Fundamentos de Processos Químicos Industriais - Introdução e Conceitos Essenciais

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS AULA 1 Prof Marcos Baroncini Proença 2 CONVERSA INICIAL Antes de apresentar o conteúdo de nossos estudos é necessário situar sua importância para a vida profissional futura de quem a estiver cursando Os processos químicos industriais estão presentes nas chamadas indústrias de transformação que segundo a The United Nations Industrial Development Organization Unido ocupam a décimaquarta posição no ranking das maiores indústrias do mundo Segundo a Oxford Economics só a área química industrial apresentou em 2022 120 milhões de postos de trabalho ocupados no mundo dos quais seis milhões estão somente na América Latina No Brasil em 2022 ocupou 22 dos empregos formais tendo sido responsável por 113 do PIB É portanto uma área estratégica não só pelos produtos que gera diretamente para o mercado mas também pelos insumos e matériasprimas que produz para a cadeia produtiva Entre as diversas áreas industriais que envolvem processos químicos podemos citar as indústrias de alimentos de lubrificantes de tintas e pigmentos indústria de plásticos siderúrgicas metalúrgicas cimento cerâmicas de higiene de celulose e papel Mais estrategicamente para nosso país a agroindústria a petroquímica o biodiesel o etanol combustível o biogás bioinsumos o biofertilizante o fertilizante e a farmacêutica Assim conhecer os conceitos e saber aplicar alguns fundamentos dessa importante área do conhecimento é sem dúvida um diferencial de habilidades e competências que abrirão oportunidades maiores no mercado de trabalho Nesta etapa serão apresentados fundamentos dos Processos Químicos Industriais desde sua definição depois dos tipos de processos formas de sua representação instrumentação e tipo de controle usado em suas plantas industriais iniciando assim a construção do saber nessa importante área do conhecimento TEMA 1 FUNDAMENTOS DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS Neste tópico serão abordados desde a definição dos processos químicos industriais até sua abrangência na cadeia produtiva industrial e seus principais fundamentos 3 11 Definição Para compreendermos melhor a definição de processos químicos industriais tornase necessário remontarmos ao século XVIII na Inglaterra onde aconteceu a Primeira Revolução Industrial quando fábricas de teares impulsionaram indústrias siderúrgicas Com a ampliação da fabricação em larga escala houve também o impulsionamento de fábricas de corantes e de sabões Além disso começaram a ter grande crescimento fábricas de cerâmicas e vidros que por sua vez impulsionaram fábricas de ácidos e bases Figura 1 Máquina de tear da Revolução Industrial do século XIX Crédito EWY MediaShutterstock O marco zero que impulsionou as indústrias de processos químicos ocorreu em 1856 na Inglaterra quando Willian Henry Perkin nessa época com 18 anos não logrou êxito ao tentar sintetizar em laboratório um importante fármaco usado na época a quinina por meio da anilina obtida da hulha que era abundante por lá Ao invés da quinina obteve um precipitado escuro que por curiosidade extraiu com etanol Ele observou que esse precipitado coloria tecidos com uma cor púrpura a qual era muito difícil de se obter nessa época 4 sendo portanto a mais rara e a mais cara usada apenas para colorir tecidos usados para confecção das roupas de nobres e do clero Ao verificar que o processo tinha reprodutibilidade inclusive em grande escala fundou a primeira fábrica de corantes para a indústria de tecidos Figura 2 Sir Willian Henry Perkin Crédito Alpha StockAlamyFotoarena Seguindo essa linha em 1863 na Alemanha o empresário Friederich Bayer e o mestre tintureiro Johann Friederich Weskott fundaram a empresa Bayer que começou produzindo para as indústrias têxteis um corante chamado fucsina Em 1865 os irmãos August e Carl Clemm ambos químicos também na Alemanha fundaram a empresa Badische Anilin und Sodafabrik Basf que produzia anilina e soda cáustica também para as indústrias têxteis 5 Figura 3 Unidades das gigantes multinacionais Bayer e da Basf Crédito HinterhofShutterstock 60bShutterstock Antes disso duas outras grandes multinacionais dos nossos dias já haviam sido fundadas nos Estados Unidos da América Em 1802 foi fundada pelo imigrante francês Eleuthère Irénée du Pont a empresa Dupont como fábrica para a produção de pólvora negra que era bastante usada na época para mineração de carvão e de metais Em 1806 William Colgate fundou a empresa Colgate como uma fábrica de amido sabão e velas Ambas tiveram grande ascensão apenas no século XX a primeira por estabelecer comércio em grande escala com fascistas entre a Primeira e Segunda Guerra Mundial a segunda por lançar um potente produto de limpeza chamado Ajax nos anos 1940 Outra grande multinacional a CocaCola fundada nos Estados Unidos da América em 1886 por John S Permberton teve sua grande ascensão na Segunda Guerra Mundial em razão dos soldados americanos que lutaram nessa guerra e a levaram para os mais diversos continentes 6 Figura 4 Propaganda da CocaCola Crédito Hatchawin JampaphaShutterstock No Brasil embora no Império de D João VI em 1812 tenha sido incentivada a obtenção de produtos comercializáveis para a exportação com base no paubrasil na água ardente e águas sulfurosas encontradas em fontes térmicas pela fundação do Laboratório QuímicoPratico do Rio de Janeiro apenas a partir de 1953 com a criação da Petrobras por Getúlio Vargas houve um grande impulso para as indústrias de processos químicos principalmente as indústrias vinculadas à petroquímica de primeira e segunda geração Em 1975 as indústrias de processos químicos tiveram outro impulso com a criação do Programa Nacional do Álcool o Proálcool pelo Presidente Ernesto Geisel Atualmente podemos iniciar uma grande ascensão vinculada a novas fontes de energia como o biodiesel e biogás bem como na produção de fertilizantes e bioinsumos para a agricultura Todas essas indústrias citadas envolvem uma série de processos de transformação que envolvem atuações físicas e químicas em matériasprimas ou reagentes para que sejam gerados produtos de valor agregado Assim podese afirmar que os processos químicos industriais visam à transformação de matériasprimas ou reagentes em produtos de valor agregado por meio de atuações físicas ou químicas 7 Figura 5 Escritório da Petrobras Crédito Salty View Shutterstock 12 Entendendo melhor os processos químicos industriais Vimos que os processos químicos industriais visam à transformação de matériasprimas ou reagentes em produtos de valor agregado por meio de atuações físicas ou químicas Essas ações ocorrem em um ou mais equipamentos industriais sendo que cada equipamento representa uma unidade de operação do processo chamada de operação unitária Arthur D Little no início do século XX fez a primeira definição de operações unitárias como sendo etapas de transformação de matériaprima por meio de processos de separação como craqueamento destilação evaporação filtração peneiramento entre outros bem como transferência de massa como absorção adsorção entre outros e leitos fluidizados Assim os processos químicos industriais estudam essas operações unitárias determinando dados de controle como entrada de matériaprima saída de produtos energia consumida quantidade de vapor gerada e necessária para o equipamento Portanto o estudo de processos químicos industriais é o estudo das operações unitárias e de suas variáveis de controle 8 Figura 6 Representação de processos químicos industriais Crédito Is1003Shutterstock TEMA 2 TIPOS DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS Uma vez definido o que são processos químicos industriais outro conhecimento importante é sobre os tipos processamentos que existem É o que apresentaremos agora 21 Tipos de processos químicos industriais quanto ao regime de produção Quanto ao regime de produção os processos químicos industriais podem ser em batelada ou contínuos A produção em batelada é o primeiro tipo de produção industrial usado e se caracteriza por gerar produtos em etapas de produção com tempos de processamento bem definidos nos chamados reatores de batelada usados normalmente para produções em escala pequena embora possam também ser usados para escalas de produção maiores Nesse tipo de produção não ocorrem entrada de reagentes e saída de produtos dos reatores durante o processamento A alimentação dos reagentes nas quantidades estequiometricamente determinadas se dá no tempo zero do processo depois há um tempo de permanência definido para a maior produtividade e então o produto é liberado no tempo final do processo 9 Todo o processo é controlado por operadores em sistema de controle de malha aberta que veremos mais adiante podendo ter o tempo de processamento variando de horas a dias Embora por usar os reatores em batelada esse tipo de processamento tenha um custo de instalação e controle menor se comparado à produção em fluxo contínuo bem como propicie um tempo de reação longo não é economicamente viável para produção em larga escala e gera uma variação nas caraterísticas e na qualidade dos produtos obtidos Atualmente são usados em grandes empresas para testar inovações em processos produtivos e desenvolver novos produtos Sobre os reatores em batelada podemos afirmar que usualmente são reatores construídos em aço inoxidável que apresentam um sistema de agitação mecânica A alimentação dos reagentes é efetuada na grande maioria pela parte superior e a liberação dos produtos pela parte inferior Para que se faça a seleção do reator em batelada é necessário conhecer as características físicas e químicas dos reagentes e dos produtos além de ter feito o balanço de massa do processo produtivo Como exemplos de uso desse tipo de processo podemos citar a fabricação de produtos farmacêuticos de polímeros de explosivos de biodiesel e de biogás Os reatores em batelada também são largamente usados em processos de cristalização e de mistura que também veremos ao longo de nossos estudos 10 Figura 7 Reator em batelada Crédito Sergey RyzhovShutterstock A produção em fluxo contínuo já é o tipo de produção para ser usado em larga escala sendo que nesse tipo de produção os produtos são gerados em processos permanentes de reação O tempo para que o processo ocorra é chamado de tempo de residência no reator sendo determinado estequiometricamente em função do fluxo dos reagentes que também define o volume do reator A produção em fluxo contínuo usa reatores CSTR e reatores tubulares Os reatores CSTR Continuous stirredtank reactor reator de tanque de agitação contínua são os mais usados na indústria de processos químicos e podem ser dispostos em configuração de linha de produção em série ou em paralelo Embora apresentem um maior custo de instalação e controle possibilitam produção em larga escala com alimentação contínua da quantidade estequiométrica de reagentes e escoamento contínuo de produtos apresentando ainda um menor custo com pessoal de operação pois é controlado por sistemas de controle em malha fechada que veremos mais adiante O controle mais preciso por malha fechada é mais eficiente entre as variáveis de operação o que possibilita haver uma homogeneidade nas propriedades e na qualidade do produto final 11 Podemos citar como exemplos o uso nas indústrias de produtos químicos e farmacêuticos além da indústria de alimentos Figura 8 Reatores CSTR em série Crédito NoomcpkShutterstock Os reatores tubulares são constituídos por um único tubo longo ou por vários tubos dispostos na forma de feixe de tubos em que são alimentados estequiometricamente os reagentes que circulando em seu interior reagem gerando os produtos São mais usados para reagentes em fase gasosa Também são chamados de reatores do tipo PFR Plug Flow Reactor Embora resida neles uma maior dificuldade de controle de algumas variáveis por exemplo a temperatura são os reatores que apresentam maior taxa de conversão dos reagentes em produtos que saem com uma boa homogeneidade e qualidade 12 Figura 9 Reator de tubos do tipo PFR Crédito TREEGUE PhotographyShutterstock São usados por exemplo na indústria de papel e celulose e na de refino do petróleo podendo também ser usados em siderúrgicas 22 Tipos de processos químicos industriais quanto à continuidade de variáveis de processo ao longo do tempo Vimos anteriormente que quanto ao regime de produção os processos químicos podem ser em batelada ou contínuos Mas como são classificados quanto à continuidade de variáveis de processo ao longo do tempo Com relação à continuidade de variáveis de processo ao longo do tempo os processos químicos industriais ocorrem em regime permanente ou estacionário e em regime transiente No regime permanente ou estacionário o comportamento das variáveis de processo com o tempo em um determinado ponto é de muito pouca ou nenhuma variação No regime transiente o comportamento das variáveis de processo com o tempo em um determinado ponto é de apresentarem variação ou até mesmo poderem ser alteradas É interessante observar que os processos em batelada ocorrem em regime transiente e a maioria dos processos contínuos ocorrem em regime permanente 13 TEMA 3 TIPOS DE REPRESENTAÇÃO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS Em todo painel de controle ou estudo de desenvolvimento de processo químico há uma representação de uma planta industrial na qual os equipamentos das operações unitárias são desenhados de forma normatizada ou alocados esquematicamente em uma sequência de blocos sendo que unindo os equipamentos ou blocos há linhas de processo que representam as tubulações Essas representações são extremamente importantes pois nelas são indicados o sentido do fluxo do processo e os dados de alimentação e saída de cada equipamento de operação unitária que devem ser confrontados com o balanço de massa e o balanço de energia da planta industrial para que se tenha o efetivo controle da produção São essas representações que veremos a seguir 31 Fluxograma de processos Fluxograma de processos também chamado de fluxograma fluxograma de processo industrial fluxograma macro diagrama de fluxo de processos e diagrama de fluxo esquemático é o tipo de representação de uma planta industrial em que os equipamentos das operações unitárias são desenhados usando formas normatizadas e as tubulações aparecem como linhas de processo unindo os equipamentos Como já comentado os fluxogramas apresentam o sentido do fluxo do processo e os dados de alimentação e saída de cada operação unitária A sua principal função é apresentar como está funcionando uma planta produtiva visando controlar as variáveis de processo melhorar ou redimensionar não só essas variáveis como até as operações unitárias desse processo Isso é feito comparando os dados apresentados com os chamados set points determinados em função dos balanços de massa e de energia da planta industrial O padrão das representações usadas no fluxograma de processo é normatizado por agências como a International Standard Organization ISO pela norma ISO 10628 Diagramas de fluxo para processos de plantas regras gerais sendo essa representação dividida em símbolos de equipamentos 14 símbolos de tubulação símbolos de recipientes símbolos de trocadores de calor símbolos de bombas símbolos de instrumentos e símbolos de válvulas A representação de equipamentos está disposta Figura 10 a seguir Nela estão as representações de tipos de compressores de esteiras de elevadores turbinas fornos torres de refrigeração vasos entre outros Na Figura 11 a seguir estão as representações de tipos de linhas de fluxo sendo também apresentadas as representações de redutores misturadores válvulas ejetores entre outros Na Figura 12 a seguir são representados os tipos de trocadores de calor como boilers evaporadores condensadores entre outros Na Figura 13 a seguir são apresentados os diversos tipos de válvulas como válvula globo solenoide entre outras É recomendado que tenham sempre em mãos as normas de representação para uma correta interpretação dos fluxogramas de processo visando um eficiente controle do processo produtivo Figura 10 Símbolos de equipamentos industriais Fonte ISO 2012 15 Figura 11 Símbolos de tubulações e acessórios Fonte ISO 2012 16 Figura 12 Símbolos de vasos Fonte ISO 2012 17 Figura 13 Símbolos de válvulas Fonte ISO 2012 Na Figura 14 a seguir está representado um fluxograma de processo de destilação É importante reparar que nele estão presentes os símbolos apresentados nos quadros anteriores e que também há outro tipo de representação para bombas o que ocorre frequentemente De fato muitas vezes as empresas adotam simbologias próprias para algumas representações 18 Figura 14 Fluxograma de processo de destilação nele estão representados uma coluna de destilação aquecedores condensadores rotâmetros vasos e bombas Fonte ISO 2014 32 Diagrama de blocos Diagrama de blocos é o tipo de representação usado para facilitar o entendimento do processo de produção principalmente quando o objetivo é fazer uma otimização da produção ou novo processo produtivo Fica mais fácil fazer o balanço de massa e o balanço de energia tanto para cada equipamento quanto para o processo global bem como se avaliar de forma mais eficiente cada etapa do processo pelo fato de ser uma representação mais suscinta Assim é possível afirmar que o diagrama de blocos é uma representação mais simples do fluxograma de processo Nesse tipo de representação cada equipamento dos processos é representado por um bloco e as tubulações com o sentido do fluxo produtivo são representados por setas A simbologia do diagrama de blocos também é normatizada pela ISO 106281 Nessa norma as formas cilíndricas representam início e final de processo as formas retangulares podem representar para plantas de processos químicos industriais equipamentos de operações unitárias etapas dos processos de produção produção global Dentro dos retângulos podem estar 19 identificados apenas os equipamentos de operações unitárias das etapas do processo produtivo bem como podem conter também dados de balanços de massa e de energia de cada equipamento As setas que ligam esses retângulos representam as tubulações e os sentidos de fluxo Figura 15 Símbolos do diagrama de blocos Fonte Proença 2023 O diagrama de blocos pode ser usado apenas para análise de fluxo produtivo Nesse caso apresentará apenas informações básicas conforme exemplo da Figura 16 a seguir que representa um processo de dissolução seguido de reação química concentração da solução obtida e destilação em que estão presentes todos os processos de tratamento de gases e recuperação de solventes gerando produtos e resíduos 20 Figura 16 Diagrama de blocos com informações básicas Fonte ISO 2014 Na Figura 17 a seguir temos a mesma representação mas agora com dados do balanço de massa Figura 17 Diagrama de blocos com informações técnicas Fonte ISO 2014 21 TEMA 4 TIPOS DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE USADOS EM PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS No início do processo industrial todo o controle das plantas era realizado manualmente por operadores com o auxílio de instrumentos simples como termômetros manômetros e válvulas manuais Com o aumento da escala produtiva foi necessário introduzir a automação e desenvolver novos instrumentos de medição e controle de variáveis do processo sendo esse controle feito agora em uma sala de controle Assim foram desenvolvidos instrumentos de medida e controles mecânicos hidráulicos pneumáticos elétricos eletrônicos e digitais que atualmente são usados para instrumentação e controle inclusive por inteligência artificial Abordaremos neste tópico os instrumentos de medida mais comumente encontrados nas plantas industriais 41 Medidores de pressão Começaremos apresentando o instrumento de medida de pressão mais simples o tubo em U Esse medidor é composto de um tubo de vidro com uma escala graduada contendo em seu interior um líquido chamado de fluido manométrico que normalmente é o mercúrio podendo também ser a água Esse líquido é deslocado proporcionalmente em relação à pressão a qual uma das extremidades está exposta Por exemplo na Figura 18 a seguir temos a representação de comportamento do fluido no tubo sendo uma das extremidades aberta para a pressão atmosférica e a outra exposta a uma pressão atmosférica a uma pressão maior que a atmosférica e a uma pressão menor que a atmosférica No primeiro caso não há diferença entre níveis do fluido No segundo caso o nível do fluido está mais alto no lado aberto à pressão atmosférica indicando que a pressão exercida pelo sistema cuja extremidade do tubo está exposta é maior que a atmosférica caracterizando uma pressão relativa No terceiro caso o lado aberto à atmosfera desce mais indicando que a pressão exercida pelo sistema cuja extremidade do tubo está exposta é menor que a pressão atmosférica caracterizando uma pressão negativa ou vácuo 22 Figura 18 Tubo em U Crédito Fouad A SaadSchutterstock É importante ressaltar que o tubo em U mede apenas pressões relativas positivas ou negativas contudo normalmente se deseja a pressão absoluta para sistemas de controle Para obtêla deve ser feita a soma da pressão relativa com a pressão atmosférica ou barométrica 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 A pressão atmosférica é medida por um barômetro por isso é denominada também de pressão barométrica Apresenta valor de 1 atm ou 760 mmHg ao nível do mar A pressão absoluta é principalmente usada para cálculos térmicos e leituras em tabelas termodinâmicas Como todos os instrumentos industriais medem a pressão relativa o valor deve ser convertido para a pressão absoluta levando em conta a pressão barométrica local 23 Figura 19 Representação de manômetros e barômetros Crédito Alex LeoShutterstock Outro tipo de medidores de pressão apresenta elementos mecânicos elásticos como diafragmas foles e tubos Bourdon O princípio de funcionamento deles segue a Lei de Hooke dentro de um limite definido de elasticidade a deformação provocada em um corpo sólido é proporcional ao esforço aplicado sobre ele Dentro desses medidores de pressão o mais usado usa o tubo Bourdon um tubo com seção oval na forma de arco de circunferência em que uma de suas extremidades é fechada e conectada ao dispositivo indicador da pressão ou a um dispositivo de transmissão de sinal para um sistema de controle e a outra extremidade é conectada ao processo cuja pressão será medida O esforço aplicado sobre ele gera uma deformação que é transmitida a um ponteiro ou a um transmissor por meio de engrenagens Dos medidores de pressão que usam o tubo de Bourdon o mais usado industrialmente é o do tipo C em vista da boa precisão e do baixo custo 24 Figura 20 Representação dos tipos de Tubo de Bourdon sendo o do tipo C representado acima à esquerda Crédito Fouad A SaadShutterstock 42 Medidores de temperatura O tipo mais antigo e simples de medidor de temperatura é o termômetro por dilatação de líquido em bulbo de vidro Nele um reservatório soldado a um tubo capilar graduado em graus ou frações de graus de temperatura e de seção uniforme é preenchido por um líquido Os líquidos mais usados para seu preenchimento são mercúrio álcool acetona e tolueno O tubo capilar é protegido por um invólucro metálico Figura 21 Termômetro por dilatação de fluido Crédito ranto WShutterstock 25 Um dos mais encontrados nas indústrias é o termômetro por dilatação de líquido em recipiente metálico Esse medidor de temperatura contém um bulbo com um líquido que pode ser mercúrio álcool acetona e tolueno sendo esse bulbo ligado a um capilar conectado a um sensor volumétrico como o tubo Bourdon Por aquecimento ou refrigeração ocorre a contração ou expansão do líquido que por sua vez provocará uma deformação no sensor volumétrico transmitida para o ponteiro que indicará a temperatura Figura 22 Termômetro de Bourdon Crédito PKShutterstock Outro medidor de temperatura bastante encontrado na indústria é o termômetro à pressão de gás É de concepção e construção idêntica ao anterior apenas tendo como diferença o uso um gás a alta pressão no lugar do líquido Conforme a temperatura varia o gás expande ou contrai e a exemplo do anterior provocará uma deformação no sensor volumétrico transmitida para o ponteiro que indicará a temperatura 26 Figura 23 Termômetros à pressão de gás e manômetros em linha de vapor Crédito Ansis KlucisShutterstock O medidor de temperatura bastante usado na indústria de alimentos é o termômetro à dilatação de sólidos ou termômetro bimetálico Como o nome já indica é composto por dois metais sobrepostos apresentando coeficientes de dilatação diferentes A variação da temperatura provoca uma deformação não uniforme proporcional aos coeficientes de dilatação de cada metal que é transmitida a um ponteiro que indicará a temperatura Figura 24 Termômetro bimetálico Crédito Olga PopovaShutterstock 27 Com o avanço dos sistemas de controle o medidor de temperatura mais usado industrialmente passou a ser o Termopar principalmente em razão do baixo custo aliado à precisão estabilidade e reprodutibilidade de medidas Seu funcionamento segue o conceito do efeito Seebeck pelo qual em um circuito formado por dois condutores de metais diferentes circulará uma corrente se as extremidades das duas junções metálicas chamadas de par termoelétrico ou termopar forem mantidas a temperaturas diferentes Essa corrente será diretamente proporcional à diferença entre essas temperaturas A junção chamada de junção de referência ou junta fria é mantida a uma temperatura constante e a outra junção chamada de junta quente é exposta à temperatura que se deseja medir Figura 25 Termopar Crédito NordrodenShutterstock 43 Medidores de vazão Para se medir a quantidade de gases líquidos ou sólidos que passa por um determinado local em um intervalo de tempo são usados medidores de vazão Esses medidores podem ser de quantidade ou volumétricos Os medidores de quantidade como bombas de gasolina hidrômetros e balanças industriais determinam estritamente por um sistema mecânico a 28 quantidade de gases líquidos ou sólidos que passou não fornecendo informações sobre o sentido de fluxo ou mesmo a quantidade de fluxo presente no local de medida Figura 26 Hidrômetro industrial Crédito Yevhen ProzhyrkoShutterstock Para se medir o fluxo são usados medidores de vazão volumétricos sendo os mais comuns a placa de orifício o rotâmetro e o tubo de Venturi A placa de orifício é composta por uma placa perfurada instalada perpendicularmente ao eixo central de uma tubulação em que circula um fluido Uma vez que a vazão é constante o estreitamento produzido pela placa na área de escoamento do fluido dentro do tubo gera um aumento na velocidade do fluido Isso gera uma variação na pressão que é medida por medidores de pressão Essa variação na pressão aliada à diminuição da área de seção transversal da tubulação pode ser convertida em fluxo A desvantagem no uso da placa de orifício é a perda de carga causada na linha de circulação do fluido 29 Figura 27 Placa de orifício Crédito Elias Aleixo O rotâmetro é composto por um elemento flutuante que varia sua posição dentro de um tubo cônico de acordo com a vazão do fluido que está escoando no sentido da base para o topo do rotâmetro A diferença de pressão somada ao efeito do empuxo do fluido sobre o elemento flutuante excede seu peso fazendo com que ele flutue de forma diretamente proporcional ao fluxo de escoamento O tubo cônico apresenta uma escala calibrada pela qual é possível ler diretamente a vazão por meio da posição do flutuador Figura 28 Rotâmetro Crédito SfamPhotoShutterstock 30 O tubo Venturi segue o mesmo princípio de criação de uma pressão diferencial da placa de orifício Gera um estreitamento na tubulação sendo usualmente instalado entre dois flanges O objetivo é provocar uma aceleração no fluido e diminuir sua pressão que é lida por medidores de pressão posicionados antes do estreitamento no estreitamento e após o estreitamento A exemplo da placa de orifício essa variação na pressão aliada à diminuição da área de seção transversal da tubulação pode ser convertida em fluxo É o mais indicado para fluxo de fluidos contendo sólidos em suspensão Figura 29 Tubo de Venturi Crédito Fouad A SaadShutterstock TEMA 5 SISTEMAS DE CONTROLE Com a evolução e aumento da escala das produções industriais foram criados os sistemas de controle para manter as variáveis de processo o mais próximas dos valores desejados A variável de processo é chamada de variável controlada e o valor desejado é chamado de set point Basicamente o sistema de controle compara o valor da variável controlada com o set point e executa uma ação de correção em função da análise do desvio entre esses valores 51 Malha de controle A malha de controle é o conjunto de equipamentos compostos por uma unidade de medida uma unidade de controle e um elemento de atuação no 31 processo Pode ser de dois tipos malha de controle aberta e malha de controle fechada Na malha de controle aberta a unidade de medida realiza a leitura da variável controlada e envia a leitura por um transmissor para um controlador que não atua diretamente na correção de um desvio por meio de um atuador havendo necessidade de um comando feito pelo operador de painel Na malha de controle fechada o controlador envia um comando para o atuador que corrige o desvio não havendo necessidade do comando de um operador Figura 30 Malhas de controle Fonte Tecconcursos 2023 52 Transmissor É o instrumento que mede uma variável controlada e transmite um sinal proporcional a essa medida para um controlador Os sinais de transmissão mais comuns são os pneumáticos que variam de 3 a 15 psi para uma faixa de medidas de 0 a 100 da variável controlada e os eletrônicos sendo os mais utilizados de 4 a 20 mA 10 a 50 mA ou 1 a 5 V para medidas de 0 a 100 da variável controlada 32 Figura 31 Transmissor Crédito KengseraphShutterstock 53 Controlador É o instrumento que recebe o sinal enviado pelo transmissor compara o valor medido da variável controlada com o set point e fornece um sinal de saída para o atuador com o objetivo de manter a variável controlada em um valor próximo ao set point Os tipos de controladores mais usados industrialmente são o controlador onoff o controlador P o PI o PD e o PID O controlador onoff é o mais simples Apresenta um circuito comparador que compara o sinal de entrada que veio do transmissor com os sinais de referência chamados de limite inferior e limite superior Se o sinal de entrada for menor que o limite inferior a saída do controlador será ativada e o atuador será acionado com sua potência máxima Se o sinal de entrada for maior que o limite superior a saída será desligada e o atuador desligado Normalmente o controlador onoff trabalha com uma histerese diferença entre os limites superior e inferior tal que o set point fique entre o limite inferior e o superior O controlador P proporcional apresenta maior sofisticação que o anterior de modo a possibilitar que a resposta do controle seja proporcional ao 33 sinal na sua entrada Assim se o sinal na sua entrada for pequeno sua saída terá um valor pequeno e se for grande sua saída será grande O controlador PI proporcionalintegral combina a ação proporcional com uma ação de integração O integrador possibilita que o erro existente na aquisição e tratamento de sinal seja zerado pois mesmo que o erro seja pequeno o integrador vai somando ao longo do tempo os erros e a sua saída vai aumentar até que seja capaz de acionar o atuador e fazer a correção mais assertivamente Assim tendo no início um erro grande o controle proporcional fornecerá uma saída grande predominando sobre o controle integrador À medida que o sistema vai se aproximando do set point o erro vai diminuir e a resposta do controlador proporcional vai ficar cada vez mais fraca até atingir valores para os quais predominará o controlador integrador O Controlador PD proporcionalderivativo é uma combinação do controlador proporcional com o controlador derivativo O controlador derivativo tem sua saída proporcional à variação do erro ou seja caso o erro esteja variando rapidamente atuará minimizando ou eliminando essa variação O controlador PID proporcionalintegralderivativo é a combinação dos controladores proporcional integral e derivativo Assim com um controlador PID podemos ter os tipos de controle dos anteriores P PI e PD Podemos ainda converter o controlador PID nos demais Por exemplo se optarmos por um controlador PI deveremos zerar o ganho do controlador derivativo Se optarmos pelo PD deveremos zerar o ganho do controlador integral e se optarmos por um controlador P deveremos zerar o ganho do controlador derivativo e do controlador integral 34 Figura 32 Controladores Crédito Kalabi YauShutterstock 54 Atuador Os atuadores são instrumentos que recebem o sinal do controlador e atuam diretamente sobre as variáveis de processo a fim de corrigir o desvio da variável controlada do set point Podem ser válvulas bombas pistões aquecedores por resistência controlados motores elétricos ou servomecanismos entre outros Figura 33 Válvula de controle Crédito NavinTarShutterstock 35 FINALIZANDO Nesta etapa foram apresentados os fundamentos dos processos químicos industriais sua definição depois os tipos de processos formas de sua representação instrumentação e tipo de controle usados nas suas plantas industriais 36 REFERÊNCIAS INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION ISO ISO 10628 1 Diagrams for the chemical and petrochemical industry Part 1 Specification of diagrams International Standard Organization 2014 ISO 10628 2 Diagrams for the chemical and petrochemical industry Part 2 Graphical Symbols International Standard Organization 2012