Forno pré-aquecedor de óleo cru

O óleo cru é aquecido nos tubos do forno e segue para a torre de destilação.

Carga de óleo	100 kg/s
Entrada → saída	230 → 350 °C
Gás combustível	{{ponto.Fg0_kg_min|1}} kg/min
Coletor de gás	3 bar
Válvula de gás	{{ponto.u0|0}} % aberta

Malha atual: a TIC na saída do forno atua diretamente na válvula de gás.

Que perturbações tiram T de 350 °C?

Perturbação	Onde age
Pressão do coletor de gás	vazão de gás pela válvula
Poder calorífico do gás	calor liberado na queima
Carga de óleo	calor necessário ao óleo
T de entrada do óleo	calor necessário ao óleo

Resposta da TIC a cada perturbação feedback simples, sintonia ZN1

Nas três perturbações, T volta a 350 °C. Desvio máximo: 2,0 °C (pressão), 8,1 °C (carga) e 3,6 °C (entrada). T fica a menos de 0,5 °C do set point de 7 a 12 min depois do degrau.

Efeito da pressão do gás sobre T feedback simples

T começa a mudar 1 a 2 min depois de cada degrau e leva cerca de 8 min para voltar. A pressão muda a cada 5 min, então a TIC ainda está corrigindo um degrau quando chega o seguinte.

Como reduzir o desvio de T? votação

As três hipóteses serão testadas nesta ordem.

Aumento do K_c da TIC hipótese 1

Com K_c × {{e1.alto_fator|1}}, o IAE cai de {{e1.fb_iae|0}} para {{e1.alto_iae|0}} °C·min. Acima de K_c × {{e1.fator_crit|1}}, a malha fica instável.

Controlar a pressão do coletor? hipótese 2

Caminho da perturbação de pressão

1. A pressão cai, e F_g cai em segundos (G_P,2).
2. O calor atravessa o metal dos tubos e chega ao óleo em minutos (G_P,1).
3. A TIC só detecta o erro depois que T muda.

Operação manual da válvula de gás hipótese 3

A TIC fica desligada. O voluntário ajusta a abertura da válvula para manter a vazão de gás na linha tracejada, sem olhar a temperatura. A curva cinza é o feedback simples, com a TIC em automático.

Mantendo a vazão de gás, o desvio de T fica em cerca de 0,3 °C, contra {{e1.fb_max|1}} °C da TIC. Para isso, a válvula precisa ser corrigida a cada poucos segundos, o turno inteiro.

Um controlador para T e outro para a vazão

O segundo controlador é um FIC. Ele mede a vazão de gás e ajusta a válvula para manter o set point que recebe da TIC.

Controle em cascata
Uma variável manipulada, duas variáveis medidas e duas malhas, uma dentro da outra.

Feedback simples vs cascata

Malhas primária e secundária

• Primária (externa): a TIC mede T; sua saída é o set point da secundária.
• Secundária (interna): o FIC mede F_g e atua na válvula.
• d'₂ entra dentro da malha secundária.

Resposta da malha fechada a d'₂ em duplas, 5 min

Feedback simples:

Cascata (feche primeiro a malha interna e substitua na externa):

O numerador não muda. O denominador ganha o termo da malha interna, que é grande nas frequências em que d'₂ varia; por isso a perturbação chega atenuada a G_P,1.

Regras de projeto da cascata verdadeiro ou falso

• A malha secundária pode ser tão lenta quanto a primária. FDeve ser bem mais rápida. O FIC responde em cerca de 0,14 min; a TIC, em minutos.
• A malha externa é sintonizada primeiro. FA sintonia é de dentro para fora. A curva de reação da TIC é obtida com o FIC em automático.
• Offset na malha secundária é aceitável. VA malha primária elimina o offset. Em geral, um controlador P basta na interna.
• A cascata corrige qualquer perturbação do forno antes que ela afete T. FSó as que surgem dentro da malha secundária, como a pressão do gás. As demais só são corrigidas depois de afetar T.

O grande benefício da cascata

As perturbações que surgem dentro da malha secundária são corrigidas antes de afetar a variável controlada.

• No forno, a pressão do gás altera F_g, e o FIC corrige F_g antes de T mudar.
• A carga e a temperatura de entrada do óleo entram no processo primário. A TIC só as corrige depois que T muda, como no feedback simples.
• Em processos químicos, malhas de vazão quase sempre são a secundária de malhas de nível, temperatura ou pressão.
• Os dois controladores são feedback padrão: P, PI ou PID.

Reator

Perturbações e propostas de cascata

A engenharia avalia duas cascatas:

Questões 1 a 3

1. Diagnóstico. Identifique a variável controlada, a manipulada e as três perturbações. Em que bloco do diagrama de blocos do feedback simples entra cada perturbação?
2. Feedback simples. Com a estrutura “feedback simples” no simulador, aplique uma perturbação de cada vez (clique em Reiniciar entre elas) e anote o IAE e o desvio máximo 55 min após a perturbação.
3. Previsão. Antes de simular as cascatas, indique quais perturbações a Proposta A rejeita e quais a Proposta B rejeita. Justifique pela posição da medida secundária em relação ao ponto de entrada de cada perturbação.

Questões 4 a 6

4. Diagrama de blocos. Desenhe a Proposta B, identificando G_C,1, G_C,2, G_f, os processos, os medidores e o ponto de entrada de cada perturbação.
5. Sintonia de dentro para fora. A malha interna já está sintonizada (FIC: K_c = 0,0104 %/(kg/min), T_i = 0,07 min; TIC da camisa: K_c = −10 %/°C, T_i = 0,5 min). Com a interna em A e a externa em M, aplique um degrau na saída da externa, obtenha a curva de reação (28,3 % e 63,2 %) e sintonize por ZN1. Qual é o sinal de K_c em cada proposta, e por quê?
6. Comparação. Repita a questão 2 para as duas propostas e preencha a tabela de “Para entregar”. Qual estrutura você instalaria? Por que nenhuma das duas corrige o calor de reação?

Simulador do reator

Para entregar

• Diagrama de blocos da Proposta B (questão 4).
• Curva de reação e sintonia da malha externa nas duas propostas (questão 5).
• Escolha justificada, em até cinco linhas (questão 6).

Ticket de saída no papel, 2 min

Tragam a tabela do exercício preenchida e a sintonia da Proposta B.