Avaliação III instrum

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOS QUÍMICOS 
 
 
Dennys Correia da Silva 
Luciano da Costa Pereira 
Marta Emília Pereira Louzeiro 
 
 
 
 
TRABALHO PARA TERCEIRA NOTA 
 
 
 
 
 
 
 
São Luís - MA 
23/12/2014
 
1 
 
Dennys Correia da Silva 
Luciano da Costa Pereira 
Marta Emília Pereira Louzeiro 
 
 
 
 
 
 
TRABALHO PARA TERCEIRA NOTA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
São Luís - MA 
23/12/2014 
Trabalho apresentado como requisito para 
aprovação na disciplina Instrumentação de 
Processos Químicos do curso de 
Engenharia Química da Universidade 
Federal do Maranhão. 
Prof. Gustavo Andrade 
 
 
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LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1 - Alguns tipos de medidores de vazão modelo EX DELTA ........................ 16 
Figura 2 - Válvula com atuador pneumático de diafragma ........................................ 17 
Figura 3 - Manômetro petroquimico. .............................................................................. 18 
Figura 4 - TZD: Termômetro Digital. .............................................................................. 19 
Figura 5 - Medidor de potencia (0-1000kW). ................................................................ 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1 - Leitura dos componentes do TE ................................................................. 10 
Tabela 2 - Abordagem de alguns autores para o problema Tennessee Eastman. 13 
Tabela 3 - Especificações de medidores de vazão..................................................... 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Sumário 
 
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 5 
2. PROBLEMA PROPOSTO ............................................................................... 7 
3. DADOS DO SISTEMA ..................................................................................... 9 
3.1. Sobre o Processo ............................................................................................... 11 
4. ESPECIFICAÇÃO PARA EVENTUAL COMPRA ......................................... 15 
4.1. Medidores de Vazão .......................................................................................... 15 
4.2. Medidores de vazão utilizado nas correntes 0 e 6. ...................................... 15 
4.3. Tipo de válvula utilizada no controle da vazão para todas as correntes .. 17 
5. CONCLUSÃO ................................................................................................ 21 
REFERENCIAS .................................................................................................... 22 
ANEXOS .............................................................................................................. 23 
 
 
5 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A Instrumentação é definida como “a ciência que estuda, desenvolve e 
aplica instrumentos de medição e controle de processos”. Ela é utilizada para 
se referir à área de trabalho dos técnicos e engenheiros que lidam com 
processos industriais (técnicos de operação, instrumentação, engenheiros de 
processamento, de instrumentação e de automação), mas também pode estar 
relacionada aos vários métodos e técnicas possíveis aplicadas 
aos instrumentos. 
Para controlar um processo industrial (independentemente de qual seja 
o produto fabricado ou a sua área de atuação) é necessária a medição e o 
controle de uma série de variáveis físicas e químicas; para isso, é utilizada a 
instrumentação. O engenheiro que desenvolve, projeta e especifica os 
instrumentos que realizam estas medições é o engenheiro de instrumentação. 
Nos primórdios do controle de processos, os indicadores, os elementos 
de controle assim como as válvulas eram monitorados por um operador que 
passava em todas as malhas de controle e ajustava a abertura ou fechamento 
das válvulas para obter a variável (temperatura, pressão, vazão, etc.) desejada. 
Com o surgimento de instrumentos pneumáticos na década de 1940 de 
transmissão e controle foi possível a monitoração e controle de forma 
automatizada. O operador já não precisava mais abrir ou fechar todas as 
válvulas manualmente. Isto reduziu o tempo que os operadores necessitavam 
para monitorar o processo. Inicialmente os controladores eram instalados 
próximos ao transmissor e à válvula de controle que pertenciam a sua malha 
de controle. Com o passar dos anos estes controladores de campo começaram 
a ser reunidos em um sala que centralizava os elementos de controle. Nascia a 
sala de controle de processo. Os sinais dos elementos de medição que se 
localizavam instalados no processo, eram enviados à sala de controle por 
um transmissor, o controlador processava este sinal e enviava de volta para o 
campo um sinal para o posicionador, que movimentaria a válvula de controle. 
Todos os instrumentos utilizados nestas malhas de controle eram pneumáticos. 
 
6 
 
O sinal de entrada e saída para estes instrumentos variava entre 3 a 15 psi 
(com incrementos de 3 psi entre cada faixa de valor, totalizando 5 faixas) e 
utilizavam um alimentação de ar de 20 psi. O inconveniente deste tipo de 
instalação são os vazamentos que ocorrem devido a trincas ou corrosão nas 
tubulações de cobre ou aço carbono, ou trincas por ressecamento para 
tubulações de vinil. Estes vazamentos poderiam acarretar uma falha na malha 
de controle, ou até mesmo a parada da produção. 
A próxima evolução da Instrumentação ocorreu com o surgimento da 
computação. Com a elevação da complexidade dos processos industriais, a 
necessidade de mais processamentos e de mais malhas de controle, tornava-
se inviável ter centenas de malhas de controle utilizando-se de instrumentos 
discretos, pois cada instrumento está sujeito a falhas e necessita de 
manutenção. [1] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
2. PROBLEMA PROPOSTO 
 
Para o trabalho final é usado o modelo de processo Tennessee 
Eastman (TE), mostrado na Figura abaixo: 
 
 
 
O processo tem cinco unidades principais: reator, condensador, 
separador, stripper e compressor (Para maiores detalhes vide material de 
apoio). Desta forma o trabalho consiste em especificar o modelo/fabricante e 
maiores detalhes a respeito de cada instrumento presente na planta. Utiliza 
critérios de instalação e especificação que permitam que a planta opere em 
condições normais de acordo com o estabelecido no material de apoio do 
trabalho: Tese de doutorado do departamento de engenharia química da 
Universidade de Coimbra – Portugal. O trabalho todo trada de controle preditivo 
utilizando como exemplo o modelo TE, porém foi extraído somente o capítulo 
que trata das especificações gerais do processo TE. Não será necessário 
apresentar orçamento, porém será necessário apresentar um modelo 
especifico de instrumento industrial que você compraria para a sua planta. 
 
8 
 
Portanto, para o trabalho final deve se obedecer aos seguintes 
critérios: 
 
a. Especificar os instrumentos de medição de pressão, temperatura, 
vazão, potência. 
 
b. Especificar as válvulas de controle; 
 
 c. A especificação deve conter o maior número de detalhes possível 
para que uma eventual compra seja realizada sem problemas. 
 
d. As restrições de operação devem ser estritamenteobedecidas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. DADOS DO SISTEMA 
 
Reator: 
Pressão: 2705,0kPa rel. 
Nível: 75% 
Temperatura: 120,40°C 
Volume de líquido: 16,55m³ 
Separador: 
Temperatura: 80,109°C 
Nível: 50% 
Volume de líquido: 4,88 m³ 
Pressão: 2633,7kPa 
Stripper: 
Nível: 50% 
Pressão: 3102,2kPa 
Temperatura: 65,731°C 
Volume de líquido: 4,33 m³ 
Compressor 
Potencia: 341,43kW 
 Temperatura de saída da agua de arref. do reator: 94,599°C 
 Temperatura de saída da agua de arref. do separador: 77,299°C 
 
 
10 
 
Tabela 1 - Leitura dos componentes do TE 
Simbologia Significado Quantidade 
A,D,E,C alimentação reagentes 4 
(Ideograma) válvulas com atuador 
pneumático de 
diafragma 
11 
X(A,B,C,D,E,F) não classificada(analise, 
chama, cond. elétrica, 
densidade, tensão, 
vazão) 
 
 
FI indicadores de vazão 11 
LI indicador de nível 
 
3 
SC chave de cond. elétrica 
 
1 
PI indicador de pressão 3 
TI indicador de 
temperatura 
5 
JI indicador de potencia 1 
 
Divisão Por Setores 
 Reator 
 3 valvulas da alimentaçãoA,D,E 
 1 indicador de nível (LI) 
 1 controlador de velocidade (SC) 
 1 indicador de vazão (FI) 
 1 indicador de pressão (PI) 
 2 indicadores de temperatura (TI) uma no reator e outra na 
saída 
 1 valvula 
 
 
11 
 
 Condensador 
 1 valvula 
 1 indicador de temperatura (TI) 
 
 Separador 
 1 valvula 
 1 indicador de nível (LI) 
 1 indicador de pressão (PI) 
 1 indicador de temperatura (TI) 
 1 indicador de vazão (FI) 
 
 Stripper 
 3 valvulas uma é da alimentação de C 
 3 indicadores de vazão (FI) uma é da alimentação C 
 1 indicador de pressão (PI) 
 1 indicador de temperatura (TI) 
 1 indicador de nível (LI) 
 
 Compressor 
 2 valvulas 
 2 indicadores de vazão (FI) 
 1 indicador de potencia (PI) 
 
3.1. Sobre o Processo 
 
“Diversas metodologias para projeto de controle global têm sido 
apresentadas, e muitas delas foram avaliadas no processo Tennessee 
Eastman (TE), proposto por DOWNS &VOGEL (1993). O processo TE é 
bastante adequado para aplicação do sistema de controle global, pois 
possibilita ampla variedade de estudos. O processo é composto basicamente 
 
12 
 
por um reator, condensador, separador líquido-vapor, compressor de reciclo e 
uma coluna de arraste (stripper). 
O reator possui sistema interno de resfriamento para remoção do calor 
gerado. Os produtos deixam o reator em fase vapor junto aos reagentes não 
convertidos. A corrente de produto do reator é resfriada e condensada para a 
separação dos produtos no tanque de separação líquido-vapor. Os 
componentes não condensáveis são reciclados, passando por um compressor 
e novamente alimentados ao reator. A fase líquida contida no separador segue 
para a coluna de arraste (stripping) para a remoção de reagentes pela corrente 
do reagente C. 
O processo TE clássico possui 12 válvulas e 41 medidores para o 
controle e monitoramento. Os objetivos de controle para este processo são 
típicos dentro de processos químicos. Foram definidos como objetivos: 
 Manter as variáveis de processo dentro dos valores desejáveis; 
 Manter as condições operacionais dentro das restrições dos 
equipamentos; 
 Minimizar a variação da taxa de produção e qualidade dos produtos 
durante perturbações; 
 Minimizar a movimentação de válvulas; 
 Recuperar rápida e suavemente as taxas de produção durante 
perturbações. 
As restrições do processo foram definidas como os limites de 
segurança e proteção dos equipamentos. Os limites superiores e inferiores 
fazem parte da estratégia de intertravamento do processo no caso de perda do 
controle. Foram realizadas diversas perturbações no processo e desenvolvida 
uma rotina computacional para o controle global do processo.” [2] 
No problema proposto, somente foram identificados porem 11 válvulas 
ao invés de 12. 
 
13 
 
Tabela 2 - Abordagem de alguns autores para o problema Tennessee Eastman. 
 
 
 
14 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
4. ESPECIFICAÇÃO PARA EVENTUAL COMPRA 
 
4.1. Medidores de Vazão 
 
Medidores de vazão utilizado nas correntes 1, 2, 3, 4, 9, 10 e 11, ou 
seja na Alimentação em A, D, E, C, Strip e na corrente de produto e purga. 
Modelo: Ex DELTA Standard 
Especificações 
Tamanho 
Tipo Wafer (sensor fixo) 
10 a 150 mm (10mm 
para líquido somente) 
Tipo Flangeados 
(sensor fixo ou sensor 
substituível) 
50 a 300 mm 
Flowrange 
Líquido (água) 0,2* a 2510 m3/h 
Gás (0.2MPa Ar) 4 a 15000 m3/h 
Vapor (0.5MPa (Vapor 
Saturado) 
0,013 a 46.9 t/h 
Temperatura 
Operacional 
-30 a +300 °C (Max.150mm e menor). 0 to +300 
°C (Min.200mm e maior). 420 °C Max. (sensor 
substituível, alta temperatura). 
Pressão Operacional 5MPa (Dependendo do processo e da conexão) 
Precisão ±1% da leitura 
 
4.2. Medidores de vazão utilizado nas correntes 0 e 6. 
 
- Entrada do reator e Reciclo 
Modelo: EX DELTA Tipo Insersão 
 
 
16 
 
Tabela 3 - Especificações de medidores de vazão. 
Especificações 
Tamanho Diâmetros de tubo 
20 a 2000 mm (montado 
em flanges de 100mm) 
Flowrange 
Líquido (água) 72 a 67800 m3/h 
Gás (0.2MPa Ar) 923 a 565000 m3/h 
Vapor (0.5MPa (Vapor 
Saturado) 
3,03 a 1760 t/h 
Temperatura 
Operacional 
-40 a +300 ºC. 
Pressão Operacional 
1,37 MPa (Dependendo do processo e da 
conexão) 
Precisão ±2% do FS 
 
O moderno e versátil medidor de vazão modelo DELTA, com princípio 
de funcionamento por efeito Karman´s Vortex, pode ser usado para Líquidos, 
Gases ou Vapor. A total ausência de qualquer parte móvel, baixa perda de 
carga, fácil para o uso e longa vida útil mais a excelente repetibilidade; todas 
estas características fazem-no bem ajustável para utilização nas mais diversas 
aplicações na indústria. 
 
Figura 1 - Alguns tipos de medidores de vazão modelo EX DELTA 
 
 
17 
 
4.3. Tipo de válvula utilizada no controle da vazão para todas as 
correntes 
 
- Válvula com atuador pneumático de diafragma 
Especificações: Válvula Diafragma em aço inoxidável forjado em conformidade 
com a ASME BPE 2002 
Limites de operação: 
- Temperatura de operação de -30ºC a +140ºC 
- Pressão de operação de vácuo absoluto até 10 bar 
- Atuador pneumático (Sistomat P) dimensionado para uma pressão de 
operação de 10 bar (com diafragma padrão em EPDM) 
- Pressão de ar de comando de 5,0 a 6,0 bar 
Design: 
- Válvula diafragma de assento suave, de operação manual ou pneumática. 
- Vedação junto ao assento e isolamento do meio externo via diafragma, isenta 
de cantos mortos, própria para processos CIP / SIP. Ângulo de drenagem livre 
marcado externamente à válvula junto aos terminais (versão para solda). 
 
 
Figura 2 - Válvula com atuador pneumático de diafragma 
 
18 
 
Medidores de pressão 
- Manômetro petroquímico: modelo DR-63/411.233/21F 
Preço: R$158,70 
Escala 0-100 bar e 0-1500 psi 
Esse modelo de medidor serve para todos os equipamentos utilizados no 
processo, pois todas as tomadas de medidas estão dentro do seu limite. [3] 
 
 
Figura 3 - Manômetro petroquimico. 
 
Medidores de Temperatura 
TZD - Termômetro Digital 
Faixas de Temperatura: Desde -50° à 300°C. 
Características: - Totalmente em Aço InoxAISI - 304 
- Grau de Proteção IP-65 
- Sensor PT-100 
- Termopar Tipo “K” e “J” 
- Indicação Decimal °C - °F 
 - BateriasAA (5000 horas)19 
 
- Indicação de Pico máximo e mínimo 
- Luz auxiliar 
- Tempo de Resposta 40 ms 
- Precisão 0,5% F.E. 
Aplicações: Máquinas, equipamentos e processos: Industriais, Químicos, 
Farmacêuticos, Alimentícios. [4] 
 
Figura 4 - TZD: Termômetro Digital. 
 
 
Medidores de Potencia 
Medidor de potencia (0-1000kW) 
Descrição: 
- Marca: HB Brasil 
- Modelo: 0-1000 kW 
- Frontal: 95X95 mm 
- Profundidade: 150 mm 
 
20 
 
- Estado: seminovo [5] 
 
Figura 5 - Medidor de potencia (0-1000kW). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
5. CONCLUSÃO 
 
A instrumentação industrial não é a resposta completa, mas é a base e 
grande responsável por todos os pontos apresentados. Mantendo um controle 
de todas as variáveis envolvidas no processo, além de uma qualidade uniforme 
da matéria prima, a energia envolvida não é desperdiçada. O uso da 
instrumentação industrial no processo gera um rendimento máximo do 
processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em 
trabalho na elaboração do produto desejado. 
Uma produção automatizada gera uma produção em maior quantidade 
em comparação a uma produção artesanal com a mesma quantidade de 
funcionários. Outro aspecto importante é que os equipamentos trabalhando por 
conta diminui a mão de obra nas industriais (problema social e econômico). 
Exemplo um funcionário que iria envazar as garrafas, em média 100 por hora 
uma maquina automatizada controla a vazão e a pressão e envaza 100 em 3 
segundos. 
Com uma qualidade melhor, menos desperdícios, menos mão de obra 
e maior quantidade de produtos sendo fabricados, gera ao empresário um lucro 
maior. Para automatizar e investir em instrumentação industrial de alta 
tecnologia usa-se um investimento elevado e nenhum empresário desperdiça 
dinheiro se não tiver um retorno a mais do que investiu. 
Por isso a importância da analise dos circuitos, como o TE no caso. É 
necessário saber os custos de equipamentos, se haverá retorno, se existe 
garantias. Quem compra ou investe em algo precisa sempre adquirir ganhos 
acima de perdas e o referente trabalho teve como base a análise de um padrão 
de classificação de equipamentos e os níveis de operações fornecidos. [6] 
 
 
 
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REFERENCIAS 
 
[1] http://pt.wikipedia.org/wiki/Instrumenta%C3%A7%C3%A3o_industrial 
[2] http://tpqb.eq.ufrj.br/download/tadp-transalquilacao-e-desproporcionamento-
de-tolueno.pdf 
[3]http://www2.ciashop.com.br/instrutherm/product.asp?template_id=60&old_te
mplate_id=60&partner_id=&tu=b2c&dept%5Fid=1100&pf%5Fid=02873&nome=
Man%F4metro+petroquimico+com+escala+0%2D100bar+e+0%2D1500psi%2C
+Rosca+1%2F4%22NPT%2C+saida+reta+%28vertical%29%2E&dept%5Fnam
e=Man%F4metro 
[4] http://www.zurichpt.com.br/index.php/produtos/termometros-industriais 
[5] http://www.cadiriri.net.br/sobras-industriais/produto/eletrica-controladores-
instrumentos/medidor-potencia.htm 
[6] http://adm.online.unip.br/img_ead_dp/39628.PDF 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
23 
 
ANEXOS 
 
Rascunho para a divisão por setores usada no trabalho