Controllo e regolazione negli impianti chimici Istituto Tecnico Industriale Stanislao Cannizzaro C a t a n i a CONTROLLO E REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI CHIMICI Prof. Ernesto Trinaistich

Nei processi industriali è importante la conoscenza dei parametri (variabili di processo) che regolano il processo stesso, per potere intervenire, in caso di variazione delle grandezze dai valori di “set point” (valore ottimale della grandezza). Si utilizza alla scopo un sistema di controllo di processo capace di regolare una variabile in modo da mantenere entro i limiti il valore della grandezza monitorata. A volte dopo la correzione resta un piccolo errore, “offset” (cioè non si ritorna esattamente al set point).

a) la prima lettera indica la grandezza monitorata: La simbologia degli strumenti di controllo è formata da più lettere e da un numero all’interno di un cerchio, generalmente di 11 mm di diametro (la prima lettera e il numero rappresentano il “loop” dello strumento). a) la prima lettera indica la grandezza monitorata: T temperatura, P pressione, F portata, L livello, D densità. b) la seconda indica la funzione svolta dallo strumento: I indicatore , R registratore, C controllore. Il collegamento sul fluido di processo (tratto più marcato) si rappresenta con un tratto più leggero tagliato da due trattini (è solo un collegamento). Valvola servo-comandata In questo caso agisce autoregolando la portata del flusso. Controller FC Monitorizza

Seguono alcuni esempi di strumenti di monitoraggio e regolazione: Monitorizza la grandezza: temperatura (termometro), ne indica il valore I e ne svolge il controllo C. Invia il valore della misura al computer che lo paragona al valore di set-point ed eventualmente invia un impulso alla valvola servocomandata per effettuarne la correzione (ad esempio tramite la portata di vapore o di fluido raffreddante). Il 4 rappresenta il numero del loop. Questo è il 4° strumento. TIC 4 In questo caso la grandezza monitorata è la pressione e ne viene effettuata la registrazione e il controllo come la precedente. E’ il 12° strumento. PRC 12

Controllo e regolazione negli impianti chimici La regolazione può avvenire con metodo pneumatico o elettrico. Valvole comandate da un computer ( modulo di controllo automatico che regola in modo continuo). La regolazione elettrica è utilizzata quando non si è in presenza di liquidi infiammabili. L’ organo “attuatore” pneumatico è costituito da un corpo valvola (es: una valvola a diaframma azionata da aria compressa) dove passa il fluido, in cui è presente un “otturatore” (come nella valvola a spillo) il quale scendendo o salendo chiude o apre il foro di passaggio modificando il flusso.

Per misurare la temperatura si usano: termometri a: dilatazione dei fluidi ( aria,N, H, alcol, Hg) (da -100 a +500°C) termoelettrici, cioè termocoppie (due metalli) (da -200 a +1200°C) a resistenza elettrica (da -100 a +600°C) Per misurare la pressione si usano i manometri ad aria compressa a soffietto. Misuratori di portata: si usano i contatori a mulinello con una girante (fino a 300 m3 /h). Misuratori di livello: in genere sono a galleggiante. Manometro a soffietto

Sistema a by-pass ( permette la manutenzione della valvola servocomandata) E’ utile riportare, nella legenda o nella relazione di uno schema, che: “tutte le valvole di regolazione servocomandate sono inserite in un sistema a by-pass con valvole a regolazione manuale e fanno parte di un circuito di regolazione automatica”. Per sostituire o effettuare la manuntenzione della valvola V , si apre la V3 e si chiudono le V1 e V2 .

Vediamo alcuni esempi di anelli di regolazione: Il sistema di controllo automatico può essere del tipo ON-OFF, caso dello scaldabagno. Se l’indicatore di temperatura scende al di sotto del valore prestabilito automaticamente dà l’input affinché si accenda la resistenza riscaldante e viceversa. La regolazione feedback a risposta automatica è il più usato sistema di controllo e regolazione automatica. La causa che perturba la grandezza monitorata è detto “disturbo”.

Schema a blocchi del processo di “autoregolazione in retroazione feedback (anello a circuito chiuso)”. (SET-POINT) Strumento di Misura Controllore Valvola Attuatore Sensore DISTURBO Lettura grandezza Linea di processo Processo Il “SENSORE” effettua la misura della grandezza monitorata e tramite un “TRASDUTTORE” che trasforma la lettura in un impulso, la invia al “CONTROLLORE”. Questi la confronta con il valore di SET-POINT e se a seguito di un “disturbo” essa risulta variata, il CONTROLLORE invia il comando all’ATTUATORE che, agendo su una valvola servocomandata, effettua la correzione della grandezza.

l’ATTUATORE è un servomotore pneumatico o elettrico, che agisce con una valvola. Il SENSORE è uno strumento che effettua la lettura della grandezza. Il CONTROLLER è un computer capace di confrontare il valore della grandezza letta con il valore di SET-POINT dato e trasforma la grandezza misurata in un impulso. Esso è interfacciato con il trasduttore e con l’ATTUATORE. Si definisce Resistenza l’ostacolo che si presenta per riportare la variabile al valore di set-point. Tempo morto è il tempo necessario per l’operazione.

I parametri più comunemente controllati negli impianti chimici sono: La temperatura La pressione La portata Il livello Il pH La densità

IL REGOLATORE I regolatori ON-OFF non sono in grado di mantenere il SET POINT ma inducono oscillazioni al sistema, pertanto sono poco usati. I regolatori continui sono computer e svolgono azione di INDICATORI e REGOLATORI e si distinguono in: 1) Regolatore ad azione proporzionale P: Il regolatore reagisce agli spostamenti dal SET POINT della grandezza in modo proporzionale. Cioè quanto maggiore è lo spostamento tanto maggiore è la risposta dell’organo regolante. Risulta efficace per spostamenti piccoli e di breve durata. Nel caso di spostamenti permanenti necessita di un intervento manuale.

2) Regolatore ad azione integrale I: Serve a ripristinare esattamente il valore di SET POINT . Il ritorno è graduale in maniera oscillante. Non si presta per grandi spostamenti. 3) Regolatore ad azione derivativa D: La regolazione è più veloce quanto più veloce è lo spostamento, ma non è in grado di avvertire gli scostamenti permanenti.

Le azioni dei tre meccanismi si possono combinare in un unico regolatore sommando la bontà di uno con l’altro. Regolatori ad azione PI : in questo modo si ha un regolatore in grado di reagire in modo adeguato allo scostamento e ripristinare esattamente il SET POINT. Regolatori PD: migliorano il proporzionale in termini di prontezza della risposta conservandone i limiti (si possono verificare scostamenti permanenti). Regolatori PID: risultano i più efficaci perché al PD aggiungono la risposta veloce (rientro al set-point).

La regolazione può essere effettuata singolarmente per ciascuna grandezza o in modo multiplo, ad esempio: Regolazione in cascata: il segnale in uscita dal primo va in ingresso al secondo e così via. Un esempio è la misura della t° del fluido in uscita da uno scambiatore che viene inviata ad un regolatore di t° che lo confronta col SET POINT e invia il segnale ad un FC del vapore (controllore di portata del vapore). Il vantaggio consiste nella regolazione rapida. Regolazione di rapporto: si usa quando vi è una doppia alimentazione ( ad esempio in un reattore ) e il rapporto tra le due alimentazioni deve restare costante. Regolazione selettiva: quando più variabili sono controllate da una sola variabile controllante.

Ingresso - cerchio con il triangolo annerito. SCHEMA DI PROCESSO Nello schema di processo le apparecchiature vanno disegnate rigorosamente con i loro simboli UNICHIM e le rispettive sigle eventualmente numerate ( si avrà così un D1, D2, D3 ecc.). Per disegnare lo schema si fa sempre riferimento ad una linea di base su cui vanno disegnati i serbatoi, le pompe ecc. Per i fluidi di processo si usa un tratto più marcato, per i fluidi ausiliari o di servizio (vapore, acqua) un tratto più leggero. Il fluido di processo o ha origine da un serbatoio oppure si utilizza il simbolo: Ingresso - cerchio con il triangolo annerito. b) Uscita - cerchio col triangolo vuoto b a

Valvola servo-comandata Sistema a by-pass LCI D Indicatore di livello e controller in un serbatoio D. L’indicatore di livello è anche controllore della valvola servocomandata che regola il deflusso del fluido.

F F E TCI V S Controllo e regolazione della temperatura del fluido in uno scambiatore di calore E agendo sul vapore in ingresso.

TIC V E S Nello schema di processo il sistema by-pass non viene disegnato, si disegna solo la valvola servocomandata.

Valvole servocomandate

Valvola servocomandata Valvola servocomandata inserita in un by-pass

DIAGRAMMI A BLOCCHI Si hanno vari tipi di rappresentazioni di uno schema di impianto : - diagrammi a blocchi; - schema semplificato o schema di principio; - schema di processo; II diagramma a blocchi presenta solo la successione delle fasi del ciclo operativo. Non ricorre a simboli unificati, ma ogni fase viene rappresentata da un rettangolo nel quale viene scritto il nome dell'operazione. I rettangoli sono collegati fra loro con linee e con frecce che indicano la sequenza delle operazioni

N2 + 3H2 Schema a blocchi relativo all’impianto della produzione dell’ammoniaca Compressione Depurazione Sintesi acqua acqua Refrigerazione Separazione NH3 liq. Separazione NH3 liq. Scambiatore Evaporatore Ammoniaca liquida Ammoniaca gassosa

Principali sigle di identificazione dei fluidi di servizio (vanno inserite all’interno del rombo). Sigla Fluido A Acqua di servizio AB “ potabile AC “ alimentazione caldaie AI “ antincendio (tubi in rosso) AM “ di mare AG “ grezza AD “ demineralizzata AR “ di raffreddamento B aria CB condensa vapore OC olio combustibile S scarico Q fognatura VA vapore alta pressione ( 25-90 bar) VB vapore bassa pressione ( fino a 5 bar)

Nello schema dell’impianto i simboli delle apparecchiature vanno riportati rispettando le norme UNICHIM, contrassegnate da una lettera ed eventualmente anche da un numero progressivo se presenti più volte. Serbatoi D Forno elettrico B Colonne C a riempimento a piatti

Scambiatori di calore E Ciclone D Eiettore J E E Kettle

Rotativo A pressa Filtri F Concentratore evaporatore E Pompe G Ad anello liquido per gli aeriformi Centrifuga Alternativa A capsulismi, a lobi, a ingranaggi

Fine