Sistemas de Instrumentação e Controle de Processo Lista 4 - Gabarito

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1 Sistemas de Instrumentação e Controle de Processo Lista 4 - Gabarito Questão 1 Ao projetar uma válvula de controle com atuação pneumática o engenheirodeve atentar para a escolha do tipo de ação que por sua vez está relacionado com a posição de falha da válvula isto é quando não há suprimento de alimentação pneumática. Em relação ao tipo de ação de válvulas responda: a) Qual o critério básico para escolha do tipo de ação de uma válvula? O critério é a segurança do processo isto é a posição que a válvula de controle deve assumir mecanicamente em caso de falha (ausência de suprimento de ar de instrumento) de forma a manter o processo em questãoo mais seguro. b) Quais são os tipos de ação possíveis? 1. Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA) 2. Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF) 3. Falha-indeterminada (FI failindetermined) 4. Falha-última-posição (FL - faillast position). c) Para as malhas de controle a seguir escolha o tipo de ação mais adequado paraa(s) válvula(s) de controle justificando sua escolha. E ainda para cada caso determine o sinal do ganho da válvula. I. Controle de temperatura de uma reação exotérmica. TIPO DE AÇÃO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF) Como a reação é exotérmica em uma situação de falha a válvula de alimentação de água de resfriamento deve permanecer aberta para continuar removendo calor da reação e evitarque o calor seja liberado em excesso gerando superaquecimento.

2 Como a válvula falha-aberta é ar para fechar à medida que aumenta a pressão de ar a válvula vai diminuindo sua abertura. Logo incrementos na saída do controlador levam a vazões através da válvula cada vez menores. Por isso a válvula tem GANHO NEGATIVO. II. Controle de temperatura em um trocador de calor de um fluido de processo inflamável. TIPO DE AÇÃO: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA) Como o fluido é inflamável em uma situação de falha a válvula de alimentação de vapor deve ser mantida fechada para que não se aqueça descontroladamente o fluido de processo impedindo que ele se inflame o que representaria um perigo. Como a válvula falha-fechada é ar para abrir à medida que aumenta a pressão de ar a válvula vai aumentando sua abertura. Logo incrementos na saída do controlador levam a vazões através da válvula cada vez maiores. Por isso a válvula tem GANHOPOSITIVO. III. Controle de nível com o fluxo de saída. TIPO DE AÇÃO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF) Como a trata-se de um tanque aberto e a válvula atua na saída de fluxo em uma situação de falha a válvula deve permanecer aberta para que não haja possível transbordamento.

3 Como a válvula falha-aberta é ar para fechar à medida que aumenta a pressão de ar a válvula vai diminuindo sua abertura. Logo incrementos na saída do controlador levam a vazões através da válvula cada vez menores. Por isso a válvula tem GANHO NEGATIVO. Controle de nível com o fluxo de saída. TIPO DE AÇÃO: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA) Como a trata-se de um tanque aberto e a válvula atua na entrada de fluxo em uma situação de falha a válvula deve permanecer fechada para que não haja possível transbordamento. Como a válvula falha-fechada é ar para abrir à medida que aumenta a pressão de ar a válvula vai aumentando sua abertura. Logo incrementos na saída do controlador levam a vazões através da válvula cada vez maiores. Por isso a válvula tem GANHO POSITIVO. IV. Uma válvula manipula o fluxo de gás natural (combustível) para um forno. Outra válvula manipula o fluxo de ar de combustão para o mesmo forno. TIPO DE AÇÃO: AR DE COMBUSTÃO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF) COMBUSTÍVEL: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA) Em uma situação de falha é mais seguro interromper a queima e deixar que haja ar em excesso no sistema para que não haja combustão incompleta ou combustível sem queimar evitando-se emissões indesejadas para o meio ambiente e até mesmo evitando que se acumule combustível sem queimar o que em presença de uma fonte de ignição pode provocar até uma explosão. Falha-fechada ou ar para abrir - GANHO POSITIVO. Falha-aberta ou ar para fechar - GANHO NEGATIVO. Questão 2 O corpo de uma válvula é a parte que mecanicamente executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluído. Isso ocorre através do movimento de um obturador. Sendo o conjunto do corpo

4 à parte de válvula que entra em contato direto com o fluído ele deve satisfazer os requisitos de pressão temperatura e corrosão do fluído. A figura a seguir apresenta dois tipos de corpo de válvulas de controle. Responda: a) Quais são os tiposválvulas representadas no desenho a cima? Como podemos classificar o deslocamento da haste que movimenta o obturador de cada uma? TIPO 1: Válvula globo Deslocamento Linear TIPO 2: Válvula borboleta Deslocamento Rotativo b) Como seria a simbologia de cada válvula em um diagrama de processo? GLOBO BORBOLETA c) Quais as principais vantagens da válvula Tipo 1 frente ao tipo 2? E as desvantagens? Ambas podem ser usadas para controle parcial de fluxo e dependendo do material podem suportar altas temperaturas. No entanto a válvula globo possui características construtivas da sedeobturador que podem proporcionar estanqueidade total enquanto a borboleta ainda que proporcione boa vedação usualmente não é estanque.além disso para um mesmo material a válvula globo resiste melhor a fluidos corrosivos. Porém a válvula globo é mais cara complexa e provoca uma alta perda de carga. d) Em uma determinada indústria petroquímica vapor d água para diferentes usos em seu processo é gerado em uma caldeira através da queima de gás natural. O controle da vazão do gás natural é feito com uma das válvulas apresentadas a cima. Qual? Explique. Essa resposta está a critério do projetista e depende de sua análise do processo. Considerando que o gás natural não é um fluido corrosivo e que a válvula globo proporciona altas perdas de carga

5 enquanto a borboleta uma perda de carga pequena para fluxo de gases a opção seria a borboleta uma vez que ela é mais simples barata e fácil de manusear. Questão 3: Seguindo uma convenção adotada por todos os fabricantes de válvulas de controle a capacidade de fluxo de uma válvula de controle é determinada pelo seu fator de capacidade ou coeficiente de fluxo Cv. Por definição Cv é o fluxo (em gpm) de água que flui através de uma válvula a uma queda de pressão de 1psi através dela. Por exemplo uma válvula com um Cv de 25 pode liberar 25 gpm de água quando ela tem uma queda de pressão de 1psi. O Coeficiente Cv é portanto uma função de cada tipo e tamanho de válvula e depende da posição do obturador variando de 0 (quando a válvula está completamente fechada) e Cvmáx (quando ela está totalmente aberta). A função que relaciona a posição do obturador na válvula com a capacidade de fluxo Cv é dada pela Curva Característica da Válvula que pode ser basicamente de três tipos. Com base no texto anterior responda: a) Quais são os três tipos de curvas características mais comuns? Faça um gráfico representando os três tipos. Abertura rápida Linear e Igual porcentagem representadas conforme o gráfico a seguir: Qual(is) tipo(s) de curva característica seria(m) mais adequado(s) para...: Explique. Válvulas de alívio ou sistemas on-off? Válvulas de abertura rápida para que se alcance com velocidade as posições aberta ou fechada pois trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula

6 com o mínimo curso.possibilita a passagem de quaseque a totalidade da vazão nominalcom apenas uma abertura de 25%do curso total. Regulagem de fluxo? Válvulas Lineares ou Igual porcentagem pois pequenas aberturas não provocam grandes aumento de vazão o que faz quese consiga maior sensibilidade de controle do fluxo. b) ERRATA: Preencha a tabela a seguir considerando que para os três tipos de curva característica a capacidade máxima da válvula é a mesma. Apresente os cálculos quando necessário.dica: Para a válvula igual de igual porcentagem o Cv é proporcional à raiz quadrada da posição. Q (gpm) Linear Abertura Rápida 0% 5 20% % % 250 Posição da válvula (%) Igual Porcentagem Parâmetros que não envolvem de cálculo: Para 0% na posição da válvula pelas equações é possível saber que Cv=0 gpm para curva característica linear e abertura rápida. Para 100% de abertura uma vez que a capacidade máxima é a mesma Cv=250 gpm para os três tipos. Logo Cvm = 250 gpm para os três tipos. Aplicando-se as equações obtem-se: R=50 Q (gpm) Posição da válvula (%) Linear Abertura Rápida Igual Porcentagem 0% % % % %

7 Questão 4: Uma válvula de controle deve regular o fluxo de um gás com massa molecular de 44. As condições planejadas do processo exigem um fluxo nominal de scfh pressão e temperatura de entrada de 110 psig e 100 o F respectivamente e uma pressão de saída de 11 psig. a) Obtenha o coeficiente Cv para uma capacidade acima da requerida de 120%. fsmax = (1+12) scfh = scfh T = = 560 O R G = 44/29 = 152 Para fluxo de gás a Masoneilan propõe a seguinte equação: ) Considerando Cf = 08 temos:!. / #..! b) Obtenha o ganho da válvula em scfh/(sinal de saída do controlador) considerando que o controlador possui um range de saída de 3 a 15 psi e que a válvula seja linear com queda de pressão constante.

8 % &'(! )/ = = )/ ) í+ +( )(-.(&+(.!! Questão 5: O fluxograma a seguir mostra um trecho de um processo de produção de etilbenzeno que flui a 950 gpm (nominal) no estado líquido e com densidade de 420 lb/ft 3. A queda de pressão de atrito entre os pontos1 e 2 é de 124 psi. a) Recomende um local adequado para a válvula de controle. A válvula deve estar logo após a sáida da bomba onde a pressão é máxima evitando que a perda de carga através da válvula provoque cavitação ou flashing. b) Dimensione a válvula para uma capacidade acima da requerida de 100%. fmáx = (1+1).950 = 1900 gpm = = + &'+( = + 01 = Considerando que a entrada da válvula está no ponto 1 a pressão em sua saída psv será: = /+.(-á-) + - = / + - = + + & = a Logo a pressão através da válvulaserá: = = = = = 7 7 = / Questão 6: Um engenheiro pediu que seu estagiário propusesse tipos de válvulas para determinados usos na indústria. Indique se você concorda com as proposições do estagiário e caso contrário aponte o(s) tipo(s) de válvula(s) que você julga adequado(s). a) Uma linha de água de incêndio queé mantida bloqueada em condições normais de operação sendo aberta somente em casos de emergência.proposta DO ESTAGIÁRIO: Válvula Borboleta.

9 INADEQUADO. Válvula Gaveta além de ser também uma Válvula de Retenção garantindo a pressão na rede de sprinklers comumente usados no combate ao foco de incêndio mesmo antes do acionamento da bomba hidráulica possui um fechamento metal com metal e por isso se consideram adequadas para combate de incêndio desde que seja construide de metal com alto ponto de fusão. Importante: As válvulas de gaveta só devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas isto é são valvulas de bloqueio e não de regulagem. Quando parcialmente abertas além de produzir uma grande perda de carga provocam vibração corrosão e erosão de particulas na placa de fechamento. Uma linha de saída de um vaso de ácido sulfúrico concentrado a qual se junta posteriormente a uma linha de água. Como a presença de água no tanque é extremamente indesejada (reação fortemente exotérmica) deseja-se assegurar que a água não escoe no sentido do vaso.proposta DO ESTAGIÁRIO: Válvula Globo. INADEQUADO. Ainda que permitam o fluxo em apenas um sentido válvulas globo são caras sendo usadas para controle de fluxo. Neste caso deseja-se apenas que não haja fluxo no sentido contrário. Seriamais conveniente o uso de válvulas de retenção que permitem o fluxo em apenas um sentido. As válvulas de retenção já sejam de portinholas ou de pé ou de diafragma são equipamentos de proteção instalada visando proteger as instalações hidráulicas do refluxo de fluido quando da paralisação das bombas. Como função secundária são importantes para a manutenção da coluna da água durante a paralisação. Válvula borboleta pode ser usada como válvula de regulagem e/ou válvula de bloqueio. O fechamento da válvula se dá pela rotação de um disco em torno de um eixo diametral perpendicular à direção do escoamento do fluido. Possui uma vedação muito boa. Mas tem um custo maior que as válvulas de retenção. b) Linha de água com ajuste manual da vazão dependendo da demanda do momento. PROPOSTA DO ESTAGIÁRIO: Válvula gaveta. INADEQUADO. Válvulas gavetasão válvulas de bloqueio e não devem ser usadas para ajustes parciais de vazão pois isso pode danificar sua sede.seria mais conveniente o uso de válvulas do tipo borboleta.vide item a) c) Uma linha de gás no topo de um tanque de armazenamento de um líquido volátil como proteção para casos de sobrepressão no interior do tanque. PROPOSTA DO ESTAGIÁRIO: Válvula Redutora de Pressão. INADEQUADO. Válvulas redutoras de pressão ajustam a pressão após a válvula e neste caso o controle de pressão é o tanque localizado antes da válvula. O correto é o uso de válvulas de alívio. Válvulas de alivio controlam a pressão a montante abrindo-se automaticamente quando essa pressão ultrapassar um determinado valor para o qual a válvula foi calibrada. Válvulas redutoras de pressão regulam sem intervenção de qualquer ação externa a pressão de jusante da válvula também são automáticas.

10 Importante lembrar que opara selecionar uma válvula precisam especificar diversas características e detalhes da válvula selecionada. Algum fatores a considerar: MAIS IMPORTANTE EXPERIÊNCIA PRÉVIA (Existe utilização de válvulas em serviços similares)