Otimização: o que pode dar certo (ou errado) no controle do pH em espessador

Olá pessoal! Hoje falaremos de uma estratégia implementada no controle de pH de um espessador, uma das variáveis mais críticas quando se fala em tratamento de minério. O case de hoje é mais um dos tópicos baseados na nossa metodologia ágil (quer saber mais sobre metodologia ágil? Clique aqui

Sobre o pH

Em termos gerais, o pH é uma variável de processo calculada a partir da concentração de íons hidrogênio (H+) em solução aquosa. A equação pode ser aproximada da seguinte forma:

Em que é a concentração, em mol/L, de íons H+na solução. A escala dessa variável está basicamente entre 0 e 14 e indica o grau de acidez ou basicidade de uma solução. Em temperatura ambiente, valores de pH inferiores a 7 indicam um meio ácido e valores superiores a 7 representam um pH considerado básico. A figura a seguir ilustra bem essa escala:

Sobre o processo

Agora que sabemos como é calculado o pH, resta entender onde o controle dessa variável era aplicado nesse caso: no espessador. Como o próprio nome sugere, o espessador é um equipamento utilizado na indústria para permitir um aumento na concentração de sólidos na polpa (no underflow). Basicamente são tanques de concreto equipados com mecanismo de raspagem para carrear o material adensado até o ponto de retirada.

Esse processo, largamente utilizado na mineração e chamado sedimentação, permite a separação sólido-líquido a partir da diferença de densidade entre as fases. A figura a seguir apresenta o esquema de um espessador industrial:

OK, mas como o pH entra nesse assunto? A variação do pH é uma variável operacional muito importante, pois ela está intimamente ligada ao desempenho da sedimentação de partículas. Existem faixas de pH que podem reduzir o tempo de sedimentação e a dosagem de reagentes que otimizam esse processo, como os floculantes. Dessa forma, para melhorar o desempenho industrial e atender determinadas exigências nas operações de sedimentação, são utilizados agentes modificadores de pH. Para o nosso caso, o objetivo era elevar o pH da polpa alimentada ao setpoint de 9,5 por meio de duas bombas dosadoras de soda cáustica.

Além disso, segundo o manual de operação da planta, condições de pH mais elevadas permitem uma maior dispersão da “lama” presente na polpa. Como consequência, esse contaminante é separado da polpa e recolhido com maior facilidade no overflow do espessador. Além disso, como é o espessador que alimenta a flotação, o pH serve para preparar o material e garantir a separação eficiente entre a sílica e o minério de ferro nos processos posteriores (quer saber mais sobre flotação? Clique aqui)

Quick Assessment

Depois que entendemos o processo, a equipe de operação do cliente e a IHM Stefanini puderam identificar alguns problemas:

• Problema 1 — falhas na dosagem de soda: em diversos momentos, foi possível identificar que a vazão requerida pela malha de pH não era atendida pelas bombas de soda, o que impactava diretamente no controle do processo.
• Problema 2 — oscilação do pH: pelos dados históricos de processo, era possível perceber uma variação elevada no valor do pH medido.

Deep Assessment

Além do desvio padrão do processo, o problema da oscilação do pH era facilmente identificado por meio do erro médio absoluto da malha. Nesse caso, o valor oscilava em torno de 30% em relação ao setpoint de controle. A figura a seguir mostra bem o nosso problema:

Ao analisar os dados históricos foi observado que a ação de controle estava muito mais rápida que o tempo de resposta do processo, o que poderia gerar instabilidade na malha — vale lembra que estamos falando de um espessador com volume estimado em 1400 m³! Ou seja, qualquer soda levava certo tempo para impactar o pH nesse meio.

O segundo problema (bombas de soda) era causado pela forma como era feita a dosagem desse reagente. Em geral, duas bombas eram responsáveis por adicionar soda ao meio e apenas uma delas possuía inversor para controle de velocidade. Quando a demanda por soda era baixa, desligava-se a bomba sem inversor.

Essa manobra, contudo, provocava distúrbios ao processo, já que, em alguns casos, o caminho preferencial para a solução ocorria pela linha da bomba desligada. Veja a figura a seguir para entender melhor o problema:

No final, eram três causas principais para os nossos 2 problemas:

• O desligamento de uma das bombas de soda provocava distúrbios na dosagem;
• A estratégia de controle não era adequada ao processo por conta desses distúrbios;
• A sintonia da malha de pH não atendia às condições do processo.

Smart Actioning

Problema 1:

O problema da dosagem de soda foi resolvido inicialmente com a instalação de um inversor na bomba. Assim, foi possível, com as duas bombas funcionando, diminuir a adição desse reagente diante de uma baixa demanda por soda.

Em seguida, foi proposta uma mudança na estratégia de controle. É aí que entra outro conceito de otimização: o controle em cascata. Para entender isso melhor veja a figura a seguir, que ilustra a solução pensada ao nosso caso.

Como se pode ver, a malha de pH (denominada “mestre”) gera o setpoint para uma malha interna de vazão de soda (denominada “escrava”). Assim, a malha interna é usada para detectar efeitos de perturbação, já que faz isso mais rapidamente do que a malha externa.

Problema 2:

O terceiro problema foi corrigido ao sintonizar a malha de pH. Isso foi possível após a realização de step tests no controle, ou seja, avaliando a dinâmica do pH conforme mudanças no setpoint de vazão de soda — e, acreditem, esse procedimento pode levar muito tempo, já que estamos falando de um espessador! Além disso, vale lembrar que o pH apresenta um comportamento não-linear (logarítmico), o que pode dificultar ainda mais a sintonia de controle, se considerarmos uma faixa grande de medição.

É nessa fase de sintonia que é importante retomar o conceito do controlador PID, cuja ação de controle (saída CV) é calculada [2] pela seguinte equação:

em que Kc, Ti e Td correspondem, respectivamente, ao ganho proporcional, ao tempo integral e ao ganho derivativo do controlador PID. Vale ressaltar o conceito do ganho derivativo: esse parâmetro está associado à derivada do erro “E” (diferença entre o setpoint e a medição de pH), ou seja, ele avalia a tendência do erro [3]. No nosso caso, o ganho derivativo pode ser muito importante, já que a tendência do pH pode trazer uma informação essencial à ação de controle.

Pode parecer estranho, mas boa parte das malhas de controle não possuem ganhos derivativos, sendo encontrados controladores não do tipo PID, mas do tipo PI. Isso acontece pela falta de entendimento do objetivo da malha de controle e também pela existência de ruídos na medição, uma vez que a implementação do ganho derivativo pode amplificar o ruído existente. Entretanto, se para alcançar o objetivo da malha de controle realmente for necessário um controlador PID, existem formas de atenuar o ruído. Uma solução possível para o caso ilustrado aqui é usar filtros na medição do pH, como uma média móvel, por exemplo.

Resultados

Nesse caso, foi possível contabilizar uma redução de 30% para 20% no erro absoluto médio do pH. Além disso, foi visível a mudança na oscilação do processo, como é possível constatar no histograma de distribuição dessa variável:

Essa melhora no desempenho de controle impacta diretamente o processo de adensamento da polpa no espessador. Além disso, melhora-se o desempenho da flotação, etapa imediatamente posterior ao espessador no tratamento de minério (quer saber mais sobre flotação? Clique aqui)

Conclusão

Controlar uma malha de pH no espessador não é uma tarefa fácil, principalmente por conta do tempo de resposta da malha e de sua não-linearidade. A solução pensada passa por uma sintonia do PID (com a inclusão do ganho derivativo) e mudanças no processo para rejeitar o distúrbio na dosagem dos reagentes.

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Referências

[1] http://www.blog.mcientifica.com.br/a-escala-de-ph/

[2] http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/rm/1785-rm001_-en-p.pdf

[3] https://controlstation.com/derivative-affect-pid-controller-performance/

Originally published at www.ihm.com.br on August 8, 2018.