Il controllo di processo. Introduzione al controllo di processo Un impianto chimico è costituito da un insieme ordinato e strutturato di singole apparecchiature.

Il controllo di processo

Introduzione al controllo di processo

Un impianto chimico è costituito da un insieme ordinato e strutturato di singole apparecchiature ove avvengono reazioni ed operazioni unitarie.

All’interno di tali apparecchiature (reattori, scambiatori di calore, colonne di distillazione, assorbitori, evaporatori, flash, stripper, compressori, turbine, soffianti, pompe, miscelatori, …) la materia prima viene trasformata in prodotto finale passando in genere attraverso una serie di prodotti intermedi.

Flussi di materia e di energia caratterizzano il funzionamento delle apparecchiature di impianto.

Davide Manca – Strumentazione e Controllo di Impianti Chimici – Politecnico di Milano

Introduzione al controllo di processo

Il funzionamento dell’impianto è condizionato da una serie di fenomeni, grandezze, parametri e variabili (sia esterne che interne al processo) che cambiano nel tempo.

Per un’adeguata conduzione dell’impianto occorre controllare il suo funzionamento ed esercirlo secondo le condizioni operative di progetto (condizioni nominali) o viceversa condurlo ad operare secondo regimi alternativi dettati da opportune e specifiche esigenze processistiche.

La conduzione del processo è dettata in genere da linee guida basate su specifiche ed aspetti tecnici, economici, sociali e di legge.


Esigenze di controllo

Sicurezza: la sicurezza degli operatori di campo e di sala controllo nonché di tutti gli addetti (dipendenti e non) e della popolazione limitrofa all’impianto sono l’obiettivo primario del controllo di processo.

• Sicurezza nell’esercizio abituale dell’impianto (controllo e riduzione delle emissioni, e.g., liquide, solide, gassose, odori, rumore)• Sicurezza per prevenire malfunzionamenti, anomalie, incidenti• Sicurezza nella gestione dell’evento incidentale (e.g.,emissione, dispersione, incendio, esplosione)

Specifiche di produzione: in termine di quantità e qualità del prodotto finale (ma anche, ove possibile, dei sottoprodotti e degli intermedi di processamento)


Obiettivi del sistema di controllo

Il sistema di controllo deve soddisfare le seguenti tre specifiche/necessità:• Soppressione dei disturbi esterni sul processo• Assicurazione della stabilità operativa del processo• Ottimizzazione delle prestazioni del processo

Nell’ultimo punto ricade anche il conseguimento dei set-point di processo che guidano la conduzione e l’ottenimento del prodotto finale secondo la quantità e qualità dettate dalle esigenze di mercato


Classificazione delle variabili di processo

Variabile controllata Grandezza che si vuole tenere sotto controllo

Variabile misurata Valore restituito dall'elemento di misura

Disturbo Causa che genera l'alterazione della variabile controllata

Elemento di misura Apparecchiatura che esegue la misura

Set point Valore di riferimento

Errore Differenza tra variabile misurata e set point

Controllore Componente che esegue il confronto e che determina il tipo di azione

Elemento finale di controllo Elemento su cui agisce l’azione inviata dal controllore

Variabile manipolata Grandezza controllante, ovvero che tiene sotto controllo la variabile controllata


Cenni alla struttura hardware

• Ogni struttura di controllo è caratterizzata dai seguenti elementi hardware:

• Il processo chimico/industriale• Singola apparecchiatura• Sottosezione di impianto• Impianto completo

• Strumenti di misura per quantificare il valore delle variabili controllate,delle variabili misurate e dei disturbi. Rappresentano il collegamento delsistema di controllo con la realtà • termocoppie, misuratori di livello, flussimetri, gascromatografi, …

• Trasduttori per trasformare la misura fisica in segnale elettrico adatto altrasferimento verso la sala controllo

• Linee di trasmissione per portare il segnale dallo strumento di misura alsistema di controllo. Possono comprendere la presenza di amplificatori disegnale intermedi.


Cenni alla struttura hardware

• Controllore: contiene la logica di controllo ed opera calcoli volti a determinare il valore delle variabili manipolate sulla base delle misure ricevute dal campo

• Attuatore: è l’elemento fisico che realizza sul campo le scelte del controllore (es. valvole, interruttori, …). Spesso le valvole sono pneumatiche, ove lo stelo che regola il flusso è mosso da un diaframma modificato dalla pressione dell’aria

• Sistemi di memorizzazione dei dati misurati in campo


Controllo in Retroazione (feedback) – Anello (loop) di regolazione

ControlloreSet

Point

Disturbi

I loop di controllo vengono spesso rappresentati con i seguenti acronimi:• FC = flow control• PC = pressure control• LC = level control• TC = temperature control• CC = composition control


Valvole pneumatiche

Il modello più comune è il controllore di tipo pneumatico.Le parti caratteristiche della valvola di regolazione pneumatica sono: • il corpo valvola;• l'attuatore;• il posizìonatore.Il corpo della valvola determina il tipo di flusso, lineare o a squadra. Inoltre, l'otturatore della valvola può essere a sede doppia, in modo tale da equilibrare le forze agenti sull'otturatore quando questo si muove.L'attuatore è costituito da un diaframma elastico, posto all'interno di un contenitore, su cui agisce aria compressa . L'azione dell'aria compressa determina una deformazione elastica del diaframma, che trasmette il movimento, tramite uno stelo, all'otturatore della valvola. Una molla, connessa al diaframma, consente il ritorno nella posizione originaria al cessare dell'azione dell'aria compressa.Il posizionatore ha il compito di inviare la giusta pressione di aria sul diaframma.

Valvole pneumatiche

Le valvole automatiche vengono generalmente by-passate per poter agire manualmente sul circuito, qualora venga meno il controllo automatico per mancanza di aria compressa.Il by-pass è una soluzione impiantistica molto sfruttata.

Sostanzialmente si tratta di un circuito paralleloa quello nel quale è inserita un’apparecchiatura, che permette, connettendo la parte a monte con con quella a valle dell’apparecchiatura, di far passare un flusso di materia a fianco della conduttura senza attraversarla.

Prima e dopo le valvole automatiche vengono poste due valvole manuali per poter isolare il tratto di conduttura in cui sono inserite, per una loro eventuale sostituzione.

Valvole pneumatiche – Il by pass

REGOLAZIONE DEL LIVELLO DI UN LIQUIDO

REGOLAZIONE della PORTATA di un LIQUIDO

REGOLAZIONE della TEMPERATURA e dell PRESSIONE

Misuratori di temperatura

Termometri a bulboSfruttano il dilatarsi del fluido che contengono il quale può essere libero di espandersi, come avviene nel termometro a colonna di vetro, o può essere confinato in una sede a volume costante.Il liquido termometrico più usato è il mercurio (-30 °C ÷+280 °C), utilizzando altri fluidi l’intervallo si può espandere (-200 °C ÷+750 °C).

Termometri a lamina metallicaBasano il loro funzionamento sulla differente dilatazione termica di due metalli diversi. Una delle estremità del nastro è fissa, mentre l’altra è libera di muoversi ed è solidale con un indice che rileva la deformazione della spirale o dell’elica elvariare della temperatura.


Le termocoppieFunzionano in base al fenomeno conosciuto come effetto Seebeck.

Sono formate da due filamenti diversi uniti tra di loro. Se il punto di saldatura fra i due fili si trova a una temperatura diversa da quella alla quale si trovano le due estremità libere dei filamenti, fra le due estremità dei due fili si genera una differenza di potenziale proporzionale alla differenza di temperatura esistente fra la saldatura e i capi liberi. Mantenendo i due capi a temperatura costante e collegando questi a un rilevatore di differenza di potenziale tarato, è possibile misurare la temperatura del corpo a contatto con la giunzione saldata. Le termocoppie vengono usate per misurare temperature comprese tra 70 e 1800

La polarizzazione e l’intensità di questa forza elettromotricedipende unicamente dalla tipologia dei due metalli e dalla temperatura cui sono sottoposte le due giunzioni.


Le termocoppie

COPPIE METALLI RANGE (°C) ferro/costantana 100÷750 chromel/alumel 0÷1000 chromel/costantana 150÷500 rame/costantana 200÷300

Costantana: è una lega binaria composta di rame (60%) e di nichel (40%

chromel : lega di cromo e nichel

alumel : lega di alluminio e nichel


TERMOMETRI A RESISTENZA ELETTRICA

Si basano sulla variazione della resistenza elettrica nei conduttori metallici al variare della temperatura.

Il filo di metallo (nickel, platino o rame) viene posto al contatto con il corpo del quale si vuole conoscere la temperatura e viene collegato ad un circuito elettrico in cui la corrente varia a seconda della resistenza del conduttore usato come elemento di misura il quale, a sua volta, varia al variare della temperatura del corpo. Essi vengono utilizzati da 50 a 1100 °K.

Sensori di velocità e di portata

I sensori di portata, comunemente detti anche flussometri, possono essere suddivisi in diversi gruppi. Ci sono i cosiddetti dispositivi a strozzamento, cioè dischi forati, boccagli eventurimetri, e il gruppo dei misuratori a sezione variabile. Ci sono ulteriori tipi di sensori, di più recente concezione, che effettuanola misura secondo altri principi sfruttando gli sviluppi della microelettronica (alcuni introducono instabilità nel moto del fluido e poi ne misurano la frequenza, correlata con la portata; altri misurano effetti elettromagnetici ecc.).


Dischi forati o venturimetriImpongono una contrazione nella sezione di passaggio provocando l’aumento della velocità del fluido in un tratto di tubazione. Un aumento della velocità comporta una caduta di pressione, che viene misurata valutando la differenza tra la pressione a monte del dispositivo e quella in corrispondenza, approssimativamente, della vena contratta; dalla caduta di pressione si può risalire alla portata usando l’equazione di Bernoulli


I CONTATORI A TURBINA

I contatori a turbina prevedono una turbina posta parallelamente al flusso del fluido. La turbina è posta in movimento dal liquido e la sua velocità è tanto maggiore quanto maggiore è la portata. Nell’interno della turbina vi è un magnete che, girando, genera una forza elettromotrice in un circuito posto all’esterno del tubo: dalla frequenza della f.e.m. si risale alla portata.

Misuratori di pressione

Manometro a spiraleDetto anche Manometro di Bourdon, permette la determinazione della pressione mediante la deformazione di una molla tubolare, costituita da un tubo pieghettato. Per mezzo di un opportuno meccanismo la deformazione della molla viene trasformata nel moto rotatorio di un indice che scorre su una scala tarata in unità di pressione.

Misuratori di pressione

MANOMETRO A MEMBRANA

I manometri a membrana misurano la pressione che si esercita su una membrana solidale con un meccanismo in grado di spostare un indice su una scala.

Misuratori di LIVELLO

Misuratori a galleggiante

Misuratori a spinta idrostatica

Misuratori di LIVELLO

Indicatore di livello ad ultrasuoni

Adatti per il controllo di livello senza contatto di fluidi e prodotti solidi a granulometria grossa.

INDICATORE MAGNETICO DI LIVELLO BY PASS

Montaggio laterale esterno o verticale interno al serbatoio. Può essere completato con contatti finecorsa per controllo remoto e comando di pompe, valvole, sistemi di allarme. Un accoppiamento magnetico tra il galleggiante che si trova all’interno al tubo di misura ed un particolare indicatore agganciato all’esterno permetterà di ottenere un’affidabile indicazione continua del livello di liquido contenuto nel serbatoio.

Il controllo di processo. Introduzione al controllo di processo Un impianto chimico è costituito da un insieme ordinato e strutturato di singole apparecchiature.

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