Lei de Hooke, segundo a qual: “dentro de um limite definido de elasticidade, a 
deformação provocada em um corpo sólido é proporcional ao esforço aplicado 
sobre ele”. 
O tubo Bourdon é preciso e de baixo custo. Consiste de um tubo com 
seção oval na forma de um círculo, mas não completo. A extremidade aberta é 
conectada ao processo cuja pressão será medida e a extremidade fechada é 
conectada a um dispositivo de indicação e transmissão. O movimento de 
deformação é transmitido a um ponteiro por meio de engrenagens. 
Figura 5 – Tubo Bourdon tipo C. Mecanismo interno 
 
 
Assista ao depoimento de um instrumentista industrial. Disponível em: 
 
 
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https://youtu.be/JkpfHCYjvY4 
 
TEMA 2 – MEDIDORES DE TEMPERATURA 
A temperatura é a medida do grau de agitação das moléculas. Se um 
corpo mais quente é colocado em contato com um corpo mais frio, energia na 
forma de calor será transmitida espontaneamente no sentido do corpo mais 
quente para o mais frio, em respeito à Segunda Lei da Termodinâmica. 
Existem dois tipos de escalas de temperatura: 
 Escalas relativas de temperatura: Celsius (°C) e Fahrenheit (°F). 
 Escalas absolutas de temperatura: Kelvin (K) e Rankine (°R). 
Figura 6 – Selo comemorativo com a imagem de Anders Celsius, que empresta o 
nome à escala Celsius 
 
Figura 7 – Selo comemorativo com a imagem de Anders Celsius, que empresta o 
nome à escala Celsius 
 
A construção de uma escala relativa de temperatura é baseada em 
definições arbitrárias: 
 Ponto de gelo: ponto de congelamento da água na pressão 
atmosférica padrão, correspondente a 0°C ou 32°F. 
 Ponto de vapor: ponto de ebulição da água pura na pressão 
atmosférica padrão, correspondente a 100°C ou 212°F. 
 
 
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O intervalo entre esses dois limites é dividido em 100 e 180 partes, 
correspondentes respectivamente a 1°C e 1°F. 
Nas escalas absolutas, o zero da escala corresponde ao zero absoluto, 
no qual cessa praticamente todo o movimento atômico. 
 
Termômetro a dilatação de líquido em bulbo de vidro 
Consiste em um reservatório soldado a um tubo capilar de seção uniforme 
preenchido por um líquido. Durante a calibração do instrumento, a parede do 
tubo capilar é graduada em graus ou frações de graus de temperatura. Os 
líquidos mais usados são mercúrio, álcool, acetona e tolueno. Em termômetros 
de uso industrial, o bulbo de vidro e o tubo capilar são protegidos por um 
revestimento metálico. 
Figura 8 – Termômetro a dilatação industrial 
 
Termômetro a dilatação de líquido em recipiente metálico 
Um bulbo contendo o líquido está ligado a um capilar que, por sua vez, 
está ligado a um sensor volumétrico como o tubo Bourdon. A dilatação do líquido 
causa uma deformação no sensor volumétrico, transmitida para o ponteiro que 
acusa uma leitura de temperatura. 
Figura 9 – Termômetro em recipiente metálico 
 
 
 
 
 
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Termômetro a pressão de gás 
De construção idêntica ao termômetro de dilatação de líquido em 
recipiente metálico, com um bulbo, um elemento de medição e um tubo capilar 
ligando ambos, mas aqui o espaço interno livre de fluido é preenchido com um 
gás a alta pressão. Conforme a temperatura varia, o gás expande ou contrai e o 
elemento de medição opera como um medidor de pressão. Quando o volume é 
constante, a pressão varia linearmente com a temperatura. 
Figura 10 – Termômetro a pressão de gás 
 
Fonte: <http://www.temperuniao.com.br/> 
 
Termômetro a dilatação de sólidos ou termômetro bimetálico 
Consiste em dois metais sobrepostos, apresentando coeficientes de 
dilatação diferentes. A variação da temperatura provoca uma deformação, 
indicada no ponteiro. O tipo mais usado é a lâmina bimetálica helicoidal 
conectada por um eixo a um sistema de ponteiro e escala. 
Figura 71 – Termômetro bimetálico 
 
Fonte: <http://www.solucoesindustriais.com.br/> 
 
 
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Termopar: sensor de temperatura preciso, estável e barato. Devido a 
essas características, é muito utilizado. 
Figura 8 – Efeito Seebeck 
 
Fonte: <http://www.thermocom.com.br/> 
 
Efeito Seebeck: em um circuito formado por dois fios condutores de 
metais diferentes, circulará corrente I se as duas junções ou juntas T1 e T2 forem 
mantidas a temperaturas diferentes, sendo essa corrente diretamente 
proporcional à diferença entre as temperaturas. O sistema assim formado recebe 
o nome de par termoelétrico ou termopar. A junção mantida a temperatura 
constante é conhecida como junta de referência ou junta fria, e a outra junção é 
a chamada junta quente. 
Figura 13 – Termopar 
 
Fonte: <http://www.thermocom.com.br/> 
 
TEMA 3 – MEDIDORES DE VAZÃO 
São classificados comomedidores de quantidade e volumétricos. 
Medidores de quantidade: permitem determinar a quantidade de 
material que passou, mas não fornecem informações sobre o fluxo. Exemplos 
são bombas de gasolina, hidrômetros e balanças industriais. 
 
 
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Figura 9 – Exemplo de medidores de quantidade 
 
 
 
 
 
 
 
 
Medidores volumétricos 
Figura 105 – Placas de orifício 
 
Fonte: <http://www.ethosequipamentos.com.br/> 
 
Placa de orifício: consiste em uma placa perfurada colocada 
perpendicularmente ao eixo de uma tubulação. Devido ao estreitamento 
produzido pela placa na área de escoamento do fluido dentro do tubo, ocorre um 
aumento na velocidade e, consequentemente, uma pressão diferencial que pode 
ser medida. Um inconveniente da placa de orifício é a perda de carga 
irrecuperável causada no processo. 
Rotâmetro: neste medidor, um elemento flutuante varia sua posição 
dentro de um tubo de acordo com a vazão do fluido em escoamento. O fluido 
escoa no sentido da base para o topo do rotâmetro. Quando a diferença de 
pressão somada ao efeito do empuxo de líquido sobre o elemento flutuador 
excede o peso dele, este sobe e flutua na corrente. O tubo é calibrado e uma 
 
 
 
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escala é marcada na sua superfície externa, na qual se lê diretamente a vazão 
pela posição em que se encontra o flutuador. 
Figura 116 – Rotâmetro 
 
Tubo Venturi: seguindo o mesmo princípio de criação de uma pressão 
diferencial, o tubo Venturi é um estreitamento instalado na tubulação, 
usualmente entre dois flanges, com o objetivo de acelerar o fluido e 
temporariamente diminuir sua pressão estática. Muito indicado para correntes 
que contêm sólidos em suspensão ou para processos que necessitam de um 
rápido restabelecimento da pressão. 
Figura 127 – Tubo Venturi 
 
 
TEMA 4 – SISTEMAS DE CONTROLE 
Um sistema de controle compara o valor da variável de processo a ser 
controlada com o valor desejado. Detectado um desvio, o sistema toma uma 
atitude de correção a fim de manter a variável de processo muito próxima ou 
exatamente no valor desejado, de acordo com a exigência do processo. A 
variável de processo é a variável controlada e o valor desejado é chamado set-
point. Para realizar essa tarefa, é necessária uma unidade de medida, uma 
unidade de controle e um elemento final de controle no processo. 
 
 
 
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Figura 18 – Malha de controle fechada 
 
Fonte: <http://eletrotecnicaeinstrumentacao.blogspot.com.br/> 
 
Esse conjunto de equipamentos compõe a malha de controle. 
Na malha de controle fechada, não há necessidade da interferência de 
um operador. 
Na malha de controle aberta, a unidade de medida realiza a leitura da 
variável de processo e envia a leitura a um indicador, que não pode atuar 
diretamente na correção de um desvio, havendo necessidade de um ajuste 
manual feito pelo operador. 
Figura 19 – Malha de controle aberta 
 
Fonte: <http://eletrotecnicaeinstrumentacao.blogspot.com.br/> 
 
 
 
 
 
 
 
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Transmissor 
Figura 20 – Transmissores de pressão em uma unidade industrial de gás e óleo 
 
Instrumento que mede uma variável de processo e transmite a leitura. O 
sinal transmitido pode ser eletrônico ou pneumático. Os sinais de transmissão 
mais comuns são: 
 Pneumáticos: o sinal varia de 3 a 15 psi para uma faixa de medidas 
de 0 a 100% da variável. 
 Eletrônicos: geram vários tipos de sinais, sendo os mais utilizados 
de 4 a 20 mA, 10 a 50 mA ou 1 a 5 V. 
 
Controlador 
É o instrumento que compara o valor medido da variável controlada com 
o setpoint. Essa comparação gera um sinal de saída para o elemento final de 
controle com a intenção de manter o valor da variável controlada o mais próximo 
possível do setpoint. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 21 – Controladores 
 
Os tipos de controladores são: 
 controlador on-off; 
 controlador proporcional P; 
 controlador proporcional-integral PI; 
 controlador proporcional-integral-derivativo PID. 
 
Controlador on-off 
Só permite duas posições do elemento final de controle: ligado/desligado 
ou aberto/fechado. É indicado para controle de processos que aceitam oscilação 
no valor da variável controlada. Uma geladeira com set-point em 5°C pode ligar 
quando a temperatura atingir 7°C e desligar quando cair para 3°C. Esse intervalo 
de 4°C é denominado zona morta ou zona diferencial e pode ser ajustado. Outro 
exemplo de controle on-off é o banho termostático ou banho-maria. 
Figura 22 – Posição da válvula versus variável controlada 
 
Fonte: <http://www.sapiensman.com/> 
 
 
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Assista ao vídeo de um controlador PID atuando sobre uma esfera 
posicionada em cima de uma bandeja em: <https://youtu.be/j4OmVLc_oDw>. 
 
Elementos finais de controle ou atuador 
São responsáveis pela atuação direta sobre o processo, a fim de corrigir 
o desvio da variável controlada do set-point, respondendo a um sinal de 
comando do controlador. Podem ser válvulas, motores elétricos, bombas, 
pistões, entre outros. As válvulas são os elementos finais de controle mais 
comuns. 
Figura 23 – Válvula de controle 
 
As funções básicas de um sistema de controle são: 
1. Medição: o instrumento de medida em contato com a variável 
controlada faz uma leitura, que é transformada em sinal padrão por um 
transmissor e enviada para um controlador. 
2. Comparação: o controlador compara o valor medido com o valor 
desejado, o chamado set-point. 
3. Correção: caso exista desvio, o controlador envia um sinal de 
correção para o elemento final de controle. 
Assista ao vídeo de um pêndulo com controlador PID e sua resposta mais 
rápida a perturbações em: 
https://youtu.be/7r-eZYz55Sw 
 
TEMA 5 – EXEMPLO DE UM SISTEMA DE CONTROLE 
O exemplo típico de um sistema de controle é o aquecedor de tanque 
agitado contínuo com densidade e volume constantes. As vazões de entrada e 
saída são constantes e a temperatura de entrada do fluido é Ti. O objetivo do 
 
 
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controle é manter a temperatura de saída em um valor de referência constante 
TR. 
A figura a seguir mostra um módulo didático de controle de temperatura, 
usado em laboratório para prever o que aconteceria em uma unidade industrial. 
Para o sistema descrito, duas perguntas serão feitas. 
Figura 24 – Planta didática de controle de temperatura e vazão 
 
Fonte: <http://www.didatech.com.br/> 
Pergunta 1: Quanto calor deve ser fornecido ao aquecedor para aquecer 
o líquido de T1 até TR? 
A resposta está em um balanço de energia em estado estacionário para 
o líquido no tanque. Assumindo que o tanque é perfeitamente misturado e as 
perdas de calor são desprezíveis, um balanço de energia permite calcular a 
carga térmica necessária para o aquecimento de Ti até TR. 
Figura 25 – Tanque agitado com aquecimento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Volume V constante 
w, Ti 
w, T 
Q = carga térmica 
 
 
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𝑄 = 𝑤. 𝐶. (𝑇𝑅 − 𝑇𝑖) 
As variáveis de processo são classificadas como: 
 Variável controlada: T 
 Variável manipulada: Q ou w 
 Variável distúrbio: T 
 
Pergunta 2: Suponha que Ti muda com o tempo. Como podemos 
assegurar que T permanece em TR ou próximo desse valor? 
Existem várias possibilidades: 
1. Medir T e ajustar Q; 
2. Medir Ti e ajustar Q; 
3. Medir T e ajustar w; 
4. Medir Ti e ajustar w; 
5. Medir Ti e T, ajustar Q; 
6. Medir Ti e T, ajustar w; 
7. Colocar um trocador de calor na corrente de entrada. 
 
Controle Feedback (FB) 
Os métodos 1 e 3 são exemplos do controle feedback, em quea variável 
medida é a variável controlada e a variável distúrbio não é medida. Nesse tipo 
de controle, nenhuma ação corretiva ocorrerá até que o distúrbio tenha afetado 
o processo, ou seja, depois que T for diferente de TR. O controle Feedback, por 
sua natureza, não é capaz de controle perfeito, uma vez que a variável 
controlada deve desviar do setpoint antes que a ação corretiva seja efetuada. A 
grande vantagem é que a ação corretiva independe da fonte de distúrbio. 
 
Controle Feedfoward (FF) 
Os métodos 2, 4, 5 e 6 são exemplos do controle feedfoward, em que a 
variável medida é a variável distúrbio e a variável controlada não é medida. 
 
 
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O método 7 não é uma estratégia de controle, mas uma sugestão de 
mudança de projeto. 
 
NA PRÁTICA 
Cálculo da pressão absoluta a partir de valores lidos nos medidores de 
pressão. 
Os medidores apontam valores de pressão relativa, que pode ser positiva 
ou negativa. Uma pressão relativa negativa é uma pressão de vácuo. 
Como exemplo, digamos que um manômetro instalado em um vaso de 
pressão mede um valor de pressão de 2 atm e a pressão atmosférica local é 1 
atm. Então, a pressão absoluta será a soma das pressões manométrica e 
atmosférica. 
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑚𝑎𝑛 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 2 + 1 = 3 𝑎𝑡𝑚 
Agora, suponha que a leitura em um vacuômetro seja 0,2 atm, para a 
mesma pressão atmosférica local. Nesse caso, a pressão de vácuo será 
considerada uma pressão manométrica negativa e a pressão absoluta será dada 
por: 
𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑚𝑎𝑛 + 𝑃𝑎𝑡𝑚 
𝑃𝑎𝑏𝑠 = −0,2 + 1 = 0,8 𝑎𝑡𝑚 
Ou seja, o vácuo absoluto equivale a um valor de pressão menor que a 
pressão atmosférica. 
 
Transmissores 
Se um transmissor de 4 a 20 mA tiver o sinal de 4 mA (zero do 
instrumento) ajustado a 50°C e com um alcance de 100°C (span), ou seja, 20 
mA indica 150°C, pode-se definir o ganho do transmissor como: 
 𝐾𝑀 =
∆𝑇(𝑚𝐴)
∆𝑇𝑀(°𝐶)
= 
𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑠𝑎í𝑑𝑎
𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
= 
20−4
150−50
= 0,16 
𝑚𝐴
°𝐶
 
 
 
 
 
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Figura 26 – Gráfico temperatura medida versus sinal do transmissor 
 
 
Observando o gráfico acima relacionando a temperatura medida com o 
sinal de corrente, uma relação de semelhança de triângulos dá: 
𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑠𝑎í𝑑𝑎
𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
= 
20−4
150−50
= 0,16 
𝑚𝐴
°𝐶
= 
𝑇(𝑚𝐴)−4
𝑇𝑀(°𝐶)−50
 ∴ 𝑇(𝑚𝐴) = 0,16𝑇𝑀(°𝐶) − 4 
Ou seja, o sinal de controle será a temperatura medida vezes o ganho 
subtraído o zero do instrumento. 
 
SÍNTESE 
A quinta aula de Processos Químicos Industriais apresenta para o aluno 
de Engenharia de Produção uma introdução à instrumentação e controle. 
Apresentamos alguns tipos de medidores de pressão, temperatura e vazão e 
falamos sobre os princípios do controle industrial. Expanda seus conhecimentos 
pesquisando o assunto nas referências. 
 
REFERÊNCIAS 
BEGA, E. A. Instrumentação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: 
Interciência, 2006. 
 
 
 
0
5
10
15
20
25
50 100 150
Te
m
p
er
at
u
ra
 e
m
 m
A
Temperatura medida