1

Sistemas de Instrumentao e Controle de Processo

Lista 4

Questo 1

Ao projetar uma vlvula de controle com atuao pneumtica, o engenheiro deve atentar para a escolha do

tipo de ao, que, por sua vez, est relacionado com a posio de falha da vlvula, isto , quando no h

suprimento de alimentao pneumtica. Em relao ao tipo de ao de vlvulas, responda:

a) Qual o critrio bsico para escolha do tipo de ao de uma vlvula?

b) Quais so os tipos de ao possveis?

c) Para as malhas de controle a seguir, escolha o tipo de ao mais adequado para a(s) vlvula(s) de

controle, justificando sua escolha. E ainda, para cada caso, determine o sinal do ganho da vlvula.

I. Controle de temperatura de uma reao exotrmica.

II. Controle de temperatura em um trocador de calor de um fluido de processo inflamvel.

III. Controle de nvel com o fluxo de sada.

2

IV. Controle de nvel com o fluxo de sada.

V. Uma vlvula manipula o fluxo de gs natural (combustvel) para um forno. Outra vlvula

manipula o fluxo de ar de combusto para o mesmo forno.

Questo 2

O corpo de uma vlvula a parte que mecanicamente executa a ao de controle permitindo maior ou

menor passagem do fludo. Isso ocorre atravs do movimento de um obturador. Sendo o conjunto do corpo,

parte de vlvula que entra em contato direto com o fludo, ele deve satisfazer os requisitos de presso,

temperatura e corroso do fludo.

A figura a seguir apresenta dois tipos de corpo de vlvulas de controle.

3

Responda:

a) Quais so os tipos vlvulas representadas no desenho a cima? Como podemos classificar o

deslocamento da haste que movimenta o obturador de cada uma?

b) Como seria a simbologia de cada vlvula em um diagrama de processo?

c) Quais as principais vantagens da vlvula Tipo 1 frente ao tipo 2? E as desvantagens?

d) Em uma determinada indstria petroqumica, vapor dgua para diferentes usos em seu processo

gerado em uma caldeira atravs da queima de gs natural. O controle da vazo do gs natural feito

com uma das vlvulas apresentadas a cima. Qual? Explique.

Questo 3:

Seguindo uma conveno adotada por todos os fabricantes de vlvulas de controle, a capacidade de fluxo de

uma vlvula de controle determinada pelo seu fator de capacidade ou coeficiente de fluxo, Cv. Por

definio, Cv o fluxo (em gpm) de gua que flui atravs de uma vlvula a uma queda de presso de 1psi

atravs dela. Por exemplo, uma vlvula com um Cv de 25 pode liberar 25 gpm de gua quando ela tem uma

queda de presso de 1 psi.

O Coeficiente Cv , portanto, uma funo de cada tipo e tamanho de vlvula e depende da posio do

obturador, variando de 0 (quando a vlvula est completamente fechada) e Cvmx, (quando ela est

totalmente aberta).

A funo que relaciona a posio do obturador na vlvula com a capacidade de fluxo, Cv, dada pela Curva

Caracterstica da Vlvula, que pode ser basicamente de trs tipos.

Com base no texto anterior, responda:

a) Quais so os trs tipos de curvas caractersticas mais comuns? Faa um grfico representando os

trs tipos.

b) Qual(is) tipo(s) de curva caracterstica seria(m) mais adequado(s) para:

Vlvulas de alvio ou sistemas on-off?

Regulagem de fluxo?

Explique.

c) ERRATA: Preencha a tabela a seguir considerando que para os trs tipos de curva caracterstica a

capacidade mxima da vlvula a mesma. Apresente os clculos, quando necessrio. DICA: Para a

vlvula igual de igual porcentagem, o Cv proporcional a raiz quadrada da posio.

Q (gpm)

Posio da vlvula

(%) Linear

Abertura

Rpida

Igual

Porcentagem

0%

5

20% 50

10,9

176,8

80% 200 223,6 114,3

100%

250

4

Questo 4:

Uma vlvula de controle deve regular o fluxo de um gs com massa molecular de 44. As condies

planejadas do processo exigem um fluxo nominal de 45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 110

psig e 100oF, respectivamente, e uma presso de sada de 11 psig.

a) Obtenha o coeficiente Cv para uma capacidade acima da requerida de 120%.

b) Obtenha o ganho da vlvula em scfh/(sinal de sada do controlador), considerando que o

controlador possui um range de sada de 3 a 15 psi e que a vlvula seja linear com queda de presso

constante.

Questo 5:

O fluxograma a seguir mostra um trecho de um processo de produo de etilbenzeno, que flui a 950 gpm

(nominal), no estado lquido e com densidade de 42,0 lb/ft3. A queda de presso de atrito entre os pontos 1

e 2 de 12,4 psi.

a) Recomende um local adequado para a vlvula de controle.

b) Dimensione a vlvula para uma capacidade acima da requerida de 100%.

Questo 6:

Um engenheiro pediu que seu estagirio propusesse tipos de vlvulas para determinados usos na indstria.

Indique se voc concorda com as proposies do estagirio e, caso contrrio, aponte o(s) tipo(s) de vlvula(s)

que voc julga adequado(s).

a) Uma linha de gua de incndio que mantida bloqueada em condies normais de operao, sendo

aberta somente em casos de emergncia. PROPOSTA DO ESTAGIRIO: Vlvula Borboleta.

b) Uma linha de sada de um vaso de cido sulfrico concentrado, a qual se junta posteriormente a

uma linha de gua. Como a presena de gua no tanque extremamente indesejada (reao

fortemente exotrmica), deseja-se assegurar que a gua no escoe no sentido do vaso. PROPOSTA

DO ESTAGIRIO: Vlvula Globo.

c) Linha de gua com ajuste manual da vazo dependendo da demanda do momento. PROPOSTA DO

ESTAGIRIO: Vlvula gaveta.

d) Uma linha de gs, no topo de um tanque de armazenamento de um lquido voltil, como proteo

para casos de sobrepresso no interior do tanque. PROPOSTA DO ESTAGIRIO: Vlvula Redutora de

Presso.

Sistemas de Instrumentao e Controle de Processo

Lista 4 - Gabarito

Questo 1

Ao projetar uma vlvula de controle com atuao pneumtica, o engenheirodeve atentar para a escolha do

tipo de ao, que, por sua vez, est relacionado com a posio de falha da vlvula, isto , quando no h

suprimento de alimentao pneumtica. Em relao ao tipo de ao de vlvulas, responda:

a) Qual o critrio bsico para escolha do tipo de ao de uma vlvula?

O critrio a segurana do processo, isto , a posio que a vlvula de controle deve assumir

mecanicamente em caso de falha (ausncia de suprimento de ar de instrumento) de forma a

manter o processo em questoo mais seguro.

b) Quais so os tipos de ao possveis?

1. Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA)

2. Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF)

3. Falha-indeterminada (FI failindetermined)

4. Falha-ltima-posio (FL - faillast position).

c) Para as malhas de controle a seguir, escolha o tipo de ao mais adequado paraa(s) vlvula(s) de

controle, justificando sua escolha. E ainda, para cada caso, determine o sinal do ganho da vlvula.

I. Controle de temperatura de uma reao exotrmica.

TIPO DE AO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF)

Como a reao exotrmica, em uma situao de falha, a vlvula de alimentao de gua de

resfriamento deve permanecer aberta para continuar removendo calor da reao e evitarque o calor seja

liberado em excesso gerando superaquecimento.

Como a vlvula falha-aberta ar para fechar, medida que aumenta a presso de ar, a vlvula vai

diminuindo sua abertura. Logo, incrementos na sada do controlador levam a vazes atravs da vlvula

cada vez menores. Por isso, a vlvula tem GANHO NEGATIVO.

II. Controle de temperatura em um trocador de calor de um fluido de processo inflamvel.

TIPO DE AO: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA)

Como o fluido inflamvel, em uma situao de falha, a vlvula de alimentao de vapor deve ser

mantida fechada, para que no se aquea descontroladamente o fluido de processo, impedindo que ele se

inflame, o que representaria um perigo.

Como a vlvula falha-fechada ar para abrir, medida que aumenta a presso de ar, a vlvula vai

aumentando sua abertura. Logo, incrementos na sada do controlador levam a vazes atravs da vlvula

cada vez maiores. Por isso, a vlvula tem GANHOPOSITIVO.

III. Controle de nvel com o fluxo de sada.

TIPO DE AO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF)

Como a trata-se de um tanque aberto e a vlvula atua na sada de fluxo, em uma situao de falha, a

vlvula deve permanecer aberta para que no haja possvel transbordamento.

Como a vlvula falha-aberta ar para fechar, medida que aumenta a presso de ar, a vlvula vai

diminuindo sua abertura. Logo, incrementos na sada do controlador levam a vazes atravs da vlvula

cada vez menores. Por isso, a vlvula tem GANHO NEGATIVO.

Controle de nvel com o fluxo de sada.

TIPO DE AO: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA)

Como a trata-se de um tanque aberto e a vlvula atua na entrada de fluxo, em uma situao de falha, a

vlvula deve permanecer fechada para que no haja possvel transbordamento.

Como a vlvula falha-fechada ar para abrir, medida que aumenta a presso de ar, a vlvula vai

aumentando sua abertura. Logo, incrementos na sada do controlador levam a vazes atravs da vlvula

cada vez maiores. Por isso, a vlvula tem GANHO POSITIVO.

IV. Uma vlvula manipula o fluxo de gs natural (combustvel) para um forno. Outra vlvula

manipula o fluxo de ar de combusto para o mesmo forno.

TIPO DE AO:

AR DE COMBUSTO: Falha-aberta (FO - fail open) ou Ar para Fechar (AF)

COMBUSTVEL: Falha-fechada (FC - fail close) ou Ar para Abrir (AA)

Em uma situao de falha, mais seguro interromper a queima e deixar que haja ar em excesso no

sistema para que no haja combusto incompleta ou combustvel sem queimar, evitando-se emisses

indesejadas para o meio ambiente e at mesmo evitando que se acumule combustvel sem queimar o que

em presena de uma fonte de ignio pode provocar at uma exploso.

Falha-fechadaou ar para abrir- GANHO POSITIVO.

Falha-abertaou ar para fechar- GANHO NEGATIVO.

Questo 2

O corpo de uma vlvula a parte que mecanicamente executa a ao de controle permitindo maior ou

menor passagem do fludo. Isso ocorre atravs do movimento de um obturador. Sendo o conjunto do corpo,

parte de vlvula que entra em contato direto com o fludo, ele deve satisfazer os requisitos de presso,

temperatura e corroso do fludo.

A figura a seguir apresenta dois tipos de corpo de vlvulas de controle.

Responda:

a) Quais so os tiposvlvulas representadas no desenho a cima? Como podemos classificar o

deslocamento da haste que movimenta o obturador de cada uma?

TIPO 1: Vlvula globo Deslocamento Linear

TIPO 2: Vlvula borboleta Deslocamento Rotativo

b) Como seria a simbologia de cada vlvula em um diagrama de processo?

GLOBO BORBOLETA

c) Quais as principais vantagens da vlvula Tipo 1 frente ao tipo 2? E as desvantagens?

Ambas podem ser usadas para controle parcial de fluxo e dependendo do material podem suportar

altas temperaturas. No entanto, a vlvula globo possui caractersticas construtivas da sede-

obturador que podem proporcionar estanqueidade total, enquanto a borboleta ainda que

proporcione boa vedao, usualmente, no estanque.Alm disso, para um mesmo material, a

vlvula globo resiste melhor a fluidos corrosivos. Porm, a vlvula globo mais cara, complexa e

provoca uma alta perda de carga.

d) Em uma determinada indstria petroqumica, vapor dgua para diferentes usos em seu processo

gerado em uma caldeira atravs da queima de gs natural. O controle da vazo do gs natural feito

com uma das vlvulas apresentadas a cima. Qual? Explique.

Essa resposta est a critrio do projetista e depende de sua anlise do processo. Considerando que

o gs natural no um fluido corrosivo e que a vlvula globo proporciona altas perdas de carga

enquanto a borboleta uma perda de carga pequena para fluxo de gases, a opo seria a

borboleta, uma vez que ela mais simples, barata e fcil de manusear.

Questo 3:

Seguindo uma conveno adotada por todos os fabricantes de vlvulas de controle, a capacidade de fluxo de

uma vlvula de controle determinada pelo seu fator de capacidade ou coeficiente de fluxo, Cv. Por

definio, Cv o fluxo (em gpm) de gua que flui atravs de uma vlvula a uma queda de presso de 1psi

atravs dela. Por exemplo, uma vlvula com um Cv de 25 pode liberar 25 gpm de gua quando ela tem uma

queda de presso de 1psi.

O Coeficiente Cv , portanto, uma funo de cada tipo e tamanho de vlvula e depende da posio do

obturador, variando de 0 (quando a vlvula est completamente fechada) e Cvmx, (quando ela est

totalmente aberta).

A funo que relaciona a posio do obturador na vlvula com a capacidade de fluxo, Cv, dada pela Curva

Caracterstica da Vlvula, que pode ser basicamente de trs tipos.

Com base no texto anterior, responda:

a) Quais so os trs tipos de curvas caractersticas mais comuns? Faa um grfico representando os

trs tipos.

Abertura rpida, Linear e Igual porcentagem, representadas conforme o grfico a seguir:

Qual(is) tipo(s) de curva caracterstica seria(m) mais adequado(s) para...:

Explique.

Vlvulas de alvio ou sistemas on-off?

Vlvulas de abertura rpida, para que se alcance com velocidade as posies aberta ou fechada,

pois trata-se de uma caracterstica que produz uma mxima variao da vazo atravs da vlvula

com o mnimo curso.Possibilita a passagem de quaseque a totalidade da vazo nominalcom

apenas uma abertura de 25%do curso total.

Regulagem de fluxo?

Vlvulas Lineares ou Igual porcentagem, pois pequenas aberturas no provocam grandes

aumento de vazo o que faz quese consiga maior sensibilidade de controle do fluxo.

b) ERRATA: Preencha a tabela a seguir considerando que para os trs tipos de curva caracterstica a

capacidade mxima da vlvula a mesma. Apresente os clculos, quando necessrio.DICA: Para a

vlvula igual de igual porcentagem, o Cv proporcional raiz quadrada da posio.

Q (gpm)

Posio da vlvula

(%) Linear

Abertura

Rpida

Igual

Porcentagem

0%

5

20% 50

10,9

176,8

80% 200 223,6 114,3

100%

250

Parmetros que no envolvem de clculo:

Para 0% na posio da vlvula, pelas equaes possvel saber que, Cv=0 gpm, para curva caracterstica

linear e abertura rpida.

Para 100% de abertura, uma vez que a capacidade mxima a mesma, Cv=250 gpm para os trs tipos.

Logo, Cvm = 250 gpm para os trs tipos.

Aplicando-se as equaes, obtem-se:

R=50

Q (gpm)

Posio da vlvula (%) Linear Abertura Rpida Igual Porcentagem

0% 0,00 0,00 5,00

20% 50,00 111,80 10,93

50% 125,00 176,78 35,36

80% 200,00 223,61 114,33

100% 250,00 250,00 250,00

Questo 4:

Uma vlvula de controle deve regular o fluxo de um gs com

planejadas do processo exigem um fluxo nominal de 45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 110

psig e 100oF, respectivamente, e uma presso de sada de 11 psig.

a) Obtenha o coeficiente Cv para uma capacidade ac

Para fluxo de gs, a Masoneilan

Considerando Cf = 0,8, temos:

, , , ,

b) Obtenha o ganho da vlvula em scfh/(sinal de sada do controlador), considerando que o

controlador possui um range de sada de 3 a 15 psi e que a vlvula seja linear com qu

constante.

egular o fluxo de um gs com massa molecular de 44. As condies

planejadas do processo exigem um fluxo nominal de 45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 110

F, respectivamente, e uma presso de sada de 11 psig.

coeficiente Cv para uma capacidade acima da requerida de 120%. , , , , fs,max = (1+1,2).45000 scfh = 99000 scfh

T = 460 +100 = 560 OR

G = 44/29 = 1,52

Para fluxo de gs, a Masoneilan prope a seguinte equao: , ) ,

Considerando Cf = 0,8, temos:

, , , !

. , ,#,. ,

, / Obtenha o ganho da vlvula em scfh/(sinal de sada do controlador), considerando que o

controlador possui um range de sada de 3 a 15 psi e que a vlvula seja linear com qu

massa molecular de 44. As condies

planejadas do processo exigem um fluxo nominal de 45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 110

0%.

, . , !

Obtenha o ganho da vlvula em scfh/(sinal de sada do controlador), considerando que o

controlador possui um range de sada de 3 a 15 psi e que a vlvula seja linear com queda de presso

% &'() + +( )(,-.(&+(.! = ! )/ ! = )/ Questo 5:

O fluxograma a seguir mostra um trecho de um processo de produo de etilbenzeno, que flui a 950 gpm

(nominal), no estado lquido e com densidade de 42,0 lb/ft3. A queda de presso de atrito entre os pontos1 e

2 de 12,4 psi.

a) Recomende um local adequado para a vlvula de controle.

A vlvula deve estar logo aps a sida da bomba, onde a presso mxima, evitando que a perda

de carga atravs da vlvula, provoque cavitao ou flashing.

b) Dimensione a vlvula para uma capacidade acima da requerida de 100%.

f,mx = (1+1) .950 = 1900 gpm

= , = +&'+( +01 =

, , = ,

Considerando que a entrada da vlvula est no ponto 1, a presso em sua sada, psv, ser:

= 2 + , + /+.(--) + - = 2 + , + +. . / + - = + , + &4- . -. 5 -

,6 + , = , a

Logo, a presso atravs da vlvulaser:

= = = , = ,

7=

7 ,= , /

Questo 6:

Um engenheiro pediu que seu estagirio propusesse tipos de vlvulas para determinados usos na indstria.

Indique se voc concorda com as proposies do estagirio e, caso contrrio, aponte o(s) tipo(s) de vlvula(s)

que voc julga adequado(s).

a) Uma linha de gua de incndio que mantida bloqueada em condies normais de operao, sendo

aberta somente em casos de emergncia.PROPOSTA DO ESTAGIRIO: Vlvula Borboleta.

INADEQUADO. Vlvula Gaveta, alm de ser tambm uma Vlvula de Reteno, garantindo a

presso na rede de sprinklers, comumente usados no combate ao foco de incndio, mesmo antes

do acionamento da bomba hidrulica, possui um fechamento metal com metal e por isso se

consideram adequadas para combate de incndio, desde que seja construide de metal com alto

ponto de fuso.

Importante: As vlvulas de gaveta s devem trabalhar completamente abertas ou completamente

fechadas, isto , so valvulas de bloqueio e no de regulagem. Quando parcialmente abertas, alm

de produzir uma grande perda de carga, provocam vibrao, corroso e eroso de particulas na

placa de fechamento.

Uma linha de sada de um vaso de cido sulfrico concentrado, a qual se junta posteriormente a

uma linha de gua. Como a presena de gua no tanque extremamente indesejada (reao

fortemente exotrmica), deseja-se assegurar que a gua no escoe no sentido do vaso.PROPOSTA

DO ESTAGIRIO: Vlvula Globo.

INADEQUADO. Ainda que permitam o fluxo em apenas um sentido, vlvulas globo so caras,

sendo usadas para controle de fluxo. Neste caso, deseja-se apenas que no haja fluxo no sentido

contrrio. Seriamais conveniente o uso de vlvulas de reteno, que permitem o fluxo em apenas

um sentido.

As vlvulas de reteno j sejam de portinholas ou de p ou de diafragma, so equipamentos de

proteo instalada visando proteger as instalaes hidrulicas do refluxo de fluido quando da

paralisao das bombas. Como funo secundria, so importantes para a manuteno da coluna da

gua durante a paralisao.

Vlvula borboleta pode ser usada como vlvula de regulagem e/ou vlvula de bloqueio. O

fechamento da vlvula se d pela rotao de um disco em torno de um eixo diametral, perpendicular

direo do escoamento do fluido. Possui uma vedao muito boa. Mas, tem um custo maior que as

vlvulas de reteno.

b) Linha de gua com ajuste manual da vazo dependendo da demanda do momento.

PROPOSTA DO ESTAGIRIO: Vlvula gaveta.

INADEQUADO. Vlvulas gavetaso vlvulas de bloqueio e no devem ser usadas para ajustes

parciais de vazo pois isso pode danificar sua sede.Seria mais conveniente o uso de vlvulas do

tipo borboleta.Vide item a)

c) Uma linha de gs, no topo de um tanque de armazenamento de um lquido voltil, como proteo

para casos de sobrepresso no interior do tanque. PROPOSTA DO ESTAGIRIO: Vlvula Redutora de

Presso.

INADEQUADO. Vlvulas redutoras de presso ajustam a presso aps a vlvula e neste caso o

controle de presso o tanque localizado antes da vlvula. O correto o uso de vlvulas de alvio.

Vlvulas de alivio controlam a presso a montante abrindo-se automaticamente, quando essa

presso ultrapassar um determinado valor para o qual a vlvula foi calibrada.

Vlvulas redutoras de presso regulam, sem interveno de qualquer ao externa, a presso de

jusante da vlvula, tambm so automticas.

Importante lembrar que opara selecionar uma vlvula precisam especificar diversas caractersticas e

detalhes da vlvula selecionada. Algum fatores a considerar:

MAIS IMPORTANTE EXPERINCIA PRVIA

(Existe utilizao de vlvulas em servios similares)

TEQ141 Profa. Ninoska Bojorge/ Monitora Julia Pinto p.1

TEQ00141- Sistemas de Instrumentao e Controle de Processos Lista de Exerccios n 3

(Data de Entrega: 31/10/2014) Turma: ___ Integrantes do Grupo:

Questes

1- Especifique a ao segura de falha (se falha-abre ou falha-fecha) apropriada para as vlvulas nos seguintes servios, justificando sua escolha. Para cada caso, faa um esquema da malha de controle que o representa.

(a) Um solvente inflamvel aquecido atravs do vapor em um trocador de calor de casco e tubo. A vlvula manipula o fluxo de vapor para o trocador, de modo a manter a temperatura do solvente constante.

(b) Uma vlvula manipula o fluxo de reagente para um recipiente do reator. A reao exotrmica.

(c) Uma vlvula manipula o fluxo de uma substncia para um tanque de armazenamento, de modo a manter o nvel constante.

(d) Uma vlvula manipula o fluxo de gs natural (combustvel) para um forno. Outra vlvula manipula o fluxo de ar de combusto para o mesmo forno.

2- Em um sistema de controle de temperatura em um reator, o controlador fornece um sinal que aciona uma vlvula de controle, atuando sobre a vazo de vapor que aquece a reao. As figuras abaixo apresentam a relao entre os sinais de entrada (eixo das abscissas) e sada (eixo das ordenadas) de 3 componentes deste sistema de controle.

(a) Considerando os tipos de sinais mais comumente empregados nos sistemas de controle, aponte especificamente em que componente desse sistema ocorre a transformao de sinais, verificada em cada figura.

(b) Qual a posio de falha da vlvula de controle empregada. Justifique. (c) Identifique a curva caracterstica da vlvula empregada e justifique se seu

emprego neste caso adequado.

TEQ141 Profa. Ninoska Bojorge/ Monitora Julia Pinto p.2

3- Uma bancada de instrumentao dispe das seguintes vlvulas, conforme indicado na coluna da esquerda (i a vi). Proponha a melhor distribuio dessas vlvulas, aplicando-as para os servios descritos na coluna da direita (a a f):

i. Globo

ii. Gaveta

iii. Borboleta

iv. Esfera

v. Reteno

vi. PSV

a) Controle de vazo de um fluido petroqumico limpo. b) Instalao na descarga de uma bomba de processo

para impedir o fluxo reverso. c) Controle de vazo de um fluido sujo da indstria de

celulose. d) Alvio de sobrepresso em um vaso de gs. e) Controle da vazo de gua gelada que alimenta um

resfriador. f) Bloqueio ou alinhamento da vazo de gua em uma

linha de combate a incndio.

4- Uma vlvula de controle para um processo cujo fluxo nominal requerido de 36191,57gal/h a uma temperatura de 428K, ser projetada ao longo de um percurso cuja perda de carga total na linha de aproximadamente 14,5 psi. Considere o deslocamento do fluido desde uma bomba, com presso de descarga de 140,7 PSI, percorrendo um trecho de linha o qual sofre uma elevao 25m at chegar a um tanque, o qual mantido a presso constante de 630kPa:

(a) Considerando a presso de vapor do fluido igual a 642,5kPa, faa um desenho representando o sistema descrito anteriormente e proponha um local adequado

0

5

10

15

20

0 10 20 30

(PS

I)

(mA)

Figura I

0

50

100

150

0 5 10 15 20

Ab

ert

ura

da

v

lvu

la (

%)

(PSI)

Figura II

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150

Va

zo

(g

pm

)

Abertura da Vlvula (%)

Figura III

TEQ141 Profa. Ninoska Bojorge/ Monitora Julia Pinto p.3

para a vlvula, justificando sua escolha com clculos baseados na comparao com a presso de vapor do fluido.

DADO: Considere a densidade do fluido igual a 730 kg/m.

(b) Dimensione uma vlvula para uma capacidade acima da requerida de 80%. (c) Determine, com a figura 5-4, o tamanho de vlvula que atende a esse processo.

5- Dimensione o Cv de uma vlvula para uma capacidade acima da requerida de 100%, em um servio de gs com massa molecular de 44. As condies planejadas do processo exigem m fluxo nominal de 45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 100psig e 100F, respectivamente, e uma presso de sada de 11 psig. A expresso recomendada para o clculo :

= 836 0,148 = 1,63 1

G a densidade relativa em relao ao ar T dado em R Cf pode ser considerado 0,8. Determine, com a figura 5-4, o tamanho de vlvula que atende a esse processo.

FIGURA 5-4

1

TEQ00141- Sistemas de Instrumentao e Controle de Processos Lista de Exerccios n 3

RESPOSTAS

Questes

1- Especifique a ao segura de falha (se falha-abre ou falha-fecha) apropriada para as

vlvulas nos seguintes servios, justificando sua escolha. Para cada caso, faa um

esquema da malha de controle que o representa.

(a) Um solvente inflamvel aquecido atravs do vapor em um trocador de calor. A

vlvula manipula o fluxo de vapor para o trocador, de modo a manter a temperatura

do solvente constante.

Em caso de falha mais seguro interromper o aquecimento para que o solvente no

pegue fogo.

(b) Uma vlvula manipula o fluxo de reagente para um recipiente do reator. A reao

exotrmica.

Falha-fecha ou Ar para Abrir.

Em caso de falha mais seguro interromper a alimentao de reagente para no

descontrole com grande liberao de energia no reator, podendo provocar

superaquecimento, sobrepresso e at um acidente.

(c) Uma vlvula manipula o fluxo de uma substncia para um tanque de armazenamento,

de modo a manter o nvel deste constante.

Falha-fecha ou Ar para Abrir.

Em caso de falha mais seguro interromper a alimentao para que no haja

transbordos.

2

(d) Uma vlvula manipula o fluxo de gs natural (combustvel) para um forno. Outra

vlvula manipula o fluxo de ar de combusto para o mesmo forno.

AR: Falha-Abre -> Em caso de falha mais seguro arejar a cmara de combusto.

COMBUSTVEL -> Em caso de falha mais seguro interromper a queima para evitar

descontroles.

2- Em um sistema de controle de temperatura em um reator, o controlador fornece um

sinal que aciona uma vlvula de controle, atuando sobre a vazo de vapor que aquece

a reao. As figuras abaixo apresentam a relao entre os sinais de entrada (eixo das

abscissas) e sada (eixo das ordenadas) de 3 componentes deste sistema de controle.

(a) Considerando os tipos de sinais mais comumente empregados nos sistemas de

controle, aponte especificamente em que componente desse sistema ocorre a

transformao de sinais, verificada em cada figura.

Figura I: Ocorre em um conversor de sinal eltrico para pneumtico, tipicamente

empregado no acionamento de vlvulas.

Figura II: Ocorre no atuador da vlvula, onde a presso do ar de acionamento

convertida em movimentao da haste de comando.

Figura III: Ocorre no obturador da vlvula onde sua posio determina a vazo que

capaz de passar atravs da abertura de vlvula.

(b) Qual a posio de falha da vlvula de controle empregada. Justifique.

Da figura II, podemos ver que quanto maior a presso de ar de acionamento, menor

a abertura de vlvula e, consequentemente, menor a vazo. Logo, a vlvula ar para

fechar ou falha abre.

(c) Identifique a curva caracterstica da vlvula empregada e justifique se seu emprego

neste caso adequado.

Da Figura III, vemos que se trata de uma vlvula de curva caracterstica do tipo de

igual porcentagem. Como se trata de uma funo de controle, seu uso est

adequado. Caso fosse uma vlvula on-off ou de alvio, o mais adequado seria uma

vlvula de abertura rpida.

3

3- Uma bancada de instrumentao dispe das seguintes vlvulas, conforme indicado na

coluna da esquerda (i a vi). Proponha a melhor distribuio dessas vlvulas, aplicando-

as para os servios descritos na coluna da direita (a a f):

i. Globo

ii. Gaveta

iii. Borboleta

iv. Esfera

v. Reteno

vi. PSV

a) Controle de vazo de um fluido petroqumico limpo.

b) Instalao na descarga de uma bomba de processo para

impedir o fluxo reverso.

c) Controle de vazo de um fluido sujo da indstria de

celulose.

d) Alvio de sobrepresso em um vaso de gs.

e) Controle da vazo de gua gelada que alimenta um

resfriador.

f) Bloqueio ou alinhamento da vazo de gua em uma

linha de combate a incndio.

4- Uma vlvula de controle para um processo cujo fluxo nominal requerido de 36191,57gal/h a uma

temperatura de 428K, ser projetada ao longo de um percurso cuja perda de carga total na linha

de aproximadamente 14,5 psi. Considere o deslocamento do fluido desde uma bomba, com presso

de descarga de 140,7 psi, percorredo um trecho de linha o qual sofre uma elevao 25m at chegar

a um tanque, o qual mantido a presso constante de 630kPa.

(a) Considerando a presso de vapor do fluido igual a 642,5kPa, faa um desenho representando o

sistema descrito anteriormente e proponha um local adequado para a vlvula, justificando sua

escolha com clculos baseados na comparao com a presso de vapor do fluido.

DADO: Considere a densidade do fluido igual a 730 kg/m.

A vlvula deve ser instalada na descarga da bomba, para que a presso seja a mais alta possvel,

evitando os fenmenos de flashing ou cavitao.

Seja a presso a jusante da vlvula. Calculando-a do tanque at a vlvula, tem-se que:

4

Como a presso de descarga consideravelmente maior que a presso de vapor,

, ento, pode-se considerar que no haver os fenmenos de flashing ou cavitao.

(b) Dimensione uma vlvula para uma capacidade acima da requerida de 80%.

(c) Determine, com a figura 5-4, o tamanho de vlvula (dimetro da vlvula, plg) que atende a esse

processo.

5- Dimensione o Cv de uma vlvula para uma capacidade acima da requerida de 100%, em um servio

de gs com massa molecular de 44. As condies planejadas do processo exigem m fluxo nominal de

45000 scfh, presso e temperatura de entrada de 100psig e 100F, respectivamente, e uma presso

de sada de 11 psig.

A expresso recomendada para o clculo :

G a densidade relativa em relao ao ar

T dado em R

Cf pode ser considerado 0,8.

Determine, com a figura 5-4, o tamanho de vlvula que atende a esse processo.

5

FIGURA 5-4

Profa Ninoska Bojorge TEQ0103 Monitor Pedro Jordo

SISTEMAS DE INSTRUMENTAO E CONTROLE DE PROCESSOS

LISTA 3

Control Valves and Flow Equations for Sizing Control Valves ISA 75.01.01 - 2007

Questo 1: De acordo com a definio do Coeficiente de Vazo, a vazo de gua em

GPM a 60F a um diferencial de presso de 1 psig, uma funo de fluxo permitido e

posio do obturador para cada vlvula estabelecida. Diante disso, conforme a Norma

ANSI/ISA, qual o tipo de curva caracterstica para uma vlvula on/off, bem como a curva

caracterstica para uma vlvula de controle com diferencial de presso constante.

Questo 2: Dimensione o dimetro nominal de uma vlvula de controle, cuja vazo de

etano 850GPM no estado lquido, com massa molecular 30.07g/mol, densidade

546.49kg/m3 e ponto de ebulio 384K. Este ser deslocado do cho, ao nvel do mar,

at uma esfera de estocagem de etano localizada a 150m da bomba, sendo que a linha

tem 50m de elevao at a entrada da esfera de presso constante 3745kPa. A presso

de vapor do etano 38.45bar e a presso de descarga da bomba de 99 psig. Dica:

extrair valor da tabela do Cv; vide catlogo apresentado na aula de Dimensionamento

de vlvulas Livro de Smtih e Corripio

Questo 3: Explique a ao segura de falha (fail close/fail open) apropriada para as

vlvulas nos seguintes servios e desenhe o diagrama correspondente.

a) Uma vlvula manipula o fluxo entrada para um tanque de armazenamento

b) Uma vlvula manipula o fluxo de catalisador para um reator, aumentando

significativamente a energia interna da reao.

c) Uma vlvula manipula o fluxo de vapor para um trocador de calor. Outra vlvula

manipula o fluxo de ar de admisso para o motor

Questo 4: Dimensione uma vlvula de controle para um sistema de carregar hidrxido

de sdio com uma vazo de 200GPM. A presso a montante de 10 kgf/cm2 e a presso

a jusante de 20 lbf/ft2, a gravidade especfica do fluido de 1.52 e com 100% de

excesso da sua capacidade.

Questo 5: Determine: i) o CV adequado para uma vlvula que deve permitir 150 gal.

de lcool etlico por minuto com uma gravidade especfica de 0,8 a uma presso mxima

de 50 psi e ii) o tamanho da vlvula requerida. Use os seguintes dados

Cv 0,3 3 14 35 55 108 174 400 725

Tamanho da vlvula (plg) 1/4 1/2 1 11/2 2 3 4 6 8

Questo 6: Suponha que um controlador, proporcional de ao reversa ajustado seu

ganho, Kc = 2 e o bias em 40%. Qual ser sua sada do controlador, CO, para as

seguintes condies de entrada

PV = 37%; SP = 50%; CO = PV = 81%; SP = 75%; CO = PV = 33%; SP = 42%; CO = PV = 0%; SP = 0%; CO =

Questo 7: Gs natural mido constitudo de metano (CH4), misturado com

quantidades significativas de espcies de hidrocarbonetos mais pesados tais como

etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10), e pentano (C5H12) que se condensam

no lquido a temperaturas mais baixas do que o metano. Um processo para separar

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esses hidrocarbonetos mais pesados do componente leve (metano) utilizando

compresso e sistema de resfriamento mostrado a seguir:

Gases refrigerados entrar no recipiente de ao instantnea, onde aumentos de metano

e escapa sob a forma gasosa, enquanto as outras molculas (mais pesadas) de

hidrocarbonetos condensam-se em lquido pelo fundo. Suponha-PIC 115 um

controlador proporcional empregado para controlar a presso do vaso num setpoint de

107 psi, com uma vlvula na posio 41%. Como esse controlador de responder a uma

mudana brusca na composio do gs natural, muito mais seco do que o normal,

assumindo a mesma vazo total (como indicado por FT-110) anterior? Seja especfico

em sua resposta!

Questo 8: Depois de analisar este diagrama, responda as seguintes pergunta

FO

FO

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a) As medies de vazo realizadas por FT101, FT102, FT105 e. Que tipo de

tcnica de medio seria mais conveniente utilizar para esses dispositivos de

campo?

b) Que tipo de vlvula so utilizadas para controlar os fluxos? Seus modos de ao

esto corretos? Porque?

c) Qual o propsito da funo mostrada por AT103 e AC103, i e., AY103?

d) H alguma vlvula bloqueio (on-off) utilizada neste processo?

e) Qual funo fornecida pelo AC103, AC104 e FC105? Represente a estratgia

de controle em diagramas de blocos.

Questo 9: Seja o tanque com agitador representado na figura abaixo. O objetivo

controlar a temperatura do fluido manipulando a vazo de vapor serpentina. A presso

de subministro do vapor pode variar devido a mudanas na demanda de outros

consumidores de vapor. Se dispe de um sensor para medir a presso de vapor

entrada da serpentina, assim como os sensores de vazo de entrada do fluido frio e de

sua temperatura. O nvel de lquido no tanque est regulado por um controlador de nvel,

tipo PI de ganho Kc=1,2 e tempo integral, Ti=15s. Mediante uma srie de experincias

realizadas nas condiciones nominais de operao, obterem-se as seguintes funes de

transferncia (constantes de tempo e tempos mortos em segundos):

Temperatura do tanque (C) / Presso de vapor (atm):

Temperatura do tanque (C) / Vazo do fluido frio (l/s):

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Temperatura do tanque (C) /Temperatura fluido frio (C):

Dados relativos instrumentao:

-Vlvula igual percentual fechada a falha (FC) de funo de transferncia:

- Faixa do transmissor de temperatura: 60-100 C. Pede-se: A). Desenhe o diagrama de blocos completo do processo identificando todas as variveis significativas e suas unidades (manipuladas, controladas e perturbaes entrada e sada. B) como afeta a malha de controle do nvel do tanque temperatura do produto de sada? C) Desenhe o diagrama de blocos do sistema de controle Feedback da temperatura, D) Desenhe uma estratgia, utilizando ou combinando tcnicas de controle avanadas, que tenha em conta todas as caractersticas do processo. Justificar a eleio de dita (s) estrutura (s). Qual diferena na resposta podem esperar-se frente a malha de realimentao simples? Questo 10: A figura mostra como se controla a converso num reator atuando sobre a vazo de fluido pr-aquecido na alimentao:

A temperatura com a que entra a alimentao no reator tem em efeito considervel sobre a converso. Se deseja melhorar a resposta da malha simples a perturbaes tanto na linha de subministro de fluido quente, como na temperatura e na vazo de alimentao. Proponha uma estratgia avanada mais conveniente e desenhe o diagrama de blocos. Justifique.