1 INTRODUÇÃO. Claiton M. Franchi 1 Mauro A.S.S. Ravagnani 2 Jose R. D. Pereira 3 Oswaldo C. M. Lima 4

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1 Educação..... a... r.. t &. i. Tecnologia. g... o Desenvolvimento de um sistema de supervisão de dados aplicado a uma coluna de destilação didática (Development of supervision data system applied to a didactic distillation column) Claiton M. Franchi 1 Mauro A.S.S. Ravagnani 2 Jose R. D. Pereira 3 Oswaldo C. M. Lima 4 Neste trabalho foram desenvolvidos e implementados uma placa de aquisição de dados e um sistema de supervisão de dados aplicados a uma coluna de destilação utilizada como módulo didático para disciplinas do curso de graduação em Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá. A placa de aquisição de dados foi desenvolvida utilizando controladores de 14 bits da linha PIC TM e o sistema de supervisão foi desenvolvido em uma linguagem orientada a objetos, que permite a visualização do perfil de temperatura em tempo real na forma gráfica, além da possibilidade de armazenamento dos valores em um banco de dados, de onde podem ser exportados nos formatos padrão do mercado (txt, rtf, pdf e html). A visualização das temperaturas on-line e em tempo real auxilia fortemente na compreensão dos fenômenos de transferência de calor e massa envolvidos no interior da coluna, uma vez que se pode acompanhar a variação da temperatura nos seus pratos. A coluna, por ter sido construída em vidro, permite visualizar as fases líquida e vapor no seu interior. Palavra-chave: Módulo didático; Coluna de destilação; Sistema de supervisão; Placa de aquisição de dados. Key words: Teaching module; colunn destilation; supervision system; data aquisition board. 1 INTRODUÇÃO O processo de separação mais amplamente usado na indústria química é a destilação. A separação dos componentes da mistura está baseada nas diferenças de volatilidade dos componentes. A fase vapor entra em contato com a fase liquida e há transferência de massa do liquido para o vapor e vice versa, pois o líquido e o vapor contêm, em geral, os mesmos componentes em quantidades relativas diferentes. Como a destilação consome uma grande quantidade de energia, é fundamental conhecer adequadamente o seu funcionamento nos mínimos detalhes, para que ela possa atuar com a máxima eficiência [5]. Para obter produtos com concentrações especificadas no topo e no fundo da coluna, é imprescindível que se faça um monitoramento dessas quantidades nos seus pratos. As composições podem ser medidas utilizando-se cromatografia. Entretanto, os cromatógrafos necessitam de sistema de coleta e amostragem de dados, além de serem caros e produzirem resultados em um intervalo de tempo definido (entre 1 e 6 minutos), o que pode ser um tempo muito longo para algumas aplicações. Por estas razões, analisadores de composição não são usados com freqüência. Desta maneira, a medição em linha da composição é uma tarefa complexa e cara. Como solução alternativa pode-se utilizar a temperatura para inferir a composição. As medidas de temperatura são relativamente mais fáceis de serem realizadas. Nestes casos, a variável controlada é a temperatura ou a diferença de temperatura entre dois pratos da coluna [6]. Os dispositivos utilizados para a medição da temperatura fornecem um sinal contínuo para o con- 1 Graduação em Engenharia Elétrica; Mestre em Engenharia Química. Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá, Avenida Colombo, CEP.: Maringá, Paraná,Brasil. 2 Graduação em Engenharia Química; Doutor em Engenharia Química. Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá, Avenida Colombo, CEP.: Maringá, Paraná,Brasil. 3 Graduação em Física; Doutor em Física. Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá, Avenida Colombo, CEP.: Maringá, Paraná,Brasil. 4 Graduação em Engenharia Química; Doutor em Engenharia Química. Departamento de Física, Universidade Estadual de Maringá, Avenida Colombo, CEP.: Maringá, Paraná,Brasil. Recebido em: 17/10/2007; Aceito em: 10/03/2008.

2 Educação &.. Tecnologia trole e têm resposta rápida. São relativamente baratos, seguros, têm alta padronização e não requerem um complicado sistema de amostragem. Aproximadamente 75% das colunas de destilação utilizam a temperatura para inferir a qualidade da separação. Contudo, para muitas colunas, o controle de temperatura não satisfaz os objetivos da separação e, nesses casos, a medição direta da composição deve ser considerada [7]. A inferência da composição a partir da temperatura só é exata para sistemas binários, com a compensação da variação da pressão. Apesar disso, a composição dos sistemas multicomponentes pode ser inferida também a partir da sua temperatura [8]. Neste trabalho, foram desenvolvidos e implementados uma placa de aquisição de dados e um sistema de supervisão de dados aplicados a uma coluna de destilação localizada no Laboratório de Engenharia Química II da Universidade Estadual de Maringá e utilizada como módulo didático para aulas práticas no curso de graduação em Engenharia Química. Para tanto, foi utilizado um sistema de supervisão com uma linguagem visual orientada a objetos, um microcontrolador PIC TM de arquitetura RISC de 14 Bits, conectado com sensores de temperatura 18B20 Dallas TM através de redes 1 Wire TM. A Fig. 1 representa o sistema em estudo. FIGURA 2 - Placa de aquisição de dados desenvolvida. 2.2 Sensor de Temperatura O sensor de temperatura utilizado é o DS18B20 da Dallas Semiconductor, um termômetro digital que possui de 12 bits, de resolução para medidas de temperatura. Considerando sua resolução de 12 bits com este sensor podemos medir temperaturas num intervalo de C a C e sua precisão é de ± 0,5 0 C, com um tempo de leitura de 750ms na escala de 10 0 C a 85 0 C. O sensor se comunica por meio de um barramento 1-Wire. O 1-Wire é um protocolo de comunicação desenvolvido para a comunicação de sensores que tem como característica utilizar somente uma linha de comunicação (e terra) para se comunicar com um microprocessador [4]. A Fig. 3 apresenta o sensor de temperatura utilizado. FIGURA 1 - Hardware utilizado no sistema. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Placa de Aquisição de Dados FIGURA 3 - Sensor de temperatura utilizado. Para a coleta de dados de temperatura e interligação com o sistema de supervisão foi desenvolvida uma placa de aquisição de dados utilizando o microcontrolador RISC de 14 Bits PIC 16F877A de 40 pinos e 33 portas de I/O. É possível a conexão de até 16 sensores de temperatura 1-Wire. Os dados são captados pelo microcontrolador e enviados a um conversor de níveis TTL/RS232, até chegar ao microcomputador que contém o software de supervisão. A Fig. 2 apresenta a placa de aquisição de dados desenvolvida. 2.3 Protocolo 1-Wire O sistema 1-Wire desenvolvido pela empresa Dallas Semiconductor tem grande eficiência em aplicações de monitoramento de temperatura em ambientes que possuam ruídos elétricos, quando o uso de

3 Educação &.. Tecnologia sensores de temperatura analógicos é difícil [2]. Através deste protocolo é possível construir uma rede de transmissão de dados que possibilita a comunicação digital entre um computador e dispositivos da série 1-Wire através da placa de aquisição de dados. O barramento 1 Wire é um protocolo mestre/escravo com um barramento simples para o mestre [3]. Os dispositivos em 1-Wire são fornecidos por Dallas Semicondutores e o mestre é definido pelo usuário como um microcontrolador ou microprocessador, sendo o sensor de temperatura sempre o escravo no barramento, como mostra a Fig. 4. barramento. Um escravo então é selecionado para a comunicação. Uma vez selecionado para comunicação, o mestre envia um comando para leitura ou escrita, e o processo segue como mostrado na Fig. 5. É muito importante que se tenha esta seqüência em todo o momento em que o sensor seja acessado, pois o mesmo não responderá se algum dos passos nesta seqüência estiver faltando ou fora de ordem. 2.4 Sistema desenvolvido FIGURA 4 Conexão mestre/escravo no barramento 1-Wire. O sistema 1-Wire é constituído, basicamente, por três elementos: um computador com programa de controle e gerenciamento das atividades; um protocolo específico de comunicação e condutores (meio físico de comunicação) e dispositivos remotos da série 1-Wire. Normalmente, a transmissão de dados ocorre por meio de um condutor e, além desse, existe um condutor específico para fornecer energia aos sensores e outro para o aterramento da rede. Por definição, o sistema 1-Wire possui apenas um condutor no qual são conectados todos os dispositivos da série 1-Wire, já que, por convenção, o condutor de referência ou aterramento não é considerado. O fornecimento de energia para o sistema 1-Wire pode ser de duas maneiras: alimentação parasita (derivada do condutor de transmissão de dados), sendo necessário somente dois condutores; ou alimentação externa, em que são necessários três condutores, além de uma fonte de alimentação regulada de 5 Vcc. Uma condição prévia para o funcionamento de qualquer rede de transmissão de dados que empregue diversos dispositivos semelhantes é a existência de endereços ou códigos de identificação. Todo dispositivo 1-Wire possui um código de identificação único de 64 bits seqüenciais, o que exclui a possibilidade de conflitos durante a transmissão de dados em redes com diversos dispositivos. O protocolo de comunicação do sistema 1-Wire utiliza níveis lógicos convencionais CMOS/ TTL, nos quais o nível lógico 0 (zero) é representado por uma tensão máxima de 0,8 Vcc e o nível lógico 1 (um) por uma tensão mínima de 2,2 Vcc [1,2]. São conectados ao placa de controle 16 sensores 18B20 da Dallas Semiconductor por meio de um Barramento 1-Wire que faz a comunicação entre um mestre e escravos por meio de uma conexão simples. Na primeira parte da comunicação, o mestre envia um sinal de reset para sincronizar todo o O sistema de aquisição de dados foi desenvolvido em linguagem Delphi e é apresentado na Fig. 6. Nesta figura estão representados a tela inicial com o desenho da coluna de destilação e seus respectivos pratos. A partir desta tela inicial é definido o nome do usuário e se dá início à leitura das temperaturas. O monitoramento do perfil de temperaturas é feito on-line na tela principal, na qual também se pode visualizar as temperaturas de todos os sensores instalados na coluna. Inicialização Forçar nível baixo no barramento Retardo de 40 μs Retorna o barramento em nível alto Retardo de 70 μs Ler o barramento e verificar a presença de escravo FIGURA 5 - Seqüência de operação dos sensores. Leitura de Dados Forçar nível baixo no barramento Retorna o barramento em nível alto Retardo de 15 μs desde o começo da leitura Ler o estado do barramento, aguardar até o final do tempo de envio e retornar estado No software de supervisão tem-se a visualização dos relatórios do perfil de temperaturas, que podem ser visualizados e arquivados nos formatos.rtf,.txt..html, e.pdf. Cada relatório possui informações relativas à temperatura em cada um dos pratos da coluna nos respectivos tempos e a dia na qual a medida foi efetivada. A Fig. 7 mostra a representação da opção de saída dos relatórios.

4 Educação &.. Tecnologia FIGURA 6 - Tela inicial do sistema de supervisão. Para a realização do experimento foram colocados sensores de temperatura do tipo DS 18B20 TM externamente à coluna, nos pratos de refluxo, 7, 9, 10, 12, 13, 14 (de cima para baixo) e no refervedor (reboiler) da coluna de destilação, como mostrado na Fig. 8. Esta coluna é constituída de 16 pratos perfurados, sendo construída em vidro transparente, para que os estudantes possam ter uma melhor interpretação dos fenômenos de transferência de energia e massa que ocorre em cada prato por meio da visualização do processo. O aquecimento do refervedor é feito por meio de resistências elétricas. A variação da quantidade de energia utilizada se dá por meio da variação da potência elétrica empregada nas resistências. A mistura a ser destilada é colocada em um reservatório na parte superior do módulo e, por gravidade, é introduzida no prato de alimentação da coluna de destilação. 3.1 Aplicação do Sistema de Supervisão O trabalho desenvolvido foi aplicado em um experimento na coluna de destilação para separação de uma mistura etanol-água, com as condições de operação apresentadas na Tab. 1. FIGURA 7 - Relatório do perfil das temperaturas. 3 RESULTADOS O sistema de supervisão foi aplicado a uma coluna de destilação utilizada como módulo didático no Departamento de Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá, mostrada nas Fig. 8 e 9. Prato Refluxo Condensador TABELA 1 Condições de operação da coluna de Destilação Concentração de entrada 33 GL Concentração de destilado Concentração do produto de fundo 95 GL 4 GL Vazão de entrada 220 ml/min Vazão de destilado 53 ml/min Vazão do produto de fundo 167mL/min Vazão de refluxo 195mL/min Por meio do software de supervisão e da placa de aquisição de dados foram coletadas as temperaturas nos pratos 7, 9, 10, 12, 13 e 14, além das temperaturas da alimentação, refluxo e do refervedor. Os valores obtidos são ilustrados na Fig. 10. Prato 7 Refluxo Destilado Alimentação Prato 12 Prato 13 Prato 14 Placa de Aquisição De Dados Alimentação Prato 7 Prato 9 Prato 10 Prato 12 Prato 13 Prato 14 Refluxo Refervedor 0 FIGURA 8 - Sistema de supervisão implementado. Produto de Fundo Refervedor Figura 9 - Sistema de supervisão na coluna.didática. 9:36:34 9:42:02 9:46:50 9:51:38 9:56:26 10:01:14 10:06:02 10:10:50 10:17:38 10:22:26 10:27:14 10:32:02 10:36:50 10:41:38 10:46:27 10:54:59 10:59:47 11:04:35 11:09:23 11:14:11 11:18:59 11:23:47 11:29:07 11:33:55 11:38:43 11:43:31 11:48:19 11:53:07 11:57:55 FIGURA 10 - Temperaturas obtidas no experimento.

5 Educação &.. Tecnologia Considerando o sistema em estado estacionário (regime permanente) foram obtidos os valores médios, através da média aritmética das temperaturas, em cada um dos pontos coletados. O perfil de temperaturas obtido é apresentado na Fig. 11 e na Tab. 2. no interior da coluna, uma vez que os acadêmicos podem acompanhar a variação da temperatura nos pratos da coluna. Por ter sido construída em vidro, permite a visualização das fases líquida e vapor no seu interior. TABELA 2 Perfil Médio de temperaturas na coluna Elem ento Tem peratura( 0 C) Prato Refluxo 66,73 Prato 7 66,18 Prato 9 71,21 Prato 10 71,15 Prato 12 71,16 Prato 13 72,6 Prato 14 73,58 Refervedor 82,62 Alim entador 73,97 5 ABSTRACT This paper presents a supervisory system applied in a distillation column used as a didactic module in the Chemical Engineering course at the State University of Maringá (UEM). The data acquisition card was developed by using 14 bits PIC TM micro controllers and the supervisory system was made in an object oriented language which allows the temperature profile visualization in real time in the graphical way. The temperature data could be saved and exported in standard extensions (.txt,.rtf,.pdf,.html). In the academic point of view, this system implementation contributes in the comprehension of the transport phenomena mass and heat transfer inside the column by the temperature profile monitoring. 6 REFERÊNCIAS 4 CONCLUSÕES FIGURA 11 - Perfil de temperaturas na coluna de destilação. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de aquisição de dados para monitoramento da temperatura nos pratos de uma coluna de destilação utilizada como módulo didático em disciplinas práticas do curso de graduação em Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá. O sistema desenvolvido é composto por uma placa de aquisição de dados, utilizando a tecnologia de sensores de temperatura 1-Wire e um microcontrolador de 14 bits com arquitetura RISC, juntamente com um software de supervisão e armazenamento dos dados. O software foi desenvolvido em uma linguagem de programação orientada a objetos para a coleta de dados de temperatura. A implementação deste sistema de aquisição de dados traz uma grande contribuição do ponto de vista didático. A visualização das temperaturas on-line e em tempo real auxilia fortemente na compreensão dos fenômenos de transferência de calor e massa envolvidos AWTREY, D. Transmitting data and power over a one-wire bus. Sensors - The Journal of Applied Sensing Technology. Disponível em: < BUCKLEY, Page S. Design of distillation column control systems. ISA-Instrument society of América. 1 a ed DALLAS SEMICONDUCTOR Quick Guide to 1-Wire netusing PCs and Microcontrollers. Disponível em:< DALLAS SEMICONDUCTOR. DS1820: 1-wire digital thermometer. Disponível em: < DESHPANDE, Pradep B. Distillation Dynamics and Control. ISA-Instrument Society of América 1 a ed., FOUST, A S.; Wenzel,L.A.; Clump,C.W.;Et al. Princípios das Operações Unitárias. Ed., Guanabara Dois, NISENFELD, A.Eli, and Seeman, Richard C. Distillation Columns. ISA Monograph, 1 a ed, STEIDLE NETO, A. J. Avaliação da transmissão de dados de temperatura no sistema 1-wire TM. Eng. Agríc., Jaboticabal, v.25, n.1, p.29-36, jan./abr