Plano de Ensino

IDENTIFICAÇÃO

EMENTA

Parte teórica: Processos e variáveis de processo, sensores de temperatura, vazão, nível, pressão, simbologia de instrumentos, fluxograma de instrumentação, modelagem matemática de processos químicos, balanços de massa, energia e quantidade de movimento, modelos de processos representativos da indústria química, comportamento transiente de processos, representação por funções de transferência, comportamento dinâmico de sistemas de primeira, segunda ordem e de ordem superior, uso de modelos dinâmicos de processos no controle e automação de processos químicos.

Parte Prática: Introdução ao curso, normas para elaboração de relatórios técnicos da disciplina, algarismos significativos, construção de gráficos e sistema internacional de unidades (SI), introdução a teoria de Erros, calibração de instrumentos (vazão, temperatura, nível, pressão, etc), modelagem dinâmica e obtenção de funções de transferências de sistemas experimentais: malha de controle vazão e malha de controle de nível.

JUSTIFICATIVA

É cada vez mais frequente a necessidade de se automatizar os processos industriais com a finalidade de melhorar a qualidade dos produtos fabricados e/ou a produtividade dos processos envolvidos. Na indústria, a busca contínua de uma melhora no desempenho dos processos industriais leva obrigatoriamente à utilização de sistemas informatizados de Controle de Processos e/ou de Automação da Manufatura onde os itens de instrumentação e controle automático de processos exercem papel preponderante no desempenho do sistema de automação. Dentro deste cenário, esta disciplina contribui para integrar os conhecimentos adquiridos pelos alunos em outros componentes curriculares do curso de graduação em Engenharia de Controle e Automação, na solução de problemas relacionados com a automatização de unidades industriais, desenvolvendo no aluno a capacidade de abordar de forma sistêmica o equipamento e/ou o processo em estudo. Adicionalmente esta disciplina apresenta ao aluno uma visão abrangente sobre os principais equipamentos utilizados industrialmente para o controle automático de processos industriais. O entendimento da dinâmica de um sistema industrial é feito com base em modelos matemáticos elaborados com base em equações de balanço (massa, energia e momento linear) que descrevem processos físicos e químicos representativos da indústria de transformação em geral. A disciplina contribui, também, para o desenvolvimento de projetos e sistemas na área de automação de processos industriais por meio da parte prática da disciplina, que é voltada para experimentação em laboratório. A experimentação é um diferencial na formação do Engenheiro, favorecendo a compreensão do conteúdo teórico desenvolvido.

OBJETIVO

PROGRAMA

Parte teórica:

Capítulo 1 – Processos, Variáveis de Processo e Instrumentos de Medida

1.1. Principais variáveis (conceito, unidades de medida e relações de transformação)

1.1.1 Massa

1.1.2 Volume

1.1.3Vazão

1.1.4 Composição química

1.1.5 Pressão

1.1.6 Temperatura

1.2 Instrumentos de medida (princípios de funcionamento)

1.2.1 Conceitos básicos

1.2.2 Simbologia

1.2.3 Tomadas de Impulso

1.2.4 Medição de Pressão

1.2.5 Medição de Temperatura

1.2.6 Medição de nível

1.2.7 Medição de vazão

Capítulo 2 – Modelagem Dinâmica de Processos Químicos (Balanços de massa, energia e quantidade de movimento)

2.1 A razão da modelagem matemática

2.2 Modelos dinâmicos versus estacionários

2.3 Princípios gerais da modelagem

2.4 Graus de liberdade na modelagem

2.5 Modelos de vários processos representativos

2.5.1 Armazenamento de líquidos

2.5.2 Tanque com aquecimento/resfriamento

2.5.3 Reator Tanque Contínuo (CSTR)

2.5.4 Absorvedor de gás de 3 estágios

2.5.5 Trocador de calor

2.5.6 Reatores CSTR Isotérmicos em série com Holdup constante

2.5.7 CSTR com Holdup Variável

2.5.8 Tanques em série aquecidos

2.5.9 CSTR pressurizado em fase gasosa

2.5.10 CSTR não Isotérmico

2.5.11 Tambor Flash com componente puro

2.5.12Tambor Flash Multicomponente

2.5.13 Reator em Batelada

2.5.14 Reator com Transferência de Massa

2.5.15 Coluna de destilação binária

2.5.16 Coluna de destilação multicomponente Não Ideal

2.5.18 Coluna de destilação batelada

2.6 Solução de modelos dinâmicos e o uso de simuladores digitais

Capítulo 3 – Representação de Sistemas Dinâmicos por Funções de Transferência

3.1 Transformada de Laplace

3.2 Soluções de Equações Diferenciais usando a transformada de Laplace

3.3 Desenvolvimento de Funções de Transferência

3.4 Propriedades das Funções de Transferência

3.5 Linearização de Modelos Não Lineares

3.6 Diagrama de Blocos

Capítulo 4 – Sistemas de Primeira, Segunda Ordem e de Ordem Superior

4.1 Perturbações

4.2 Resposta de Sistemas de Primeira Ordem

4.3 Resposta de Sistemas de Segunda Ordem

4.4 Resposta de sistemas de Ordem Superior

4.5 Sistemas Multivariáveis

Capítulo 5 – Uso de Modelos de Sistemas Dinâmicos em Controle e Automação Convencional de Sistemas Químicos

5.1 Instrumentos de controle

5.1.1 Sensores e Transmissores

5.1.2 Válvulas de Controle

5.1.3 Controladores analógicos

5.2 Desempenho de Controladores

5.2.1 Especificações da Resposta da Malha Fechada

5.2.2 Respostas da Malha Fechada frente a perturbações na Carga

5.3 Sintonia de Controladores

5.3.1 Regras Heurísticas

5.3.2 Tentava e Erro em Linha (On-Line Trial and Error)

5.3.3 Método de Ziegler-Nichols

Parte prática:

Capítulo 1 – Normas para Elaboração de Relatórios Técnicos da Disciplina

1.1 Introdução

1.2 Apresentação Geral dos Relatórios

Capítulo 2 – Algarismos Significativos

2.1 Introdução

2.2 Algarismos Significativos

2.3 Notação Científica

2.4 Operações com Algarismos Significativos

2.5 Apresentação Final de Grandezas Físicas

Capítulo 3 – Construindo Gráficos

3.1 Introdução

3.2 Roteiro para Elaboração de Gráficos

3.3 Exemplos

3.4 Determinação dos Coeficientes de uma Reta

3.4.1 Método dos Mínimos Quadrados

3.4.2 Método Gráfico

Capítulo 4 – Sistema Internacional de Unidades

4.1 Introdução

4.2 Grandezas Físicas

4.2.1 Grandezas Físicas Fundamentais

4.2.2 Grandezas Físicas Derivadas

4.2.3 Unidades aceitas pelo SI

4.2.4 Prefixos oficiais do SI

4.2.5 Escrita correta de unidades no SI

4.2.5.1 Nome de unidade

4.2.5.2 Símbolo de unidade

4.2.5.3 Representação de Medições no SI

Capítulo 5 – Introdução à Teoria de Erros

5.1 Introdução

5.2 Objetivos da Teoria de Erros

5.3 Medidas de Uma Grandeza

5.4 Erros de Medidas

5.4.1 Desvios

5.4.2 Erro Absoluto e Erro Relativo

5.5 Classificação dos Erros

5.5.1 Erros sistemáticos

5.5.2 Erros Estatísticos ou Aleatórios

5.6 Definições

5.7 Histograma

5.8 Valor mais Provável e Valor Médio

5.9 Dispersão e Precisão

5.10 Erros Aleatórios

5.11 Desvios ou Resíduos

5.12 Desvio Quadrático Médio

5.13 Distribuição Normal ou de Gauss

5.14 Desvio Padrão Populacional e Amostral

5.15 Desvio Padrão da Média ou Erro Padrão da Média

5.16 Variância Populacional e Amostral

5.17 Precisão da Medida e Precisão da Estimativa

5.18 Intervalos de Confiança e Níveis de Confiança

5.19 A Distribuição t-Student

5.20 Incerteza Padrão Final

5.21 Algarismos Significativos na Incerteza Padrão

5.22 Algarismos Significativos na Grandeza

5.23 Expressando o Resultado de um Conjunto de Medições

5.24 Propagação de Erros em Cálculos

5.24.1 Erros em Funções de Grandezas Afetadas por Erros

5.24.2 Soma e Subtração de Grandezas Afetadas por Erros

5.24.3 Multiplicação e Divisão de Grandezas Afetadas por Erros

5.25 Exemplo - Estimando média e Intervalo de Confiança de uma grandeza

Capítulo 6 – Aulas Práticas

6.1 Calibração de Instrumentos (com sistema de aquisição de dados): vazão e nível

6.2 Modelagem Dinâmica de uma Malha de Vazão

6.3 Projeto do controlador de Vazão e sua Implementação Experimental

6.4 Modelagem Dinâmica de uma Malha de Nível

6.5 Projeto do controlador de Nível e sua Implementação Experimental

METODOLOGIA

Este plano de ensino foi estruturado para atender as RESOLUÇÕES N^o 30/2011 (Normas Gerais da Graduação) e N^o 25/2020, do Conselho de Graduação no âmbito do ensino da graduação na Universidade Federal de Uberlândia.

A disciplina está estruturada para ser desenvolvida de forma síncrona e assíncrona. As atividades síncronas serão aquelas em que é necessária a participação do aluno e professor no mesmo instante e no mesmo ambiente virtual (mesma plataforma). Assim sendo, todos devem se conectar no mesmo momento e interagir entre si usando a plataforma Microsoft Teams disponibilizada pela UFU. O principal benefício desta modalidade será a praticidade para tirar dúvidas. Além disso, essa é uma garantia de que o aluno estará comprometido com as atividades do curso. Nas atividades síncronas é necessário que o aluno esteja concentrado da mesma maneira que estaria em uma aula presencial.

As atividades assíncronas são aquelas em que não é necessário que os alunos e professores estejam conectados ao mesmo tempo para que as tarefas sejam concluídas e o aprendizado seja adequado. Este tipo de atividade oferece maior liberdade tanto para os alunos quanto para o professor. Isso porque permite que os alunos desenvolvam o aprendizado de acordo com o seu tempo, horário e local preferido. As aulas serão gravadas, inclusive as aulas práticas e estarão disponíveis no sistema Moodle da UFU. O Moodle é um software livre de apoio à aprendizagem e executado num ambiente virtual de aprendizagem. Este software permite a criação de cursos on-line onde o professor disponibilizará para os alunos toda a documentação, notas de aulas, lista de exercícios, trabalhos, artigos, e-books, etc, necessários ao acompanhamento do curso. Essa plataforma é acessada pelo endereço https://www.moodle.ufu.br/login/index.php.

As gravações das aulas práticas serão realizadas no laboratório pelo professor e sem a presença dos alunos. Estes, assistirão as aulas experimentais em vídeo de forma remota. O professor executará fisicamente o experimento em laboratório e disponibilizará o vídeo e os dados experimentais na plataforma Moodle. O professor desenvolveu protótipos das montagens experimentais baseados em plataforma Arduino. Estes protótipos foram desenvolvidos especificamente para atividades remotas. Este tipo de plataforma permitirá abordar as questões teóricas e conceituais do curso em ambiente de tempo real. As aulas gravadas apresentarão os descritivos das montagens com foco no desenvolvimento de controladores reais. Esta plataforma se mostra adequada para o uso em kits experimentais de pequeno porte, permitindo que os alunos confrontem suas ideias e expectativas com evidências experimentais. A instrumentação é de fácil configuração, com baixo nível de ruído e custo baixo, o que torna viável o uso desses kits para fins didáticos em formato de aulas remotas.

6.1 Carga horária do Curso:

Parte teórica: 45 h distribuídas em 15 semanas – 03 h/semana.

• Atividades síncronas: 03 h/semana – aulas síncronas on line.

Parte prática: 15 h distribuídas em 15 semanas – 01 h/semana.

• Atividades síncronas: 1 ha/semana – aulas síncronas on line.

Atividades assíncronas: aulas gravadas, leitura de material para estudo, lista de exercícios e trabalhos, elaboração de relatórios e atendimento ao(à) aluno(a).

6.2 Recursos didáticos:

E-books, apostilas e artigos científicos, sítios de internet, bases de dados científicos; periódicos do portal da Capes (acessível em https://www.periodicos.capes.gov.br/), mídias sociais e serviços de e-mails.

6.3 Plataformas e mídias sociais:

Microsoft Teams para a parte síncrona e Moodle para a parte assíncrona.

6.4 Acesso a bibliografia:

Os alunos terão acesso a bibliografia online da biblioteca da UFU, periódicos que disponibilizam gratuitamente acesso à base de periódicos e links de livros gratuitos fornecidos por algumas editoras.

6.5 Cronograma

Parte teórica:

Parte prática:

AVALIAÇÃO

A avaliação do curso será composta de 02 (duas) provas (on line), 05 (cinco)  listas de exercícios, 03 (três) trabalhos computacionais e 06 (seis) relatórios das aulas práticas. A nota final do(a) aluno(a) será calculada pela seguinte equação:

Nota Final = 0,5 MP + 0,2 (ML+MT)/2 + 0,3 MR

Em que:

MP: média aritmética de todas as provas (0 a 100 pontos cada).

ML: média aritmética de todas as listas de exercícios (0 a 100 pontos cada).

MT: média aritmética de todos os trabalhos (0 a 100 pontos cada).

MR: média aritmética de todos os relatórios de aulas práticas (0 a 100 pontos cada).

Metodologia de avaliação individual: Como critérios de avaliação da disciplina serão aplicadas 02 (duas) provas, sendo a primeira prova no dia 24/01/2021 e a segunda prova no dia 28/03/2022, em horários de aula. As provas serão individuais, disponibilizadas via e-mail aos alunos e as correções das mesmas serão baseadas em gabaritos posteriormente disponibilizados durante as vistas de provas. As vistas de provas serão realizadas em datas e horários combinados com os discentes e ocorrerão via reunião agendada na plataforma Microsoft Teams. As provas deverão ser feitas de próprio punho, digitalizadas e enviadas ao docente por meio de   instrumento eletrônico específico combinado com o discente. Além disso, serão apresentadas atividades avaliativas assíncronas que deverão ser entregues respeitando as datas previamente combinadas com os discentes e sugeridas pelo professor. As atividades compreenderão resoluções de exercícios e de problemas relacionados ao conteúdo programático da disciplina e terão graus de dificuldade variados, com o intuito de fazer com que o discente desenvolva senso crítico e reconhecimento das situações específicas da Engenharia. Estão previstas em torno de 05 (cinco)  listas de exercícios, 03 (três) trabalhos computacionais e 06 (seis) relatórios das aulas práticas no decorrer da disciplina, podendo este número ser alterado ao longo do período letivo em comum acordo com os discentes, conforme as necessidades observadas e o perfil da turma. Essas atividades avaliativas também deverão ser feitas de próprio punho, digitalizadas e enviadas ao docente por meio de instrumento eletrônico específico combinado com o discente.

BIBLIOGRAFIA

Básica:

1. Luyben, William L. (1996). Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. 2nd Edition, McGraw Hill Publishing Company, New York.

2. Seborg, D. E.; Thomas, T.F., Mellichamp, D. A. (1989). Process Dynamics and Control. John Wiley & Sons, New York.

3. Smith, C., Corripio, B. (1985). Principles and Practice of Automatic Process Control. John Willey & Sons.

4. Considine, D. M., Considine, G. D. (1989). Process Instruments and Control Handbook. 3th Edition, McGraw-Hill.

5. Felder, R. M.; Rosseau, R. W. (2004); Princípios Elementales de Los Procesos Químicos. Richard M. Felder, Ronald W. Rousseau. 3ª Edición ,Limusa Wiley.

6. Henrique, H. M. (2015). Apostila de Química Tecnológica Experimental [Apostila do Curso de Química Tecnológica]. Uberlândia/MG: UFU. Disponível gratuitamente no sistema Moodle da Universidade Federal de Uberlândia em https://www.moodle.ufu.br/login/index.php.

Complementar:

1. Edgar, T. F., Himmelblau, D. M. (2001). Optimization of Chemical Processes (2nd Edition). McGraw Hill.

2. Seider, W. D., Seader, J. D., Lewin, D. R., Widagdo, S. (2008).  Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Design (3rd Edition). John Wiley & Sons.

3. Henrique, B. C. M., Henrique, H. M., Vilela, M. A., Henrique, L. C. M. (2019). Desenvolvimento de Kits Experimentais de Baixo Custo Utilizando Plataforma Livre para o Ensino e Pesquisa de Controle de Processos. Anais do XIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica. Volume 1, (6), 7 páginas. DOI: 10.5151/cobecic2019-SOCP44. Disponível em https://www.proceedings.blucher.com.br/article-details/desenvolvimento-de-kits-experimentais-de-baixo-custo-utilizando-plataforma-livre-para-o-ensino-e-pesquisa-de-controle-de-processos-31197.

4. Markerspaces.com. (2020). Arduino For Beginners. Disponível gratuitamente em https://www.makerspaces.com/wp-content/uploads/2017/02/Arduino-For-Beginners-REV2.pdf.

5. Marlin, T. E. (2000). Process Control, Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance (2nd Edition). McGraw-Hill. Disponível gratuitamente em http://pc-textbook.mcmaster.ca/.

6. Postlethwaite, B. (2017). Essential Process Control for Chemical Engineers (1st Edition). Bookboon.com. Disponível gratuitamente em https://bookboon.com/premium/reader/essential-process-control-for-chemical-engineers).

APROVAÇÃO

Aprovado em reunião do Colegiado realizada em: ____/____/______

Coordenação do Curso de Graduação: _________________________

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Documento assinado eletronicamente por Rubens Gedraite, Professor(a) do Magistério Superior, em 05/11/2021, às 18:15, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.

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A autenticidade deste documento pode ser conferida no site https://www.sei.ufu.br/sei/controlador_externo.php?acao=documento_conferir&id_orgao_acesso_externo=0, informando o código verificador 3151875 e o código CRC 6BE81D5C.

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