Ei pessoal!

O assunto de hoje é a otimização do controle de nível de um tanque, procedimento que é vastamente utilizado em processos industriais de diferentes segmentos. Vamos falar de um caso específico que ocorreu numa planta de beneficiamento do minério de ferro, envolvendo uma bomba de polpa responsável pela alimentação do processo de deslamagem. O principal benefício que obtivemos foi a redução do número de paradas da bomba, o que garantiu um melhor rendimento nesse processo.

Esse é mais um post da série de business cases baseados na metodologia ágil. Se ainda não está por dentro, vale a pena ver esse post.

Primeiramente, vamos descrever o processo de deslamagem.

 

O Processo (Deslamagem)

O termo deslamagem se refere à separação de partículas por características granulométricas. A principal função nesse caso é a redução de parte do material conhecido como lama, indesejável para os processos subsequentes (flotação, por exemplo).

O processo, representado na Figura 1, faz uso de um tanque, bombas de polpa e bateria de ciclones, podendo ou não ter outros estágios com mais baterias. Em suma, o material é bombeado para os hidrociclones e o modo como a polpa é introduzida lhe confere um rápido movimento centrífugo, resultando na formação de dois vórtices: um externo (fase densa), cujo componente axial do fluxo é dirigido para o vértice do cone (apex), e outro interno em sentido contrário, na direção do topo. Devido à força centrífuga desenvolvida pelos vórtices formados nos ciclones ser muito alta (cerca de 2.500 vezes a força gravitacional), é possível se obter separações muito finas num hidrociclone de pequeno tamanho. Uma característica fundamental do hidrociclone é ser um equipamento compacto, de alta pressão e grande eficiência. 

As partículas finas que se concentraram na parte central seguem para o underflow, enquanto as partículas grosseiras seguem para o overflow.

Figura 1 – Fluxograma do processo de deslamagem

Uma variável muito importante do processo operacional e que está diretamente envolvida nesse case é a pressão na alimentação, que tem a função de determinar a velocidade de centrifugação da polpa no interior do hidrociclone, influenciando o processo de separação de partículas. Baixas pressões causam deficiências no processo de classificação, provocando perda de recuperação mássica e excesso de lama no underflow do hidrociclone, e pressões acima do recomendado provocam desgaste prematuro dos revestimentos internos, podendo danificar o equipamento.

Nesse case, percebemos que as bombas que alimentavam a bateria de ciclones desligavam constantemente, prejudicando assim a separação das partículas, pois os ciclones não alcançavam o regime permanente e o corte não era eficiente.

 

Quick Assessment

Na etapa de quick assessment identificamos a melhor oportunidade para capturar benefícios tangíveis para o processo. Vamos listar aqui os problemas que chamaram atenção:

  • As paradas das bombas de alimentação atrapalhavam no corte dos ciclones, por estes não conseguirem alcançar o regime estacionário;
  • A deslamagem ineficiente causava problemas para o processo seguinte (no caso, a flotação), uma vez que as partículas finas não classificadas prejudicavam a seletividade e pioravam a qualidade do produto final.

 

Validação do Problema e Teste de Hipótese

Uma vez identificados os problemas, a próxima etapa consistia em detalhar os mesmos (deep assessment).

 

Deep Assessment

Fazendo uma análise mais aprofundada, acreditamos que a bomba que não tinha um inversor era muito grande e que quando as duas bombas entravam em operação, o nível do tanque descia rapidamente, sendo esse um dos motivos do desligamento constante. Porém um dos principais motivos era na verdade a falta de sintonia da malha de nível, conforme se pode observar na Figura 2.

Figura 2 – Comportamento do nível no tanque

Além disso, observamos que a bomba com o inversor estava trabalhando com uma faixa estreita de operação e com um parâmetro de velocidade mínimo alto (1.500rpm a 1.800rpm). Isso impactava diretamente no processo, já que a bomba partia com uma velocidade muito alta, causando o esvaziamento rápido do tanque.

Aprofundando os diagnósticos dos ciclones em campo, percebemos que, em cenários de operação mais estáveis, a pressão passava a maior parte do tempo no final de escala, saturada em 2,5kg/cm². Em visitas em campo, constatamos que alguns ciclones manuais estavam fechados por problemas como vazamentos e entupimentos.

Em suma:

  • Devido às oscilações na alimentação da usina, o nível do tanque apresentava o mesmo comportamento;
  • A sintonia inadequada do PID de nível causava lentidão na resposta das bombas, tornando o controle ineficaz para rejeitar as perturbações geradas pelas variações da alimentação;
  • O parâmetro inadequado do mínimo do inversor contribuía fortemente com as paradas constantes das bombas por nível baixo.

 

Smart Actioning

Entendidos os problemas e validadas as hipóteses, era hora de agir! A primeira ação para resolver os problemas apresentados anteriormente foi reduzir a velocidade mínima do inversor, antes limitada perto do máximo, o que gerava o rápido aceleramento da bomba, esvaziamento do tanque e consequentemente fazia com que a bomba desligasse, conforme ilustrado na Tabela 1.

Após o levantamento feito em campo, foi programada pelo cliente a manutenção dos ciclones que estavam com vazamentos ou entupimentos e a revisão dos instrumentos de medição de pressão nas baterias, assim como nas válvulas de abertura automática.

Em seguida, foi possível ajustar a sintonia da malha de controle PID do nível do tanque que alimentava a deslamagem. Esse ajuste permitiu uma maior estabilidade do processo e evitou que as bombas parassem por nível baixo no tanque.

Figura 3 – Performance da malha de nível.

Nota-se na Figura 3 que, no momento em que houve uma redução de alimentação nova, o controlador diminuiu a velocidade do inversor da bomba até atingir sua velocidade mínima, mantendo assim a bomba em funcionamento até a normalização da alimentação, o que aconteceu minutos depois. Percebe-se ainda que o controle, mesmo com mudanças de cenários no processo, dá-se de forma suave, evitando uma variação muito brusca na vazão de saída, além de manter o nível em sua faixa normal de operação, ou seja, sem transbordar e sem esvaziar o tanque.

 

Results & Gains

Após a resolução dos problemas passamos para a etapa de medição de resultados. Apresentamos aqui ganhos tangíveis e intangíveis que conseguimos constatar nesse case.

A Figura 4 apresenta a tendência do erro médio absoluto, um dos principais índices utilizados para medir o desempenho de malhas de controle e que pode ser definido como o valor médio absoluto do erro entre a variável de processo (PV) e a referência (set-point). Podemos observar a diminuição desse índice a partir do mês 6, período em que foram concluídas as ações de melhoria.

Figura 4 – Variação do erro médio absoluto para os meses 1 a 8

Outro ponto que vale a pena mencionar é que a bomba passou a operar em faixas mais altas de velocidade, como pode ser observado na Figura 5.

Figura 5 – Faixa de operação da bomba com inversor

Além da redução do erro médio absoluto e da elevação da faixa de operação da bombas, o número de paradas das bombas diminuiu significativamente no cenário normal de operação, isto é, com alimentação e densidade adequadas ao processo, conforme mostra a Figura 6, que apresenta um comparativo entre o número de paradas reais da bomba antes e depois das ações de melhoria.

Figura 6 – Paradas reais da bomba dos meses de 1 a 8

Em comparação com o número médio de paradas no período anterior às ações, foram observadas 333 paradas a menos por mês, o que representou uma redução de 57%. Para estimar um ganho, usamos a duração média das paradas para calcular o tempo que bomba ficava ociosa e calculamos a quantidade de material que ela bombearia nesse tempo. Dessa forma, foi calculada uma produtividade média de 25,9 t/h e, tomando o rendimento da flotação, etapa posterior à deslamagem, como sendo de 55,85%, pôde-se estimar que a diminuição das paradas tornou possível entregar cerca de 45,6 mil toneladas a mais por ano (desde que haja total disponibilidade de material da mina para a usina).

 

Conclusão

Este case mostra que uma simples malha de nível pode ter impacto direto na produtividade de um processo. Com ações rotineiras como sintonia e manutenção do equipamento aliadas à metodologia ágil, foi possível reduzir a parada de duas bombas, garantindo a estabilidade do processo.

A adoção do Escritório de Otimização permitiu executar o ciclo ágil e focar as ações nas causas raízes do problema, alocando os recursos de forma correta para resolver a questão.

 

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Bárbara Bulgarelli
Engenheira com 7 anos de experiência profissional. Mestre em engenharia química com foco na área de papel e celulose e simulação e otimização de processos. Experiência em análise de dados, modelagem, simulação, malhas de controle, otimização e controle de avançado de processos (APC). Conhecimento nas áreas de papel e celulose e sólida experiência em mineração.