Definição do Diagrama de Processo e Instrumentação

Um processo possui inúmeros factores que o influenciam e que podem variar de forma inesperada, pondo em causa as especificações pretendidas para os produtos finais. Torna-se então necessário responder de forma adequada a estas variações, para que o produto mantenha as características pretendidas, verificando-se assim que é de extrema importância implementar um sistema de controlo no processo.

Este sistema de controlo deve ser aplicado a todos os processos considerados neste projecto, nomeadamente a destilação e a decantação.

3.2.1 Destilação

Para o processo em questão, o controlo da operação de diversas colunas de

destilação, verifica-se que se deve controlar diferentes variáveis, tais como[26]:

- A composição da corrente de destilado; - A composição da corrente de resíduo; - O nível do líquido no tambor de refluxo; - O nível de líquido na base da coluna; - Pressão na coluna.

As duas primeiras variáveis terão um impacto directo na qualidade dos produtos finais. Variáveis como o nível de líquido no tambor de refluxo e na base da coluna terão um impacto directo nos balanços materiais e a última permite assegurar o balanço energético, dado que da pressão da coluna dependem as volatilidades relativas dos vários componentes e assim o equilíbrio líquido-vapor, ao longo da coluna.

Duas das principais perturbações que podem afectar o funcionamento de uma coluna são o caudal de alimentação (F) e a sua composição.

As potenciais variáveis manipuláveis para garantir o funcionamento da coluna dentro dos parâmetros especificados serão: os caudais de destilado (D), de resíduo (B), de refluxo (R) e de utilidade quente do reebulidor (Vr).

É necessário, então, escolher uma estratégia de controlo apropriada às

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3.2.1.1 Controlo de Pressão

As volatilidades relativas, bem como a diferença de temperatura ao longo da coluna são dependentes da pressão, sendo por isso importante o controlo desta variável.

As colunas de destilação, em estudo, operam à pressão atmosférica. Deve-se garantir que não existe sobrepressão na coluna, o que, pelo facto de ser atmosférica não o garante. Se ocorrer alguma falha do caudal de água de refrigeração não é garantida a pressão atmosférica ocorrendo problemas na operação da coluna.

Pelo referido anteriormente, deve ser colocado pelo menos um alarme de caudal baixo de utilidade fria, em cada coluna. Contudo, em alternativa, poderá ser considerado o

controlo da pressão através da manipulação do caudal desta utilidade[26], como

exemplificado nas Figuras 3.7 e 3.8.

3.2.1.2 Controlo de Nível

Uma coluna de destilação possui dois níveis, nomeadamente o nível da base da coluna e o do tambor de refluxo. Estes níveis devem controlados de forma a os equipamentos não secarem, nem serem inundados.

A. Controlo do Nível da Base

O bom funcionamento de uma coluna de destilação depende de um controlo eficaz do nível de líquido na base da coluna, de forma a evitar alterações na eficiência dos pratos/enchimento quer por secagem quer por “inundação” (flooding) dos mesmos.

A forma mais comum de controlar este tipo de nível é pelo caudal de resíduo.

B. Controlo do Nível do Tambor de Refluxo

A utilização do tambor de refluxo não é obrigatória. Caso este não seja utilizado o controlo de nível deixa de ser necessário, passando a ser essencial o controlo do caudal de uma das duas correntes de topo, nomeadamente o destilado ou refluxo.

Para ajudar na escolha da estratégia de controlo há determinadas regras heurísticas

que podem ser seguidas para o projecto em questão[26]:

Regra 1. O controlador de caudal deve ser localizado na corrente de menor fluxo, o

que permite controlar o nível do tambor de refluxo, caso este seja utilizado, através da variável de maior caudal.

Daqui resulta que:

Regra 2. O controlador de caudal deve ser inserido na corrente de destilado, para

razões de refluxo (R/D) superiores a 5, deixando o controlo do nível associado ao caudal de refluxo à coluna; Este esquema encontra-se exemplificado na Figura 3.7a.

Regra 3. Para razões de refluxo, RR, inferiores a 1, o caudal deverá ser controlado

através da corrente de refluxo, deixando o controlo do nível associado ao caudal de destilado. A Figura 3.7b é exemplificativa deste esquema de controlo.

Recuperação da Ciclohexilamina e do Ciclohexanol por Destilação Coluna Reebulidor Condensador LIC LV xxx Utilidade Quente, Vr Tambor de refluxo Destilado, D Resíduo, B Alimentação, F Utilidade fria Refluxo, R LIC FV xxx FIC LV xxx PV xxx PIC Coluna Reebulidor Condensador LIC LV xxx Utilidade Quente, Vr Tambor de refluxo Destilado, D Resíduo, B Alimentação, F Utilidade fria Refluxo, R LIC LV xxx FIC FV xxx PV xxx PIC

Figura 3.7- Representação das possíveis estratégias de controlo do nível do tambor de refluxo, para

RR>5 (a) e RR<1 (b) (adaptado) [26].

Como foi referido anteriormente, no caso de não ser considerado qualquer tambor de refluxo, apenas será necessário prever um controlador de caudal das correntes de refluxo ou destilado, sendo a posição do controlador seleccionada de acordo com a regra 1.

3.2.1.3 Controlo da Composição

Adicionalmente ao controlo das variáveis identificadas atrás, é possível ter um controlo aproximado da pureza ou qualidade dos produtos pretendidos, controlando os

gradientes de temperatura da coluna, nomeadamente as temperaturas de base e topo.[26]

Isto, porque a temperatura é um dos factores determinantes no equilíbrio líquido-vapor que se estabelece, nestes pontos. Este tipo de controlo surge como uma alternativa simples à utilização de analisadores em linha, cujo custo pode em alguns casos ser proibitivo.

Qualquer uma das variáveis de operação, que não estejam a ser utilizadas para o controlo da pressão, nível ou caudal, podem ser usados para o controlo da temperatura de operação das colunas.

Controlo da Composição dos Produtos da Base.

Neste caso, deverá ser definida uma gama de temperaturas de operação baseadas em análises de controlo, que será mantida através da introdução de um controlador de temperatura. A variável manipulada, mais comummente utilizada para o efeito, é o caudal de utilidade quente, Vr.

Controlo da Composição dos Produtos do Topo.

Da operação da coluna, resulta novamente uma gama permissível de temperaturas de operação, baseadas em análises de controlo, e mantida através da introdução de um controlador de temperatura, próximo do ponto.

Dado que não poderá haver um controlo independente dos caudais de destilado e de refluxo, a introdução de um parâmetro adicional de controlo, neste caso a temperatura,

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obrigará à utilização de um sistema de controlo em cascata, onde o controlador da temperatura define a razão de refluxo de operação, determinando:

a) O set point do controlador do caudal de destilado (RR superior a 5) b) O set point do controlador do caudal de refluxo (RR inferior a 1).

Estas estratégias de controlo para as diferentes variáveis podem ser observadas nas figuras seguintes, estando assinaladas a vermelho as estratégias para as composições de base e destilado. Coluna Reebulidor Condensador LIC LV xxx Utilidade quente, Vr TVxxx TIC Tambor de refluxo Destilado, D Resíduo, R Alimentação, F Utilidade fria Refluxo, R LIC FV xxx TIC FIC LV xxx PV xxx PIC SP Resíduo, B Coluna Reebulidor Condensador LIC LV xxx Utilidade Quente, Vr TVxxx TIC Tambor de refluxo Destilado, D Resíduo, B Alimentação, F Utilidade fria Refluxo, R LIC LV xxx TIC FIC FV xxx PV xxx PIC SP

Figura 3.8 – Representação dos possíveis esquemas de controlo para as composições, na base e no destilado

para uma RR>5 (a) e RR<1 (b) (adaptado) [26].

3.2.2 Decantação

O controlo deste processo é também de extrema importância, pois variações nas condições de operação do decantador podem levar à não separação das fases e, consequentemente, ao arrastamento de uma fase indesejável para a alimentação da coluna.

As variáveis mais importantes para o controlo deste equipamento são, para além do nível da interface, o nível dos vários compartimentos, existentes no interior do equipamento.

O controlo dos níveis das fases aquosa e orgânica é efectuado através da manipulação dos respectivos caudais de saída. É difícil encontrar equipamentos que controlem, automaticamente, o nível da interface. Por isso, é utilizado um controlo visual da interface, através de um indicador local.

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