Introdução ao Controle de Nível

Sistemas de nível têm destaque em diversos ramos da atividade industrial, dentre eles o da petroquímica, nuclear e de celulose. Nesse contexto, um dos controles com maior importância nas unidades industriais é o dos níveis. Esses controles são responsáveis pelos “balanços de massa” das plantas e para manter um nível de um tanque ou vaso constante é necessário que a vazão mássica de entrada (Me) seja igual à de saída (Ms), conforme a Figura 1.

Usualmente, o controle de nível em tanques industriais é implementado através do ajuste da sua vazão de saída.

De forma bem simples, quando ocorre um aumento de y unidades na vazão de entrada, o controle de nível (LIC) deve aumentar a vazão de saída também em y unidades para manter a estabilidade do sistema (esse aumento não precisa ser no mesmo instante).

Usualmente, a sintonia desse tipo de malha prioriza variações suaves na vazão de saída. Essa priorização é desejada, pois uma variação brusca na saída do tanque pode ser transmitida para outras seções subsequentes da planta e produzir perturbações em outras malhas de controle. Esse tipo de tanque é chamado tanque pulmão (ou capacitância). Campos e Teixeira (2010) afirmam que muitos problemas de controle e operação de unidades industriais decorrem de variações ou falhas na estratégia de ajuste das malhas de nível.

Muitas vezes é dito que o sistema mostrado na Figura 1 é integrador, ou seja, quando se coloca o controlador (LIC) em manual e se diminui a saída em 10% (a vazão de saída está sendo diminuída e a de entrada mantida constante), o nível irá subir sem limite (ou até que um sistema de proteção de sobrevalor seja ativado e impeça a vazão de entrada). Isto é evidente, já que a vazão de entrada é maior do que a vazão de saída.

As unidades industriais que utilizam tanques muitas vezes, por questões de inventário (massa de produto armazenada) patrimonial ou até mesmo questões fiscais, precisam registrar a quantidade de massa armazenada nesses tanques.

No jargão técnico do meio industrial (controle de processos) alguns termos são utilizados para caracterização de sistemas de nível, como capacidade, capacitância e tempo de residência em vasos ou tanques de processos.

A capacidade é a máxima quantidade de material ou energia que pode ser armazenada em um equipamento ou sistema. A capacidade é uma grandeza estática relacionada apenas com o tamanho de armazenagem de fluido ou de energia.

A capacitância é uma grandeza dinâmica que relaciona a capacidade com outra variável de processo. É definida como a variação da quantidade de material ou energia necessária para fazer uma variação unitária na variável do processo. Por exemplo, capacitância é o número de litros de água necessários para variar um nível do tanque por um metro. Em outras palavras, para fazer uma variação na variável controlada, alguma quantidade de variável manipulada deve ser fornecida ou removida; essa quantidade dividida pela variação é a capacitância (RIBEIRO, 2005).

O tempo de residência é definido como a razão entre o volume disponível ou capacidade do tanque pela vazão volumétrica que escoa pelo mesmo. Assim, se o tanque tem a capacidade de 1000 $m^3$ para a fase líquida e a vazão é de 100 $m^3/min$, então o tempo de residência será:

$$ \text{Tempo de residência} = \frac{1000}{100} \frac{m^3}{m^3/min} = 10 \frac{m^3 * min}{m^3} = 10 minutos $$

Uma capacidade age como um filtro ou amortecedor, entre um fluido de entrada e um fluido de saída (um vaso tem a propriedade de armazenar fluidos), e de acordo com Campos e Teixeira (2010), quanto maior for o tempo de residência, melhor para o controle, pois pode-se amortecer as perturbações mais facilmente e trabalhar isoladamente as diversas áreas da unidade.

Vamos agora clicar e assistir a uma apresentação do controle de nível e as suas principais características.