Instrumentação e Controle de Processos Petroquímicos

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA Instrumentação e Controle de Processos Petroquímicos Álvaro Luiz Longo Florianópolis, Junho de 2003

2 Relatório Final de Bolsista Aluno Período informado Junho de 2001 a Maio de 2003 Identificação Nome: Álvaro Luiz Longo CPF: Matrícula PRH-ANP/MCT N 0 : Tipo de Bolsa: Graduação Orientador: Prof. Dr. Ariovaldo Bolzan Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo Antonio Francisco Machado Tema: Instrumentação e Controle de Processos Petroquímicos Em Florianópolis, Junho de 2003

3 Agradecimentos À UFSC, pela estrutura fornecida; Ao LCP, pela eminente participação no desenvolvimento do trabalho; Aos orientadores, prof. Ariovaldo e prof. Ricardo, pela dedicação e paciência; Aos colegas Gustavo e Cintia, pela colaboração; Agradeço ainda o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo (ANP) e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o setor do Petróleo e Gás PRH-34/ANP/MCT; À Deus e à minha família, que estiveram sempre olhando por mim.

4 Resumo A indústria petroquímica tem por objetivo obter, a partir do petróleo bruto, produtos de alto valor comercial e de maior utilidade industrial, seja para fins energéticos, ou como matéria-prima para a indústria petroquímica. Seus processos são complexos, geralmente operam com grandes volumes de produção e em condições restritas. O controle da operação em condições ótimas e estáveis é importante para manter a qualidade dos produtos obtidos e a segurança da planta. A implementação de um sistema de controle para uma indústria petroquímica é uma tarefa complexa, que para ser eficiente necessita de muitos conhecimentos. Desde a instrumentação, passando por modelos dinâmicos e métodos de projetos e estratégia de controle, as ações têm que ser adequadamente integradas para que a planta opere em condições desejadas com segurança e lucratividade. Neste trabalho, buscou-se realizar as atividades relacionadas ao controle e instrumentação de processos da indústria petroquímica. O desenvolvimento foi dividido em duas etapas: a primeira, relacionada a colunas de destilação, foi realizada no LCP, onde foi projetada, construída e instrumentada uma coluna de destilação em escala piloto. A segunda etapa, foi desenvolvida em escala industrial, envolvendo a instrumentação para o controle de um reator que opera em batelada para a produção de poliestireno expansível.

5 Abstract Petrochemical industry aims to made high value products with greater utility to other industries, used as energy source or as raw materials to the manufacture industries. Its processes are complex, and often operate great production volumes, under restrict conditions. The operations control under optimum and stable conditions is important to maintain the products quality and the plant safety. The implementation of a control system in a petrochemical industry is a complex task, that requires many knowledge to be efficient. From the instrumentation, to dynamic models, design methods and control strategies, the actions may be adequately integrated to the plant operate under the desired conditions, with safety and profitability. In this work, it s aimed to carry through the activities related to process control and instrumentation on the petrochemical industry. The development was divided in two stages: the first one, related the destillation columns, was carried through in the LCP, where a pilot scale distillation column was projected, constructed and instrumented. The second stage, was developed in industrial scale, involving the instrumentation for the control of a batch reactor for the production of expandable polystyrene.

6 Sumário Sumário... 1 Simbologia... 6 Capítulo 1: Introdução... 7 Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos : Controle de colunas de destilação : Controle de reatores de polimerização Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação : Dimensionamento : Construção da unidade piloto : Instrumentação : Descrição dos sensores : Descrição dos elementos finais de controle : Controle distribuído Capítulo 4: Instrumentação da Planta de Polimerização Industrial Capítulo 5: Conclusões e Perspectivas Anexos Bibliografia... 63

7 Simbologia D i diâmetro interno da coluna Fl vazão de alimentação H altura da coluna H s espaçamento entre os pratos H x altura extra M peso molecular da fase vapor N a número real de pratos N número de pratos teórico Q b calor fornecido ao refervedor R razão de refluxo S b área de borbulhamento T u temperatura velocidade do vapor Letras gregas η o eficiência global da coluna ρ v densidade do vapor 6

8 Capítulo 1: Introdução Mudanças permanentes das condições de mercado e operação das plantas em condições limites tornam extremamente difícil a manutenção dos processos nos pontos de máxima lucratividade. Morari et al. [1] citam a integração da medição, controle, otimização e logística como o modo mais eficaz de gerar lucros atendendo as variações de mercado, com o mínimo de investimentos. Segundo Shinskey [2], o principal benefício da implementação ou da melhoria de um sistema de controle é o incremento na recuperação do produto mais valioso. Para produtos finais de um processo, recuperação é definida como a quantidade de produto que ser possa vender gerado por unidade do componente que foi alimentado. Uma vez que quantidade e qualidade são inversamente proporcionais, o aumento na qualidade reduz a quantidade, ou seja a recuperação. Assim, a solução para incrementar a recuperação de um determinado produto é operar o mais próximo possível e com menor tempo de desvio das especificações de qualidade do produto. Esta é uma meta freqüentemente difícil de alcançar em processos envolvendo destilações devido à presença de tempos mortos. Esta característica leva a tempos de operação consideráveis, ou seja, leva a desvios das especificações de qualidade do produto quando ocorre alguma perturbação no processo. As operações físicas e químicas envolvidas no refino de petróleo têm por objetivo a obtenção de produtos de maior valor comercial, que atendem as necessidades das indústrias para fins energéticos (gasolina, óleo Diesel, querosene, etc.) e matéria-prima (óleos lubrificantes, nafta petroquímica, etc.). A indústria petroquímica é o setor industrial que compreende a fabricação de produtos químicos como plásticos, fertilizantes, entre outros, a partir dos derivados de petróleo ou gás natural. Este setor apresenta características inerentes à indústria química dita pesada, necessitando de suprimento abundante, contínuo e regular de matérias-primas com preços competitivos, devido à elevada 7

9 escala de produção e do emprego de processos contínuos e automatizados. Apresenta, geralmente, expressivo custo operacional, alto investimento para implantação e participação relativamente baixa da mão-de-obra no custo final do produto. Requer ainda elevado apoio de utilidades (água, vapor, energia elétrica, etc.) e de facilidades (transporte, armazenamento, manuseio, etc.). Cabe ressaltar que a indústria petroquímica parte de um pequeno número de matérias primas (nafta, gás natural, gasóleo, etc.) e os produtos resultantes (eteno, propeno, butadieno, benzeno, tolueno, amônia, metanol, etc.) constituem a base de várias famílias de numerosos produtos. Há ainda a elevada valorização advinda dessa transformação e a exigência da pesquisa científica e tecnológica necessária para o desenvolvimento de novos processos e produtos, além do aprimoramento dos processos já existentes [3]. Além da utilização de seus derivados para fins energéticos, o petróleo é a principal matéria-prima para a indústria petroquímica. A partir da nafta e do gasóleo, são produzidos os chamados produtos petroquímicos básicos: eteno, propeno, butadieno e os aromáticos (benzeno, tolueno e xilenos). Os produtos petroquímicos básicos, podem obtidos ainda a partir do álcool, carvão e gás natural. Essa etapa é desenvolvida nas chamadas indústrias petroquímicas de primeira geração. Nas unidades petroquímicas de segunda geração, esses produtos são convertidos em produtos petroquímicos intermediários, como cloreto de vinila, estireno, fenol, óxido propeno, etc. Nas petroquímicas de terceira geração, os produtos intermediários são utilizados para a produção dos produtos petroquímicos finais, onde se destacam os plásticos, fibras, elastômeros, explosivos e os fertilizantes e defensivos agrícolas nitrogenados. A Figura 1 apresenta o esquema geral de processamento na indústria petroquímica. Dentro das indústrias petroquímicas, destacam-se as indústrias de polímeros, que através de reações de polimerização convertem derivados de petróleo em materiais plásticos (p.e. polietileno, polipropileno, poliestireno, etc.). São consideradas indústrias petroquímicas de terceira geração, e respondem por 8

10 grandes volumes de consumo de derivados não-energéticos oriundos das refinarias em todo o mundo. No caso dos plásticos, as resinas obtidas nas indústrias de terceira geração passam pelas indústrias de transformação (petroquímicas de quarta geração), onde são produzidos os artefatos plásticos, de reconhecida utilidade para o ser humano. FIGURA 1 Esquema de processamento na indústria petroquímica Os processos da indústria de petróleo e petroquímica têm como características grandes volumes de operação e forte dependência de variáveis termodinâmicas, como temperaturas e pressões, e variáveis de processo, como vazões e composições. Dessa forma, ressalta-se as seguintes peculiaridades deste tipo de indústria: a) Porte elevado, atendendo uma escala de produção competitiva; b) Pesquisa e desenvolvimento intensivos; c) Comercialização e assistência técnica especializadas; d) Busca contínua por otimização dos processos e operações; Essas características ressaltam a importância do controle destes processos, com o objetivo de manter as operações em um estado adequado para se obter altos rendimentos, bom funcionamento de equipamentos e produtos de qualidade desejada. Quando um desses processos atinge uma condição de estabilidade, acaba gerando severas conseqüências para a produção da indústria. 9

11 O projeto completo do sistema de controle de um processo envolve vários procedimentos e exige os conhecimentos dos mais diversos campos da engenharia, tais como: a) A mecânica dos fluidos, para a especificação de bombas, dimensionamento de tubulações, o tamanho de trocadores de calor, a potência de compressores; b) A transferência de calor, para a determinação da quantidade de calor para o aquecimento (ou resfriamento) de reatores químicos, pré-aquecedores, caldeiras de recuperação e o dimensionamento de condensadores; c) A cinética das reações químicas, para o dimensionamento de reatores, para a escolha das condições de operação (pressão, temperatura,etc.) e dos catalisadores; d) A termodinâmica, para os cálculos de transferência de massa, relações de equilíbrio e balanço de energia. Esses conhecimentos auxiliam na escolha e na aplicação do sistema de controle adequado para o processo. Os modelos matemáticos, as analogias e a simulação do processo são desenvolvidos e dirigidos para o seu entendimento e da sua dinâmica. O presente trabalho tem por objetivo projetar e implementar a instrumentação necessária para a automatização e controle em processos petroquímicos. Para tal, foram estudados dois casos: o primeiro, uma unidade piloto de destilação, localizada no Laboratório de Controle de Processos do Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da. O desenvolvimento dessa etapa incluiu o projeto e a construção da coluna de destilação. Na unidade serão testadas as estratégias desenvolvidas para o controle de colunas de destilação. O segundo caso foi desenvolvido na unidade industrial de polimerização para a produção de poliestireno expansível, localizada na empresa Termotécnica LTDA., na cidade de 10

12 Joinville SC. O objetivo dessa etapa é a implementação do controle dos reatores de polimerização, já desenvolvido em escala piloto, bem como a automatização de todo o processo. A seguir será apresentada uma revisão bibliográfica sobre controle de processos da indústria petroquímica, sendo destacadas as colunas de destilação e os reatores de polimerização. Na sequencia, é descrito o projeto e a construção da coluna de destilação, seguido pela instrumentação da coluna e dos reatores de polimerização. O desenvolvimento foi financiado pela Agência Nacional de Petróleo (ANP), através do PRH-ANP/MCT Nº

13 Capítulo 2: Controle de processos petroquímicos A necessidade de diminuir as variações existentes na qualidade dos produtos, em conjunto com as rigorosas regulamentações ambientais que vigentes sobre as indústrias de processos químicos, motivam o aperfeiçoamento dos sistemas de controle, bem como a forma de controlar estes processos. Os sistemas de controle de processos são desenvolvidos com o objetivo de maximizar a produção e minimizar os seus custos, eliminando riscos inerentes ao processo e aumentando a qualidade dos produtos. Para um processo alcançar uma situação de elevada produtividade, obtendo produtos com qualidade e baixos custos, atendendo às exigências da legislação ambiental e respeitando as condições de segurança, é necessária a implementação de técnicas cada vez mais avançadas referentes à otimização, supervisão e controle de processos. A supervisão e o controle do processo são passos importantes para a sua otimização. Entretanto, a maioria dos pesquisadores procura implementar as novas técnicas de controle em processos complexos para testar a sua eficiência, ao invés de procurar a melhor técnica para o controle de um processo específico [4]. A implementação de um sistema de controle em um processo passa necessariamente pela especificação das variáveis controladas e manipuladas e da instrumentação de controle. Adicionalmente, os sistemas de controle podem ser instalados de tal maneira que possam ser integrados a um sistema de supervisão. Isso possibilita a disponibilização de informações sobre o estado da planta em tempo real, programação e controle de produção, determinação de custos, etc. No entanto, quando não há integração entre o projeto do sistema de controle e o projeto do processo, existe a possibilidade de uma instrumentação redundante ou insuficiente para a implementação do controle [5]. Isso ressalta a necessidade de uma análise rígida a respeito da instrumentação do processo, como parte do projeto do sistema de controle. 12

14 Os processos da indústria de petróleo e gás natural caracterizam-se por apresentar dinâmicas bastante complexas e grande grau de interação entre as suas variáveis. Estes processos costumam apresentar ainda elevados atrasos e não-linearidades em seu comportamento dinâmico, o que dificulta o projeto e implementação de sistemas de controle [6]. O objetivo da implementação de um sistema de controle é baseado na segurança do processo, especificação dos produtos, regulamentação ambiental, restrições de operação e necessidade de economia no processo. Um sistema de controle deve atender as seguintes necessidades: a) Rejeitar perturbações externas; b) Efetuar, de forma adequada, as transições entre condições de operação; c) Garantir a estabilidade; d) Otimizar a performance do processo. O controle de processos, quando aplicado de forma adequada, resulta em certos benefícios para o processo, como: a) Maior qualidade do produto; b) Estabilidade operacional; c) Maior eficiência no uso de matérias-primas e energia; d) Maior produtividade do processo; e) Menor desgaste dos equipamentos; f) Redução do impacto ambiental; g) Maior segurança da planta. O conjunto desses benefícios reflete em um melhor resultado econômico do processo. Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda 13

15 menores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes graus ou especificações, como ocorre freqüentemente nas indústrias de refino de petróleo e petroquímicas. Inevitavelmente, durante a transição haverá um período em que serão gerados produtos fora de especificação. Nesse caso, o objetivo do sistema de controle é minimizar a duração dessa transição, respeitando as restrições que lhe são impostas. 2.1: Controle de colunas de destilação O fracionamento inicial do petróleo envolve a destilação do material em diversas frações, de acordo com a faixa de ebulição. Estas são normalmente dependentes da natureza e composição do óleo. Os principais produtos obtidos são o gás liquefeito de petróleo (GLP), nafta, gasolina, óleo Diesel, querosene, gasóleos, óleos combustíveis e asfalto. As naftas são as precursoras da gasolina, além de, juntamente com o eteno, propeno e butadieno, formar a base de matérias primas para a indústria petroquímica. A separação por destilação é responsável por um grande número de etapas do processo de refino de petróleo. Altas capacidades de produção demandam por equipamentos de grande porte. O comportamento dinâmico destas operações é bastante lento, o que aumenta a importância de um sistema de controle apropriado e que minimize os estados transientes oriundos de alterações entre condições de operação, seja por uma mudança desejada dessas condições, seja pela incidência de perturbações imprevistas. Uma refinaria consiste em uma rede complexa de processos unitários integrados com o objetivo de produzir uma grande variedade de produtos a partir do óleo cru. O desempenho, tanto econômico como operacional da refinaria depende da correta operação de todas as unidades, que via de regra operam de forma contínua. Além disso, a característica dinâmica desses processos é típica 14

16 de processos lentos, com constantes de tempo e atrasos muito altos, devido ao grande porte das unidades de processamento. A Figura 2 ilustra um exemplo geral de uma refinaria, destacando seus principais processos. Os processos são divididos em processos de separação, tratamento e conversão, conforme apresenta a Figura 3. Entre os processos de separação, destacam-se as operações de destilação atmosférica e destilação a vácuo, que são as operações primárias de uma refinaria, onde o petróleo cru é separado em frações que darão origem a todos os produtos obtidos ao final do processamento. FIGURA 2 - Esquema dos processos de uma refinaria de petróleo Segundo Brandon et al. [7], as refinarias de petróleo são excelentes candidatos à estudos de otimização devido a: a) Existência de inúmeros graus de liberdade, necessários para satisfazer exigências de segurança, qualidade de produto e taxa de produção; 15

17 produtos; b) Mudanças freqüentes em condições de alimentação e entrega de c) Existência de modelos e dados físicos razoáveis; d) Movimentação de grandes quantias de dinheiro; e) Alto grau de automatização. Petróleo Processos de separação Processos de conversão Processos de tratamento Derivados de Petróleo Pré-vaporização Destilação atmosférica Destilação a vácuo Desasfaltação a propano Desaromatização a furfural Desparafinação a MIBC Desoleificação a MIBC Extração de aromáticos Absorção de n-parafinas HCC FCC Craqueamento térmico Viscoredução Reforma catalítica Alcoilação catalítica Coqueamento retardado Tratamento cáustico Tratamento Merox Tratamento Bender Tratamento DEA FIGURA 3 - Classificação dos processos de refino de petróleo É necessário estudar novos sistemas de controle para as operações de refino de petróleo, uma vez que os projeto das refinarias atualmente em operação datam de algumas décadas, quando não havia disponibilidade de tecnologia como atualmente [8]. No Brasil, as refinarias processam quantidades próximas de suas capacidades nominais, conforme é apresentado na Figura 4. Isso ressalta a necessidade de incrementar a capacidade de produção dessas refinarias, através da otimização dos processos com a implementação de sistemas de controle mais eficientes. A destilação pode ser caracterizada como um processo com restrições, acoplado, não estacionário, não linear e que possui comportamento altamente dinâmico [9]. Em muitos casos, o processo de destilação precede as etapas finais da manufatura de um produto. Se a destilação passar por instabilidades, pode comprometer também a qualidade dos produtos finais. Em virtude destas razões e 16

18 de acordo com Remberg et al. [10] o projeto de sistemas de controle para essa operação pode ser dividido em cinco partes: a) Formulação dos objetivos de controle; b) Seleção da configuração de controle; c) Análise da estrutura de controle; d) Projeto dos controladores; e) Simulação do sistema proposto. A execução dessas etapas, na ordem afirmada, deve ser seguida para uma correta implementação de um sistema de controle. FIGURA 4 Volume de produção e capacidade nacional das refinarias nacionais Este autor afirma também que o controle de uma coluna de destilação pode ser abordado sob cinco aspectos. São eles: (1) especificação dos produtos, (2) variações na qualidade, (3) recuperação do produto, (4) custo das utilidades e (5) 17

19 práticas de operação. Para atender estes aspectos inúmeras estratégias e técnicas de controle podem ser aplicadas conforme a dificuldade de um processo de destilação em específico. Antes de apresentar estas dificuldades e técnicas de controle serão abordadas as possibilidades de configuração das malhas de controle existentes em uma coluna. objetivos: O controle de uma coluna de destilação visa basicamente atender a três a) Manter estável as condições de operação da coluna; b) Regular as condições de operação para que os produtos mantenham-se dentro dos padrões de qualidade impostos; c) Atingir esses dois objetivos de maneira mais eficiente possível. A Figura 5 apresenta as variáveis tipicamente controladas em uma coluna de destilação sem retiradas laterais. São elas: pressão na coluna, nível de líquido acumulado na base da coluna e no acumulador de condensado, e a composição dos produtos de base e de topo [11]. Essas variáveis podem ser classificadas como: a) Variáveis de operação: Incluem a pressão e os níveis de líquido citados. O controle destas variáveis visa atender o primeiro objetivo citado, isto é, manter as condições de operação estáveis. Essas condições são determinadas considerando apenas a estabilidade do processo, sem levar em conta as especificações dos produtos. b) Variáveis de qualidade dos produtos: São as composições das correntes do topo e da base. São reguladas para atender o segundo objetivo, ou seja, 18

20 alcançar as especificações desejadas aos produtos. Essas variáveis são determinadas apenas pela pureza dessas correntes. PC Legenda Válvula de controle Trocador de calor LC QC D TC QC TT PT Controlador de nível Controlador de qualidade (composição) Transmissor de temperatura Transmissor de pressão F LC B QC FIGURA 5 - Variáveis controladas e correntes manipuladas em uma coluna típica O controle da composição pode ser feito diretamente, usando medidas de composição das correntes dos produtos, ou indiretamente, medindo uma ou mais propriedades físicas que representem a composição. Entretanto, não existem atualmente instrumentos capazes de medir diretamente a composição química das correntes em linha. Assim, são mais utilizadas as técnicas indiretas, através da medição de propriedades como índice de refração, densidade, pressão de vapor, ponto de congelamento ou, o mais comum, a temperatura do estágio de equilíbrio. De fato, o controle da temperatura é o mais rápido, mais barato e o mais popular entre os citados acima [12]. 19

21 Resumindo, em uma coluna de destilação típica, além de manter a condição de estado estacionário para as correntes de alimentação, produtos de base e topo e refluxo, são controladas cinco variáveis. Três delas (pressão e os níveis acumulados) são controladas para manter a estabilidade da operação, e as outras duas (composição dos produtos), para atender as especificações de qualidade dos produtos. O controle das variáveis citadas é feito através da manipulação da vazão de cinco correntes: produto de topo e de base, resfriamento do condensador (água), aquecimento do refervedor (vapor) e a razão de refluxo. Essas vazões são manipuladas pela abertura de válvulas de controle, posicionadas conforme apresenta a Figura 5. Na sua essência, o projeto de um sistema de controle para uma coluna de destilação é realizado pelo emparelhamento das cinco variáveis controladas com as cinco variáveis manipuladas. Dessa maneira, 5! (=120) combinações são possíveis, mas é fácil perceber que apenas algumas delas são possíveis de serem utilizadas. Para a escolha desses emparelhamentos deve-se levar em conta a interação entre todas as variáveis envolvidas, para selecionar as combinações mais eficientes para o controle de toda a operação. A Figura 6 apresenta as principais soluções possíveis para esse problema. Algumas regras práticas para a correta definição dos emparelhamentos são apresentadas por Kister [11]. Em uma condição ideal, tanto a composição do produto do topo quanto da base devem ser controlados. Mas na prática, se a composição da corrente de alimentação é mantida constante, ou se existe interesse apenas em um dos produtos, basta controlar a composição de apenas uma das duas correntes de saída. [11]. Isto resulta em quatro variáveis a serem controladas, contra cinco correntes manipuladas. A quinta corrente, chamada de corrente livre, normalmente tem a sua vazão controlada. Essa corrente é normalmente o vapor alimentado ao refervedor (Figura 6 b, d), ou a razão de refluxo (Figura 6 a, c). Nos casos mais comuns, a pressão no topo da coluna e o nível do acumulador são controlados manipulando-se a vazão de água no condensador ou 20

22 PC FC LC D Legenda Válvula de controle Trocador de calor F TC Medidor de vazão Controlador de temperatura TC LC QC Controlador de nível Controlador de qualidade (composição) LC FC Controlador de vazão TT Transmissor de temperatura B PT Transmissor de pressão PC LC D TC F FC LC B FIGURA 6 - Alternativas de controle de colunas de destilação. 21

23 PC FC LC D F TC LC B PC LC D TC F FC LC B FIGURA 6 (continuação) - Alternativas de controle de colunas de destilação 22

24 pela vazão do produto de topo (Figura 6 a, b, c, d). O nível da base é controlado pela vazão do produto da base (Figura 6 a, b, c, d), enquanto a composição dos produtos (controlando indiretamente a temperatura da coluna) é controlada pela vazão de vapor no refervedor (Figura 6 a, c), pela razão de refluxo (Figura 6 b) ou pela vazão do produto de topo (Figura 6 d). Entre as técnicas aplicadas para controlar os parâmetros de uma coluna de destilação, o controle multivariável apresenta maior facilidade de implementação. De fato, diversos estudos são realizados com esta abordagem [12]. Algumas estratégias avançadas de controle em destilação tem sido estudadas e apresentadas na literatura com o objetivo de formular algoritmos de otimização e controle, buscando o melhor ajuste de parâmetros como volume de produção, recuperação de produto, e melhora nos perfis transientes da coluna. Estes estudos enfocam principalmente controle multivariável com restrições [13], modelagem neuro-fuzzy [14] e redes neurais [15, 16]. Porém estas estratégias continuam abordando o controle do processo através de variáveis como fluxo de vapor no refervedor, controle do destilado e da alimentação. Alguns trabalhos relatam as mesmas técnicas de controle preditivo abordadas no estudo de controle de uma coluna de destilação [17, 18, 19, 20, 21]. No entanto, essas propostas mantêm as ações de controle concentradas nos mesmos pontos dos sistemas de controle convencionais, e por isso são pouco eficientes quando se deseja reduzir os tempos de transição entre dois estados de operação de uma coluna. Considerando as dificuldades inerentes ao processo, é proposta a inclusão elementos de aquecimento localizados diretamente nos estágios de equilíbrio da coluna de destilação, tornando mais próximas a ação de controle e a variável a ser controlada. Essa ação visa tornar mais eficiente o controle do perfil de temperatura ao longo da coluna, sob a forma de uma estratégia de controle distribuído, através da qual pretende-se reduzir o intervalo de transição entre os estados estacionários e minimizar o tempo que a coluna opera fora das condições especificadas. 23

25 2.2: Controle de reatores de polimerização Durante o século XX a indústria de polímeros passou por grandes desenvolvimentos, quando materiais plásticos passaram a substituir a madeira, o vidro, os metais, as fibras naturais, etc. Esta evolução gerou a necessidade de automatização e controle de reatores de polimerização, com o propósito de reduzir custos de mão-de-obra, melhorar a qualidade dos produtos e aumentar o grau de segurança da operação. A temperatura e a pressão exercem forte influência sobre a cinética das reações químicas. No caso de reações exotérmicas, o calor liberado pela reação pode por em risco a segurança do processo. Nesse ponto, o controle dessas variáveis torna-se imprescindível para a operação adequada desses processos. A possibilidade de se controlar as propriedades de polímeros, como a distribuição de peso molecular (MWD) e de tamanho de partículas (DTP) é de grande importância industrial, pois essas propriedades influenciam diretamente na qualidade do produto. No entanto, é difícil a implementação de sistemas on-line para o monitoramento dessas propriedades, principalmente pela falta de instrumentação adequada. Para contornar esse problema, a maioria das estratégias monitora indiretamente essas propriedades através de variáveis de fácil medição, como temperatura, pressão e velocidade de agitação, fazendo uso de modelos matemáticos da reação de polimerização. Do ponto de vista operacional, uma planta operando em regime contínuo é muito mais produtiva do que se operasse em regime de batelada. Porém devido ao alto valor agregado de alguns produtos, como fármacos, por exemplo, ou à dificuldade de condução de algumas reações em regime contínuo, como reações de polimerização em suspensão, estes sistemas são, preferencialmente, conduzidos em regime de batelada [22]. 24

26 Basicamente, dois fatores diferem os processos batelada dos contínuos. O primeiro está relacionado com a trajetória de partida da planta. Em processos contínuos, esta etapa deve ser realizada de maneira segura, enquanto que num processo de batelada, além de segura deve ser rápida e, preferencialmente, sem sobreelevações. Em alguns casos o ciclo de operação é de apenas algumas horas, e uma partida lenta pode elevar significativamente o ciclo da batelada e os custos de produção. O segundo fator de diferenciação está relacionado à manutenção das condições ideais de operação após a partida. Em processos contínuos, esta etapa se inicia quando o estado estacionário é atingido e, então, as condições de operação e as propriedades físicas do meio permanecem aproximadamente constantes. Nesse caso, esse estado deve ser mantido por um longo intervalo de tempo. Por outro lado, nos processos batelada e semi-batelada, se um estado estacionário de operação é atingido, sua duração é pequena, em relação a um processo contínuo. Desta forma, define-se que a melhor partida de um reator é aquela que faz uma transição rápida e segura das condições iniciais até as condições de operação e, preferencialmente, sem sobreelevações. Muitos trabalhos apresentam o desenvolvimento de sistemas de controle que buscam alcançar essa condição ideal. O desenvolvimento da eletrônica e da microinformática facilitou o surgimento e a aplicação dessas técnicas. Modelos matemáticos passaram a ser aplicados na etapa de projeto de sistemas de controle. Sobre as indústrias petroquímicas, mais especificamente as indústrias de polímeros, são raras as publicações sobre controle de reatores em regime batelada que apresentam resultados experimentais em nível industrial [22]. A utilização de um controlador utilizando lógica Fuzzy para o controle de reatores de polimerização em batelada é proposta por Mazzucco [23]. A maioria dos trabalhos se concentra em resultados obtidos através de simulações, cuja implementação é mais fácil e de menor custo, por não necessitar de equipamentos e 25

27 instrumentação, não consumir reagentes, insumos e utilidades, e gerar resultados mais rapidamente. No entanto, resultados validados experimentalmente são mais valiosos e seguros para serem extrapolados a nível industrial. O controle de reatores de polimerização é uma tarefa árdua, onde se encontram as seguintes dificuldades: a) Dificuldade na especificação do objetivo de controle; b) Grande variação de viscosidade do meio; c) Alta exotermicidade das reações de polimerização; d) A dinâmica do processo geralmente é bastante complexa; e) Dificuldades na realização de medidas on-line das propriedades do polímero, devido à falta de instrumentação adequada. Sob este enfoque, na segunda etapa do trabalho, foi realizada a instrumentação de uma unidade industrial de polimerização para a produção de poliestireno expansível, realizado na empresa Termotécnica LTDA. A instrumentação é necessária para a automatização do processo e controle dos reatores de polimerização. As variáveis controladas são a temperatura e a pressão do reator e da camisa de aquecimento e refrigeração, além da velocidade de agitação do reator. Algumas técnicas de controle de reatores de polimerização em batelada já foram desenvolvidas e implementadas em escala piloto no Laboratório de Controle de Processos (reator de 5 l Figura 7) e na Termotécnica (250 l). [22, 23, 24, 25, 26]. A instrumentação tem por objetivo permitir a implementação de um sistema de controle utilizando lógica Fuzzy nos reatores industriais ( l). A automatização da planta de polimerização tem por objetivo minimizar a interferência da ação humana e por conseqüência aumentar a segurança e confiabilidade do processo. 26

28 FIGURA 7 Reator piloto de polimerização Controlando as variáveis do processo de polimerização, é possível atingir os níveis de qualidade dos polímeros a cada batelada, mantendo sob controle as propriedades como as distribuições de peso molecular e de tamanho de partículas. Além disso, o processo é conduzido de forma segura e eficiente, contendo as sobreelevações de temperatura causadas pela liberação de calor proveniente da reação (exotérmica). 27

29 Capítulo 3: Unidade Piloto de Destilação No desenvolvimento de técnicas destinadas a processos industriais, é adequado que estudos preliminares sejam realizados em equipamentos de menor porte. Neste caso, experimentos em escala laboratorial e piloto são próprios para suprir essa necessidade. Paralelamente a simulações numéricas, os resultados obtidos podem ser extrapolados às dimensões industriais, respeitando-se alguns parâmetros e proporções próprios para cada tipo de processo. Ainda, ensaios em escala piloto são mais ágeis, despendem menores recursos e geralmente não comprometem o processo produtivo de uma indústria, o que muitas vezes inviabiliza testes em plantas industriais. Aliado a estes motivos, o fato de não haver uma coluna de destilação em escala piloto com instrumentação adequada, disponível para a realização de experimentos de controle, justifica a necessidade de projetar, construir e instrumentar uma unidade experimental de destilação, onde serão testadas as estratégias de controle propostas para essa operação a nível industrial. A coluna de destilação foi projetada para a separação de misturas multicomponentes, operando em regime contínuo com recirculação das correntes produzidas. A configuração do interior é do tipo pratos perfurados, dispondo de pontos de aquecimento e retiradas laterais em todos os estágios de equilíbrio. A coluna tem configuração modular, tornando-se flexível em relação ao número de estágios. Além do dimensionamento e construção da coluna, foram projetados e construídos (ou adquiridos) todos os equipamentos periféricos necessários para a sua operação, como bombas, tanques, tubulações, instrumentação, utilidades e obras de infra-estrutura. A proposta de controle apresenta a inclusão de pontos de aquecimento distribuídos, localizados junto aos pratos da coluna, objetivando descentralizar as ações de controle em relação à base e topo da coluna. Essa técnica deve ser testada experimentalmente na planta piloto, onde os resultados obtidos sejam 28

30 representativos o suficiente para que possam ser implementados processos de destilação de unidades industriais, especialmente na indústria de petróleo. Dessa maneira, pretende-se em um primeiro estágio obter uma estratégia de controle de uma coluna de destilação, caracterizada como uma abordagem de controle distribuído, que seja capaz de minimizar as variações que ocorrem nos processos de destilação atmosférica de petróleo. A unidade piloto será utilizada ainda para a realização de outros trabalhos do PRH-ANP/MCT Nº 34 sobre controle de colunas de destilação, além de sua utilização para fins didáticos no ensino de controle de processos. 3.1: Dimensionamento O dimensionamento de um equipamento é uma parte fundamental do seu projeto. O comportamento dinâmico e a eficiência do processo dependem diretamente das dimensões do equipamento, o que acaba se refletindo sobre o desempenho dos controladores que lhe são implementados. Por esse motivo, muita atenção é dada para o dimensionamento de equipamentos dentro do ensino de engenharia química, especialmente no campo de projetos. Em colunas de destilação, o primeiro passo para o dimensionamento é o cálculo do número de estágios de equilíbrio. O método mais utilizado é o de McCabe-Thiele, mas este é aplicado apenas para misturas binárias. Como o sistema proposto é multicomponente, cálculos mais rigorosos são necessários. Uma forma simplificada de realizar esses cálculos é obter o número mínimo de estágios em simuladores comerciais [27], que foi o método utilizado nesta etapa. Neste método, usa-se o critério de busca da menor coluna em que há convergência, que é função do número de estágios e da posição ótima de alimentação. Esta análise foi realizada estudando-se dois casos, os quais pretende-se utilizar nos experimentos: no primeiro, foi testada a alimentação com 29

31 uma mistura de isômeros de butanol, onde o número mínimo de estágios teóricos encontrado foi quatro. No segundo caso, foi testada a alimentação com uma mistura de alcanos (hexano, heptano e octano), onde o resultado foi seis pratos teóricos, que foi o valor escolhido para os cálculos de projeto da coluna por ser o maior valor encontrado. O prato de alimentação foi determinado através das simulações, sendo definido o quarto prato. Este valor foi obtido analisando-se a quantidade de calor necessária ao refervedor de acordo com o local de alimentação. O número de estágios reais é calculado através da equação 1 para eficiência global da coluna de 51%. Este valor de eficiência é recomendado por Gomide (1988) para um sistema de hidrocarbonetos. Obteve-se um valor de 13 estágios reais. N a N = η Onde: Na = número de estágios reais; N = número mínimo de estágios teóricos; η o = eficiência global da coluna; o (1) Para validar os resultados obtidos, a eficiência da destilação é avaliada através de simulações no Hysys. A Figura 8 representa o resultado de uma das simulações efetuadas, para a separação de isômeros de butanol, mostrando a composição da mistura em cada estágio da coluna (estágio 1 topo, estágio 15 base). A partir desse dado foram realizados os cálculos para a determinação das dimensões das colunas (altura, diâmetro, configuração dos pratos, etc.) [28]. O cálculo da altura da coluna depende do espaçamento mínimo entre os pratos. Esse espaçamento é função do coeficiente de inundação da coluna. Segundo Gomide [28], um espaçamento adequado entre os pratos (para uma mistura de hidrocarbonetos) é em torno de 0,15 m. Com este dado, a altura da coluna foi calculada conforme a equação 2. 30

32 H = N H a s + H Onde: H = altura da coluna (ft); N a = número de estágios reais; H s = espaçamento entre os pratos (ft); H x = altura necessária para adaptação dos extremos da coluna (ft); x (2) Cabe ressaltar que é necessário acrescentar 10 a 20% da altura da coluna para a adaptação dos extremos da coluna (base e topo). A altura total da coluna e extremos resultante foi de 2,4 m. FIGURA 8 - Frações molares ao longo da coluna Para determinar o diâmetro da coluna, o primeiro passo é estimar a densidade da fase vapor, segundo a equação 3. ρ v MP = R( T + 460) Onde: ρ v = densidade da fase vapor (lb.(ft 3 ) -1 ); M = peso molecular da mistura (lb.lbmol -1 ); (3) 31

33 R = constante dos gases ideais (psia.ft 3.(lbmol.R) -1 ); T = temperatura do prato (R); P = pressão no prato (psia) A velocidade do vapor (equação 4) e a área de borbulhamento (equação 5) são determinadas como uma porcentagem da velocidade de inundação, expressa como fator-f (F-factor). Este fator é dependente do espaçamento entre os pratos e da densidade da fase vapor. Segundo Douglas [29], o fator F a ser utilizado é igual a 0,66. u = F factor Onde: ρ v = densidade da fase vapor (lb.(ft 3 ) -1 ); u = velocidade da fase vapor (ft.s -1 ); F-factor = expressão da taxa de inundação ρ v (4) S b MV = 3600ρ u Onde: ρ v = densidade da fase vapor (lb.(ft 3 ) -1 ); u = velocidade da fase vapor (ft.s -1 ); S b = área de borbulhamento (ft 2 ); M = peso molecular da mistura (lb.lbmol -1 ); V = corrente da fase vapor (lbmol.h -1 ); v (5) O diâmetro interno da coluna pode ser calculado pela equação 6. D i 4Sb = (6) π (1 f ) D Onde: D i = diâmetro interno da coluna (ft); 32

34 S b = área de borbulhamento (ft 2 ); f D = fração da área do prato destinada ao vertedouro; A razão de refluxo adotada foi 1,1, de acordo com Douglas [29], que recomenda uma razão de refluxo ótima entre 1,1 e 1,4. A eficiência de separação dos pratos depende do caminho que o vapor deve atravessar pelo meio líquido e do tamanho das bolhas de vapor [30]. É recomendada uma altura do vertedouro de 0,05 m, e comprimento de 0,15 m. O diâmetro dos furos sugerido é de 0,006 m, com passo triangular. Com os resultados obtidos foram realizadas simulações em regime transiente, utilizando o modelo fenomenológico implementado em linguagem Fortran [31], com o intuito de avaliar o comportamento dinâmico da coluna com a configuração obtida. A Tabela 1 apresenta os demais dados utilizados nas simulações. TABELA 1 - Dados das simulações Variável Valor Número de pratos 13 Prato de alimentação 4 Razão de refluxo 1,1 Vazão de alimentação 0,2 m3/h Holdup (base e topo) 0,014 m3 Temperatura de alimentação 107 ºC Composição molar da alimentação 0,35 n-butanol 0,35 t-butanol 0,3 s-butanol Fração molar do componente mais volátil no topo 0,6 Fração molar do componente mais pesado na base 0,6 Pressão do topo 179 kpa Calor do refervedor 14 kw Eficiência de Murphree 0,5 A Figura 9 apresenta o perfil dinâmico da temperatura no condensador, para três variáveis perturbadas: vazão de alimentação (FL), calor no refervedor (QB) e razão de refluxo (R). As perturbações foram realizadas primeiramente acrescendo-se 50% do valor da variável perturbada no estado estacionário, e 33

35 depois decrescendo-se 50%. Os resultados demonstram que o modelo é sensível às perturbações aplicadas, apresentando um comportamento típico de sistemas de primeira ordem, em concordância com o esperado e discutido na literatura. Temperatura do Destilado ( 0 F ) Fl Qb R Tempo (h) FIGURA 9 - Resultado das simulações com modelo dinâmico Cabe ressaltar que, mesmo existindo simuladores comerciais muito poderosos, uma configuração que se ajusta ao processo pode não ser uma configuração otimizada, porque o resultado partiu de uma estimativa, e não de um dimensionamento otimizado [32]. Dessa maneira, é prudente restringir o uso das simulações no dimensionamento de uma coluna ao ajuste de alguns parâmetros, como realizado neste trabalho. O dimensionamento das resistências elétricas (cálculo da potência máxima de aquecimento) foi realizado com o auxílio das simulações em regime estacionário e transiente, a partir da análise dinâmica da coluna com aquecimento distribuído feita por Marangoni et al.[33], onde foi avaliada a sensibilidade do perfil de temperatura da coluna em relação às perturbações aplicadas ao calor fornecido 34

36 nos pratos. Neste estudo verificou-se que, quando se aplica uma perturbação no calor fornecido à coluna através do refervedor em conjunto com o calor fornecido ao(s) prato(s), o perfil de temperatura da coluna alcança um estado estacionário diferente da situação em que a mesma quantidade de calor fornecida é concentrada no refervedor. Através do balanço de energia, calculou-se a quantidade de calor necessária aos pratos para que se alcance o mesmo estado estacionário em ambos os casos, e a partir desse valor foi calculada a potência máxima das resistências elétricas, encontrando-se o valor de 3,5 kw. Mais detalhes sobre esta metodologia podem ser encontrados em [6], uma vez que esta etapa foi realizada em conjunto com os demais membros do PRH Nº : Construção da unidade piloto Com o dimensionamento concluído, foram realizados os desenhos para a construção da coluna de destilação. No Anexo 1 são apresentados os desenhos desenvolvidos para a construção da coluna. Os desenhos foram elaborados utilizando o software CorelDraw versão Uma ilustração da unidade piloto é apresentada na Figura 10, representando a coluna de destilação em conjunto com os demais equipamentos que compõem a unidade. O sistema opera em regime contínuo, em ciclo fechado, onde os produtos da base e do topo são retornados ao tanque de alimentação. Duas bombas centrífugas são utilizadas: uma para a alimentação da coluna, e a outra para o retorno do produto de fundo. O produto de topo é transferido por gravidade. Foi necessário incluir no projeto as obras de infra-estrutura para a unidade piloto, a estrutura de sustentação da coluna, instrumentos de controle (válvulas, sensores, variadores de potência, resistências elétricas, etc.), sistema de aquisição e tratamento de dados (placa de aquisição, cabos, conversores, etc.), 35

37 acessórios para transporte de fluidos (bombas, tubulações, conexões, tanques, etc.) e unidades de transferência de calor (condensador e refervedor). Condensador Acumulador Coluna Bomba Tanque de Mistura Bomba Trocador de Calor FIGURA 10 Representação esquemática da unidade experimental de destilação O material utilizado para a construção da coluna foi aço inox 304. A escolha do material foi realizada com base na necessidade de aplicar uma ampla faixa de condições de operação, como pressão, por exemplo, além da exigência quanto à resistência à corrosão. A coluna possui 13 estágios de equilíbrio, construída em módulos com 0,15 m de altura e 0,20 m de diâmetro, sendo que a sua estrutura modular lhe confere flexibilidade em relação ao número de estágios de equilíbrio. Os pratos são perfurados (diâmetro de 0,006 m, com passo triangular). Uma ilustração do encaixe entre módulo e prato pode ser visualizada na Figura 11. Cada módulo possui conexões para a inclusão dos sensores de temperatura, das resistências elétricas e para a coleta de amostras. O módulo da base e o tanque acumulador de condensada têm conexões para a instalação de sensores diferenciais de pressão, que serão utilizados para a medição do nível de líquido acumulado nesses estágios. 36

38 FIGURA 11 - Forma de encaixe entre o módulo e o prato da coluna de destilação. O condensador é utilizado para retirar calor da corrente de vapor produzida no topo da coluna. Como resultado, tem-se uma corrente líquida que será dividida em duas frações: uma será retornada ao último estágio da coluna (refluxo), e outra será direcionada ao tanque de alimentação. É composto de um tanque construído em aço carbono, contendo uma serpentina em seu interior, por onde passa o fluido a ser condensado; a serpentina permanece imersa em água que é utilizada como fluido refrigerante (Figura 12). FIGURA 12 Condensador 37

39 O tanque acumulador é acoplado logo na saída do condensador e recebe a fase líquida com o objetivo de garantir a razão de refluxo necessária ao processo. Este foi construído no mesmo material da coluna e possui as dimensões de 0,20 m de diâmetro e 0,15 m de altura (Figura 13). O nível de líquido acumulado neste equipamento (bem como no estágio da base da coluna) é monitorado através de um sensor diferencial de pressão. FIGURA 13 Acumulador O trocador de calor a placas da marca Alfa Laval é utilizado como refervedor, para vaporizar a mistura acumulada na base da coluna (Figura 14). Este equipamento opera na faixa de operação de temperatura entre 150ºC e 160º C. Será utilizado vapor saturado para alimentar o trocador de calor, fornecido por uma caldeira já disponível no EQA (Figura 15), a uma pressão de aproximadamente 5 Kgf.(cm 2 ) -1 na linha. As bombas centrífugas utilizadas são responsáveis por alimentar a coluna e o trocador de calor (Figura 16). Operam com vazão máxima de 500 L.h -1, com potência de 0,75 HP. Sensores de temperatura do tipo termorresistores Pt-100 são utilizados para monitorar a temperatura em todos os estágios de equilíbrio bem como no tanque de mistura e acumulador. Sensores de pressão manométrica na 38

40 base e no topo juntamente com a temperatura permitem inferenciar a composição nestes pontos. FIGURA 14 Trocador de calor a placas FIGURA 15 Caldeira para geração de vapor As utilidades definidas para o processo, disponíveis para operar o equipamento são: (1) vapor para o aquecimento da base da coluna; (2) água para o resfriamento no topo da coluna, (3) energia elétrica para o acionamento das resistências elétricas e para o sistema de controle e (4) ar comprimido para 39

41 o acionamento de alguns elementos de controle. No Anexo 2 são apresentadas algumas fotos da unidade piloto de destilação, que está localizada no Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos da, anexo ao Laboratório de Controle de Processos. FIGURA 16 Bomba centrífuga 3.3: Instrumentação Para implementar o controle de um processo, é necessária a instalação de instrumentos capazes de medir direta ou indiretamente as variáveis a serem controladas, e executar as ações corretivas que mantenham essas variáveis sob controle. Para tanto, é necessário que os instrumentos sejam especificados de acordo com as características do processo, obedecendo às restrições inerentes, e que atendam as necessidades do sistema de controle. No caso da coluna de destilação, a instrumentação projetada foi dividida entre os seguintes elementos: a) Aquisição de dados Microcomputador, controlador lógico programável e módulo Universal Bridge Fieldbus; b) Sensores de temperatura e pressão (diferencial e manométrica); c) Transmissores de sinais; d) Elementos finais de controle; e) Equipamentos para transferência de fluidos. 40