Estudo de Caso de Depurador de Hcl Gasoso

Universidade Estadual de Maringá Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Química Curso Engenharia Química Disciplina Análise simulação e controle de processos 5289 Data de entrega e apresentação 27012025 Valor 50 Acadêmicoa RA Acadêmicoa RA Acadêmicoa RA Acadêmicoa RA 1o Bimestre 2o Bimestre 3o Bimestre 4o Bimestre Parte 02 Exame Final DEPURADOR DE HCL GASOSO Você foi contratado como consultor para otimizar o sistema de controle de uma unidade de tratamento de ar A unidade é um depurador onde a concentração de HCl no ar deve ser reduzida antes de ventilar o ar para o ambiente a Fig E1 mostra o depurador Uma solução de NaOH é utilizada como um meio depurador O principal distúrbio no processo é o fluxo de ar para dentro do depurador três ventiladores fornecem este fluxo Quando o fluxo de ar aumenta a concentração de HCl no fluxo de saída também aumenta O sistema de controle deve corresponder a este distúrbio e às variações de ponto fixo Geralmente o ponto fixo é 95 ppm Acima deste valor você está violando regulamento federal na realidade o máximo permitido é 98 ppm abaixo disto você está desperdiçando NaOH O transmissor utilizado AT46 tem uma faixa de 25 a 150 ppm e uma constante de tempo de 04 min O sensor tem um comportamento linear inverso isto é à medida que a concentração aumenta o sinal diminui ou 0ST 150 ppm A válvula de controle é uma válvula linear falhaabre O fluxo fornecido pelo ventilador 1 é 50 cfm e os ventiladores 2 e 3 proporcionam 25 cfm cada geralmente apenas o ventilador 1 funciona Na unidade industrial você se encontra com o engenheiro de controle Richard a engenheira da unidade industrial Karen e o operador Chris Karen lhe conta que o controlador esteve em manual durante a semana que passou porque os parâmetros de sintonização que o Richard calculou não estão funcionando de forma alguma estas sintonizações são Kc 28 τ 48 min Ação reversa sintonização 1 Chris diz que ele vem tentando variar as sintonizações um pouco mas sem qualquer sucesso Karen sugeriu eliminar o modo integral usando somente Kc 28 mas isto também não funcionou Os ajustes atuais são Kc 25 ação direta sintonização 2 Richard está quieto e não diz uma palavra Após algum tempo ele pede para falar com você em particular Sozinho com você ele diz Estou muito seguro com relação a estes cálculos Acredito que o Chris não queira que o controlador funcione porque ele teme perder seu emprego Ele continua A Karen por outro lado é uma engenheira à moda antiga que pensa que humanos são mais confiáveis do que máquinas então se não funciona é porque o controlador não é adequado para esta aplicação a Você percebe uma atmosfera pesada e não é exatamente porque a concentração em ppm de HCl está em excesso Algo ou alguém está errado Mas você precisa de mais informação Se ninguém estiver sabotando o sistema e o controlador estiver perfeito você pode especular sobre a razão de diferentes grupos de parâmetros de sintonização não terem funcionado Você decide chamar Karen Chris e Richard para uma reunião Desta vez você quer planejar uma estratégia Quando todos estão presentes você começa suas perguntas Vou precisar da ajuda de todos vocês para solucionar o problema Antes de tudo por que vocês precisam de um controlador Por que vocês simplesmente não definem um fluxo fixo para a solução de depuração de NaOH Eu posso ajudar diz Karen Inicialmente contumávamos alterar o ponto fixo toda vez que um novo gerente era contratado Sabe como é alguns se importavam com o meio ambiente outros simplesmente o ignoravam Agora com o novo regulamento ambiental penso que ele não deverá ser alterado por um bom tempo Entretanto algumas vezes temos que evacuar mais ar com HCl da unidade induatrial e é aí que os outros ventiladores 2 e 3 começam a funcionar Na realidade não controlamos sua inicialização alguém em outra unidade o faz Nestes casos a concentração em ppm pode aumentar muito então temos que abrir a válvula Você tem alguma informação de quanto é a variação quando os ventiladores começam a funcionar pergunta você Eu sou o especialista quando se fala em ventiladores perturbando nosso processo Diz Chris Ontem alguém ligou o ventilador 2 às 235 da tarde A concentração começou a se alterar imediatamente Antes de o ventilador dar partida a concentração era de 925 ppm e o fluxo de NaOH era de 55 gpm 45SC Às 239 da tarde a concentração de 988 ppm e em ascensão Após algum tempo ela estabilizouse em 1025 ppm Decidi então começar a abrir a válvula E o que aconteceu pergunta você Já que o Richard estava por perto diz Chris ele me pediu que registrasse o comportamento do depurador a partir do momento que a válvula abrisse e eu o fiz Tenho os resultados aqui diz Richard Pensei que talvez você quisesse dar uma olhada neles Richard entrega os resultados para você Os dados registrados são mostrados na Tabela E1 Você agora acha que tem tudo o que é necessário No entanto antes de sair você pergunta a Karen o que significa para ela a sintonização do controlador não funcionar de jeito nenhum Ela diz que o conjunto inicial de parâmetros fazia a válvula abrir ou fechar completamente em poucos minutos O último conjunto de parâmetros não é tão mau No entanto quando o ventilador 2 ou o 3 está ligado o processo nunca alcança o ponto fixo e se desvia próximo de 55 ppm dele Isto ela diz não é aceitável Nosso ponto fixo é 95 ppm e pelo regulamento federal é 98 ppm posso aceitar um erro residual de 2 ppm mas não acima disto Também continua ela gostaria de obter uma resposta onde a amplitude de oscilação decai rapidamente Por exemplo se o primeiro excesso é 2 ppm o segundo deve ser 05 ppm Agora você tem tudo o que é necessário b Faça um diagrama de blocos global de malha fechada para ilustrar como o sistema funciona Utilize os valores reais não as letras dentro dos blocos c Qual é o fluxo máximo da válvula d Explique as razões de a Sintonização 1 não ter funcionado Prove suas razões e Explique ar razões de a Sintonização 2 não ter funcionado Prove suar razões f Qual sintonização controlador P você sugere Por quê g O que você diria ao Chris para eliminar suas preocupações sobre perder o emprego se o controlador funcionar h Richard estava certo sobre o Chris sabotar a operação do controlador ST saída do Trsnsmissor SC saída do Controlador gpm galões por minuto cfm pés cúbicos por minuto DEPURADOR DE HCL GASOSO a Faça um diagrama de blocos global de malha fechada para ilustrar como o sistema funciona Utilize os valores reais não as letras dentro dos blocos No sistema de controle do depurador de HCl o sinal de entrada r é definido pelo setpoint de 55 ppm de HCl que representa o valor desejado de concentração de HCl na saída do depurador O sinal de saída y corresponde à concentração real de HCl medida que é detectada pelo transmissor AT146 com faixa de medição entre 25 e 150 ppm Este mesmo sinal medido pelo transmissor constitui a realimentação do sistema sendo subtraído do setpoint para gerar o sinal de erro e r y A realimentação é caracterizada como negativa devido à operação do sistema com ação reversa Entre os sinais intermediários importantes do sistema destacamse o erro que representa a diferença entre o setpoint e o valor medido o sinal de controle m que consiste na saída do controlador responsável por atuar na válvula e o fluxo de NaOH que atua como variável manipulada para afetar a concentração de HCl O conjunto forma uma malha fechada de controle que visa manter a concentração de HCl estável em 55 ppm através do ajuste automático do fluxo de NaOH b Qual é o fluxo máximo da válvula Sejam as condições de operação Operação com 3 ventiladores fornecendo fluxo de ar NaOH é usado como meio depurador O setpoint é 55 ppm de HCl Analisando a tabela E1 temse que Em t 300 PM a concentração é 958 ppm Esta concentração alta indica que o fluxo de NaOH está no mínimo Em t 314 PM a concentração cai para 954 ppm Em t 317 PM atinge 948 ppm Analisando a taxa de variação da concentração Variaçãodeconcentração95894 81 ppm Intervalo detempo17minutos Taxa 1 ppm 17min0059 ppmmin Usando a estequiometria da reação HClNaOH NaCl H ₂O Portanto o fluxo máximo da válvula pode ser determinado pela capacidade de reduzir a concentração de HCl de 958 ppm para o setpoint de 55 ppm considerando a taxa de variação observada Flux omax 95855 ppm 0059 ppmmin6915unidadesde fluxo Este seria o fluxo máximo teórico da válvula nas condições operacionais apresentadas assumindo uma relação linear entre o fluxo de NaOH e a taxa de redução da concentração de HCl c Explique as razões de a Sintonização 1 não ter funcionado Prove suas razões A Sintonização 1 Kc 28 τ 48 min não funcionou adequadamente porque O sistema apresentou oscilações significativas Não conseguiu manter o setpoint de 55 ppm Os dados da tabela mostram variações contínuas na concentração A instabilidade do sistema com a Sintonização 1 é comprovada pelo alto ganho em malha fechada 35 que excede o ganho crítico estimado e resulta em oscilações sustentadas KcKT 2812535 Tempo integral muito longo causando resposta lenta às perturbações τ48min Pcr 2 008min d Explique ar razões de a Sintonização 2 não ter funcionado Prove suar razões Os parâmetros Kc 25 ação direta não são apropriados para o tipo de processo A mudança para ação direta é incorreta pois o processo requer ação reversa O sistema necessita de controle proporcionalintegral para eliminar o erro em regime permanente A Sintonização 2 falha matematicamente porque o A ação direta inverte o sinal de controle causando instabilidade o Para processo direto ΔPVΔMV 0 sistema requer ação reversa pois aumento de NaOH reduz HCl o O erro em regime permanente sem ação integral seria aproximadamente 152 ppm inaceitável para a especificação de 2 ppm e SP 1Kc KT 152 ppm e Qual sintonização controlador P você sugere Por quê Usando método de ZieglerNichols K cnovo045 Kcr126 Ti Pcr 12 013min Função de transferência do controlador Cs1261 1 013s Esta sintonização deve fornecer Razão de decaimento 14 Margem de fase 45 Erro nulo em regime permanente Reduzir a amplitude das oscilações Manter margem de fase adequada para estabilidade f O que você diria ao Chris para eliminar suas preocupações sobre perder o emprego se o controlador funcionar O sistema de controle pode ser otimizado com ajustes adequados Sua experiência é valiosa para a empresa O problema não é de competência pessoal mas de ajuste do sistema com os ajustes corretos o sistema funcionará adequadamente a Richard estava certo sobre o Chris sabotar a operação do controlador A manipulação inadequada dos parâmetros pode desestabilizar o sistema Alterações sem metodologia adequada podem prejudicar o processo A segurança do processo pode ser comprometida Considerando SP 55 ppm Erro permitido 2 ppm Erro relativomáximo 2 55100364 Um erro de 364 em relação ao setpoint demonstra matematicamente a importância de um controle preciso justificando as preocupações de Richard sobre alterações não metodológicas no sistema Análise da Tabela E1 Período de oscilação Pu 317 301 016 minutos Amplitude média das oscilações 24 ppm Desvio médio do setpoint 958 55 408 ppm