SISTEMA DE SUPERVISÃO APLICADO A COLUNA DE DESTILAÇÃO DISTILLATION COLUMN CONTROL AND SUPERVISION Claiton Moro Franchi 1 Mauro A.S.S. Ravagnani 1 Resumo: 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 PICTM 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). No ponto de vista acadêmico, o sistema 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. O controle da coluna de destilação é obtido por meio de um algoritmo implementado na placa de aquisição de dados, permitindo a monitoração das variáveis, bem como o controle do processo de destilação. Palavras-chave: Controle de processos. Coluna de destilação. Sistema de supervisão. 1 Universidade Estadual de Maringá, Departamento de Engenharia Química. E-mail: claiton@deq.uem.br, ravag@deq.uem.br Abstract: In this paper, a supervisory system were developed and applied in a distillation column used as a didactic module in the under graduation course of Chemical Engineering at the State University of Maringá. The data acquisition card was developed by using 14 bits PICTM micro controllers. The supervisory system was developed in an object oriented language which allows the temperature profile visualization in real time in the graphical form and data saving and exporting 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. The distillation column control is achieved by an algorithm implemented in the data acquisition card, allowing the variables monitoring beyond the distillation process control. Keywords: Process control. Distillation column. Supervision system
36 Sistema de supervisão aplicado a coluna de destilação 1 INTRODUÇÃO A destilação é a operação unitária mais estudada no campo da Engenharia Química por ser a técnica de separação mais amplamente utilizada. Porém, é uma das que mais consome energia. O aumento do consumo energético impõe a necessidade de sistemas de destilação mais eficientes. Devido ao fato de as colunas de destilação serem fundamentais em aplicações industriais o desenvolvimento de estratégias de controle tem uma importância significativa no ponto de vista econômico. Um dos pontos fundamentais para o controle é buscar atingir em um tempo relativamente curto o estado estacionário minimizando o tempo necessário para atender as especificações desejadas do produto (Deshpande, 1985). As colunas de destilação possuem como características a não linearidade do processo, constantes de tempo elevadas, atrasos na resposta, restrições e acoplamento das variáveis, que interferem diretamente nos transientes gerados quando uma perturbação externa é aplicada na coluna. Um exemplo típico é a resposta lenta das temperaturas da coluna em face às perturbações operacionais e ações de correção de controle aplicadas a uma determinada variável manipulada. Desta forma a busca por um controle de processo eficaz é fundamental para atingir um produto final dentro de uma determinada especificação e com o menor consumo de energia possível. A busca da uniformidade na qualidade do produto final do produto a ser destilado para fins de exportação, na indústria do etanol, é uma grande motivação para a aplicação de controle avançado em unidades de destilação. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento e a implementação de um sistema de aquisição de dados constituído de uma placa desenvolvida com o emprego de um microcontrolador PICTM de 14 bits e sensores de temperatura inteligentes interligados via protocolo 1- Wire e software de supervisão de dados desenvolvido em linguagem orientada a objetos (Delphi). O desenvolvimento deste sistema permite o controle de coluna de destilação com um menor custo em relação a sistemas de supervisão (SCADA) e controladores lógicos programáveis (CLP) comerciais, As estratégias de controle serão implementadas através de uma placa de aquisição e de controle de dados, desenvolvida utilizando um microcontrolador de 14 bits. 2 MATERIAIS E MÉTODOS A proposta é implementar os sensores de temperatura na coluna de destilação e integrá-los ao sistema de supervisão e placas de aquisição de dados e de controle de potência. Além do controle manual ou automático de potência, a placa de aquisição de dados efetua a coleta de temperatura do processo através de sensores digitais DS18B20 da Dallas. Este tipo sensor trabalha com um protocolo de comunicação digital conhecido como 1-Wire (Dallas Semiconductor, 2008). A Figura 1 ilustra a placa de aquisição confeccionada em circuito impresso. Figura 1. Placa de aquisição desenvolvida. Na Figura 2 tem-se a representação da disposição física do sistema de controle na coluna de destilação. Para leitura de temperatura na coluna são utilizados 10 sensores DS18B20 da Dallas Semiconductor com um sistema de comunicação digital denominado 1- Wire.
Franchi e Ravagnani 37 Figura 2. Instrumentação da coluna. O protocolo de comunicação 1-Wire desenvolvido pela Dallas Semiconductor tem mostrado excelentes resultados em ambientes ruidosos nos quais sensores convencionais que utilizam como meio de comunicação com microcontrolador um sinal analógico, este tipo de sinal conseqüentemente seria afetado, dando uma medição incorreta de temperatura (Awtrey,1998; Dallas Semiconductor, 2008). 2.1 SOFTWARE DE SUPERVISÃO Para o sistema de supervisão e controle foi desenvolvido um software de supervisão e controle em linguagem orientada a objetos utilizando como banco dados o Microsoft Access 2003. Neste software de supervisão foram desenvolvidas diversas funcionalidades como, controle de acesso a usuários com níveis de acesso como administrador, operador, supervisor e também gráficos de temperatura em tempo real, armazenamento dos valores de temperatura coletados pela placa de aquisição de dados, armazenamento dos valores do controle manual e automático enviados á placa de aquisição de dados para atuação da mesma na placa de controle de potência. O software possibilita o registro de acesso de todos os usuários, o software gera relatórios com dados como temperatura na coluna, parâmetros empregados ao controlador PID e também atuações pelo controle manual. A partir da tela inicial o usuário tem acesso à tela de supervisão onde o usuário poderá acessar diversas funções do software, como cadastro de usuários, relatórios, gráfico temperatura em tempo real, também tendo a possibilidade de atuar manualmente ou automaticamente no processo, como ilustra a Figura 3. Figura 3. Telas sistema de supervisão. O software de supervisão também permite ao usuário visualizar os relatórios desejados, como relatório dos parâmetros do PID empregados no sistema, relatório das temperaturas na coluna na própria tela de supervisão e permite que os relatórios sejam gravados em diversos formatos como pdf, txt, html ou rtf, bem como permite imprimir o relatório desejado. 3 RESULTADOS O sistema de supervisão de dados desenvolvido foi aplicado a uma coluna de destilação pertencente
38 Sistema de supervisão aplicado a coluna de destilação ao Departamento de Engenharia Química da Universidade Estadual de Maringá. Para a aplicação do sistema foram colocados sensores de temperatura do tipo DS18B20 externamente à coluna, devido à impossibilidade da sua colocação no seu interior, nos pratos de refluxo, 7, 9, 10, 12, 13, 14 e 16 (de cima para baixo) e no refervedor (reboiler). Os sinais provenientes destes sensores são enviados à placa de aquisição de dados diretamente conectada ao sistema de supervisão contido em um microcomputador (Franchi, 2007). Na Figura 4 apresenta-se a coluna de destilação e o sistema de controle aplicado. As condições de operação do experimento realizado para a destilação de uma mistura de etanol e água são apresentadas na Tabela 1. Figura 4. Coluna de destilação estudada e sistema implementado Tabela 1. Condições de operação da coluna de Destilação Concentração de entrada 32 GL Concentração de destilado 88 GL Concentração de produto de fundo 4 GL Vazão de entrada 220 ml/min Vazão de destilado 70 ml/min Vazão de produto de fundo 150 ml/min Vazão de refluxo 180 ml/min Temperatura de alimentação 80 0 C O módulo didático representa uma coluna de destilação que contém 16 pratos perfurados, sendo o prato de alimentação o prato de número 10. A coluna foi construída em vidro transparente, para que seja possível visualizar os fenômenos de transferência de energia e massa que ocorrem em cada prato. O aquecimento do refervedor é feito por meio de resistências elétricas, sendo o cotrole do aquecimento feito através da variação da potência elétrica empregada nas resistências. A potência máxima que pode ser obtida é de 5500 W. O condensador utilizado foi construído em aço e utiliza água como líquido refrigerante. Trata-se de um condensador total, ou seja, todo o vapor de mistura é condensado. Uma parte do vapor condensado retorna à coluna como refluxo, sendo enviado a um vaso acumulador acoplado na saída do condensador, recebendo a fase líquida e tendo como objetivo manter a vazão de refluxo para o processo de destilação. A outra parte consiste na corrente de produto de topo. A mistura a ser destilada é colocada em um reservatório na parte superior do módulo e, por gravidade, é pré-aquecida na base da coluna, juntamente com o refervedor, sendo introduzida no prato de alimentação da coluna. Para aplicação do sistema de controle e supervisão foi a variável controlada considerada foi a temperatura do refervedor e a variável manipulada a potência elétrica do refervedor. O sinal de temperatura coletado é enviado à placa de aquisição de dados na qual é processada a estratégia de controle PID. A partir da placa de aquisição de dados são enviados sinais à placa de controle de potência que irá atuar diretamente no controle do aquecimento do refervedor. A Figura 5 ilustra esta configuração. O sistema estudado na uma coluna de destilação foi a separação de uma mistura etanol-água. Este sistema foi escolhido devido ao baixo custo e facilidade de aquisição destes componentes, além da baixa viscosidade e da facilidade de limpeza que a mistura oferece. Assim que o balanço de massa da coluna é fechado, ou seja, a vazão da entrada é igual à soma da vazão do produto de fundo com a vazão do destilado, inicia-se a coleta de amostras do produto de topo (destilado) e do produto de fundo para a determinação das concentrações finais. Durante todo o processo são coletadas as temperaturas, por meio do software de supervisão e da placa de aquisição de dados. Os valores de temperatura em cada um dos sensores são armazenados em um banco de dados do sistema de supervisão.
Franchi e Ravagnani 39 Figura 5. Controle PID aplicado a coluna de destilação didática. Para a aplicação do sistema de controle foi feita a sintonia do controlador foi utilizado o método Ziegler-Nichols (Atos, 2007), como mostra a Figura 6. Figura 6. Método de sintonia Ziegler-Nichols Através deste método de sintonia foram encontrados os valores para os parâmetros do controlador PID e as temperaturas médias ao longo da coluna de destilação. O valor desejado (setpoint) para este controle para a variável controlada (temperatura do refervedor) foi 830C. Aplicando o controlador PID foram obtidos os valores médios de temperatura representadas na Figura 7.
40 Sistema de supervisão aplicado a coluna de destilação O sistema de aquisição de dados desenvolvido é uma ferramenta auxiliar para a operação da coluna de destilação didática estudada e permite uma melhor compreensão dos fenômenos de transferência de massa e calor por meio do monitoramento do perfil de temperatura no interior da coluna, além de permitir o estudo das condições de partida e do estado estacionário da coluna para melhores definições das suas condições de operação. Dessa maneira, com os dados de temperatura, podem ser feitos estudos de composição inferencial para posterior controle e operação ótima da coluna. A partir deste trabalho, desenvolveu-se uma base para o estudo e a implementação de técnicas avançadas de controle e instrumentação na coluna através da conexão com o sistema de supervisão. Sua construção permite alterações no projeto, possibilitando o estudo de diversos tipos de mistura em menor escala. Figura 7. Temperaturas médias na coluna de destilacão e constantes do controlador PID Durante os testes da coluna de destilação foram feitas análises da concentração das amostras de álcool utilizando-se um densímetro para alcoóis. As medidas foram realizadas a uma temperatura de 20 C e apresentados em base volumétrica (GL). Os resultados encontrados foram concentrações variando entre 92 GL e 93,5 GL. Isso demonstra uma boa eficiência do sistema, considerando as limitações da coluna utilizada. 4 CONCLUSÕES O sistema desenvolvido para supervisão e controle da coluna de destilação é constituído por um sistema de supervisão e armazenamento das temperaturas, constituído de um software de supervisão e controle, uma placa de aquisição de dados de baixo custo e sensores inteligentes de temperatura do tipo DS18B20. REFERÊNCIAS ATOS. PID Analyser. São Paulo: Atos, 2007. AWTREY, D. Transmitting data and power over a one-wire bus. Sensors: The Journal of Applied Sensing Technology, 1998. DALLAS SEMICONDUCTOR. Quick Guide to 1-Wire netusing PCs and Microcontrollers, 2008.. DS1820: 1-wire digital thermometer, 2008. DESHPANDE, P. B. Distillation Dynamics and Control. New York: Instrument Society of América, 1985. FRANCHI, C. M., Instrumentação de uma Coluna de Destilação. Maringá: UEM, 2007. 79p. Dissertação (Mestrado de Engenharia Química) Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá.