diseño conceptual de la implementación del control industrial del reactor principal de una planta...
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Generalidades del control del Reactor Principal de la Producción de BiodieselTRANSCRIPT
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1 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
R E S U M E N
I N F O
I N G E N I E R A Q U M I C A
U n i v e r s i d a d d e P a m p l o n a
- Student of Chemical Engineering
Control, lazo cerrado ,
instrumentacin, automatizacin,
proceso, Biodiesel, diagrama de
flujo, reactor, medicin.
Key words
Control, Closed Loop,
instrumentation, automation,
process, Biodiesel, flowchart,
reactor, measurement.
A B S T R A C T
In this academic workshop worked on the conceptual design of automatic control
of the main reactor of a plant to produce Biodiesel. This production process
requires strict monitoring temperature, level, flow and other variables.
In that sense, includes a brief description of how it works in general in addition
to the process and raw materials used in the process; therefore, an emphasis was
made on the diagram of the process and instrumentation required for its control.
Finally description of the temperature sensors, level and flow rate in the main
reactor process (transesterification reactor) was performed.
Diseo Conceptual de la Implementacin del Control
Industrial del Reactor Principal de una Planta de
Biodiesel
Yorman Zambrano Silva*
Control de Procesos
Departamento de Ingeniera Qumica
Universidad de Pamplona
- Estudiante de Ingeniera Qumica
Palabras claves.
En el presente taller acadmico se trabaj en el diseo conceptual del
control automtico del reactor principal de una planta productora de
Biodiesel. Este proceso productivo necesita un control estricto de
temperatura, nivel, caudal y otras variables.
En ese sentido, comprende una breve descripcin de cmo funciona
en general en proceso y adems de las materias primas usadas en el
proceso; por consiguiente, se realiz un nfasis en el diagrama del
proceso y de la instrumentacin requerida para su control. Finalmente
se realiz una breve intervencin para la descripcin de los sensores
de temperatura, nivel y caudal del reactor principal del proceso
(Reactor de Transesterificacin).
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2 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
INTRODUCCIN.
A lo largo del presente siglo y en especial en
las ltimas dcadas, la tecnologa de los
biocombustibles ha tenido un gran auge.
Estos sn producidos en procesos fsico-
qumicos conocidos por el hombre, como lo
son reacciones qumicas y procesos de
separacin de sustancias en diferentes fases y
estados de materia.
Estos procesos conllevan consigo un reto de
produccin, ya que a gran escalas se necesita
de tecnologa eficientes que faciliten y
mejoren cada vez ms la produccin misma;
en ese sentido, el controlar muy bien el
proceso cada vez cobra ms importancia por
sus las implicaciones de seguridad,
economa, eficiencia y otros factores que se
tienen en cuenta en la produccin de un
servicio. Es por ello que el proceso
productivo del Biodiesel se usa las ltimas
tecnologas de control con el fin de asegurar
todos estos factores antes mencionados.
Para aclarar algunos conceptos, primero se
debe saber que el Biodiesel es un combustible
lquido sustituto del gasoil para motores
disel que posee algunas ventajas
ambientales frente a este. Se obtiene por la
Transesterificacin de triglicridos (aceite) a
steres alqulicos de cidos grasos. Este
proceso de transesterificacin consiste en
combinar el aceite (normalmente aceite
vegetal) con un alcohol ligero, normalmente
metanol, y deja como residuo glicerina que
puede ser aprovechada por la industria
cosmtica, entre otras.
La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de
colza, pues es la planta con mayor
rendimiento de aceite por hectrea, aunque
tambin se pueden utilizar aceites usados (por
ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso, la
materia prima es muy barata y adems se
reciclan lo que en otro no. (1)
El Biodisel (steres metlicos de cidos
grasos) no daa el medio ambiente por ser un
combustible de origen vegetal en su estado
100% puro. Su uso en el referido estado sera
completamente inocuo con nuestro medio.
Para poder usarse se debera efectuar unas
pequeas modificaciones tcnicas en los
motores disel, como sera modificar el
compuesto de la goma y/o cauchos de los
manguitos y latiguillos del circuito del
combustible. Ello es debido a que el biodisel
100% tiene la particularidad de disolver la
goma. Desde los aos 90, casi todos los
fabricantes de vehculos (principalmente
marcas alemanas), ya han sustituido dichos
conductos fabricados con materiales
plsticos o derivados, que el Biodisel 100%
puro no los disuelve.
Teniendo en cuenta esto, se debe tambin
tener claros algunos conceptos claves en el
control en general de cualquier proceso. Para
este caso se necesita comprender algunas
variables que se deben controlar
Prcticamente casi todos los lazos de control
de procesos caen dentro de las siguientes
categoras:
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3 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
Caudal: importante para conocer el balance
de materia. Raramente se mantiene constante,
generalmente flucta y es una variable
ruidosa cuando se mide.
Presin: es la nica que puede ser a su vez
clasificada en tres categoras (lquido, gas y
vapores en equilibrio), cada una con
caractersticas bien diferenciadas.
Nivel: es la integral del caudal durante el
tiempo que esta dura y da una medida de la
acumulacin de materia en el sistema
considerado.
Temperatura: es una propiedad intensiva
asociada al balance de energa.
Composicin: determina la proporcin de
cada componente en la mezcla. Est asociada
con el
Balance de Materia: No necesariamente se
mide directamente la composicin, tambin
se la puede inferir a partir de medidas de
conductividad, viscosidad, etc. (2)
OBJETIVOS.
1. Objetivo General.
Proporcionar los fundamentos tericos para
el control del Reactor Principal de una planta
de produccin de Biodiesel.
2. Objetivos Especficos.
2.2 Realizar el Lazo de Control del
Reactor de Transesterificacin del Biodiesel.
2.2 Considerar la Instrumentacin
adecuada para el manejo de Temperatura,
caudal y nivel del proceso en general.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Las plantas productoras de Biodiesel son en
general muy parecidas a cualquier otra plata
industrial que produce cualquier bien para la
sociedad; por este motivo se puede decir que
poseen problemas en comn relacionados
con la eficiencia del proceso, la seguridad en
cada una de las partes y equipos de la planta
y tambin en el continuo estudio de la
optimizacin de cada uno de los subprocesos
llevados a cabo en esta.
Es por esto, que se delimita (o al menos se
intenta) considerar algunos problemas que se
pueden tener en la planta sino se posee de un
buen sistema de control. La temperatura es
una de las variables mas importante dentro
del proceso ya que brinda un ambiente
adecuado para que la reaccin de
transesterificacin se lleve a cabo dentro del
reactor principal (Reactor de
Transesterificacin). De igual modo, el
control del nivel y del caudal deben ser
variables tenidas en cuenta ya que de su pleno
manejo se evitaran fugas y se controlar el
flujo volumtrico de la planta por lote de
produccin.
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ANLISIS CONCEPTUAL DE
CONTROL.
1. Produccin de Biodiesel.
Como ya se haba mencionado anteriormente,
la parte principal de la produccin de
biodiesel es la reaccin de
Transesterificacin que en donde se
transforman los triglicridos en steres
(Biodiesel) y glicerina. Antes de este paso se
realiza la produccin del Metxido o etxido
de una base fuerte como lo son Hidrxido de
Sodio y Potasio. Este reactor se debe llevar a
una temperatura promedio de 40C y debe
tener una agitacin. Para estas dos
operaciones se necesita de sensores de
temperatura y motores programables para
controlar su velocidad (rpm). Posterior a esto
controlando el caudal se dirige el producto de
esta reaccion al reactor principal para
proceder con la reaccin de
transesterificacin y luego se pasa a un
reactor de decantacin (o centrfuga) en
donde se realizar la respectiva separacin.
Todos estos pasos se deben hacer aplicando
el control.
Se debe aclarar que hay que tener amplio
conocimiento del proceso de la planta ya que
esto permite saber qu instrumentacin se
necesita y en donde deben ir ubicados.
A continuacin se representa el diagrama
virtual del proceso en donde se denotan dos
elementos fundamentales: el gasto de energa
y el control del caudal
Imagen 1. Diagrama de proceso:
consideraciones de gasto de energa.
Imagen 2. Diagrama de proceso: Consideraciones
de ubicacin de vlvulas
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Imagen 5. Control de nivel de Lquido
2. Reactor principal e instrumentacin.
Las variables que se van a controlar a este
reactor es la temperatura, el caudal de
entrada y salida y el nivel (existen otras pero
no se tratarn).
Para la Temperatura os sensores de ms
comunes en este tipo de procesos son
aquellos que miden la temperatura como una
seal elctrica (Termopares). Este tipo de
sensores son muy utilizados para mediciones
de temperaturas bajas. Los termopares son
modelados siguiendo sistemas de primer
orden o sistemas de segundo orden sobre
amortiguados. Las condiciones de operacin
ms habituales
son a
temperaturas de
65C, aunque
rangos de
temperaturas
desde 25C a 85C Imagen 3. Termocupla
Para el caudal Este es un caso muy especial
ya que la variable manipulada es la
controlada y por lo tanto la ganancia del
proceso resulta igual a 1. Dos de las
configuraciones ms difundidas se muestran
en las Figuras siguientes. La dinmica del
proceso puede modelarse como un elemento
de primer orden, haciendo un balance de
cantidad de movimiento (fuerzas) que
considere a la cantidad de fluido que hay en
la lnea entre el sensor y elemento final de
control (vlvula, bomba centrfuga o
ventilador) y que aparece rayado en los dos
esquemas.
Imagen 4. Configuraciones de control de
flujo.
El control del Nivel de reactor principal va de
la mano con el Control del caudal del sistema.
El Nivel indica finalmente el volumen (V(t)),
por lo general se calcula con la medicin de
la altura entre la base del reactor. Este tiene
un problema, la perturbacin llamada
Resonancia Hidrulica.
A travs del paso de los aos, la tecnologa de
control ha ido aumentando la capacidad y la
forma de medicin, aunque en la mayora de
veces se usa para la medicin de temperatura
Termocuplas tambin existen innumerables
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Imagen 6. Diagrama de Proceso
medidores de este; asimismo, pasa con todas
las variables de control. A continuacin se
presenta una tabla con algunas alternativas de
sensores de las variables antes mencionadas:
3. Vlvulas. Elementos finales de control
muy importantes.
El elemento final de control ms comn es la
vlvula. Una vlvula se puede definir como
un aparato mecnico con el cual se puede
iniciar, detener o regular la circulacin (paso)
de fluidos mediante una pieza movible que
abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o
ms orificios o conductos.
Las Vlvulas estn compuestas de dos partes
principales:
1. Cuerpo.
2. Actuador.
4. Lazos de Control.
Se realiz en lazo de control del control de
temperatura y caudal. Ambos son
definitivamente muy parecidos ya que el
sistema a estudiar es el mismo (Reactor).
Ninguno de los lazos tiene informacin
adicional del proceso (flujo o SetPoint).
**Los Lazos de control estn en anexo y
del diagrama de control del proceso
Finalmente se encuentra el diagrama
general del proceso en donde se encuentra
cada una de las variables a controlar.
5. Cuadro comparativo entre procesos
con y sin estrategias de control.
Variable Con Control Sin Control
T
Controlando la
Temperatura es fcil
proveer un sistema
adecuado para que se d
la reaccin sin que suba
o baje de manera no
deseada
Aunque se controle
con un Termmetro
manual el mayor
inconveniente es
pasar la temperatura
de ebullicin del
alcohol, por lo cual
se podra daar la
eficiencia de la
reaccin
Conociendo en tiempo
real el nivel del reactor
posee muchas ventajas
tcnicas para el control
Al no poseer
sensores se puede
llegar al caso de no
saber qu tanto
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Nivel del flujo y adems para el planteamiento de la
Ecuacin de
Transferencia local.
volumen de materia
est entrando al
reactor, por ello
podra haber algn
tipo de derrame
Caudal
Junto al control del
nivel el control del
caudal es indispensable
para tener la
tranquilidad de saber
qu tanto volumen entra
al reactor. Controlar
caudal permite saber
que las proporciones
molares de la reaccin
se conserven para no
daar la reaccin.
Al manejar de
manera manual las
vlvulas se corre el
riesgo que no
brindar la suficiente
cantidad de
volumen de materia
para lo cual el
reactor fue
diseado, por esto
se puede
sobrecalentar y
evaporar lo
compuestos
voltiles y viceversa
con el no suficiente
calentamiento.
CONCLUSIONES.
Implementar elementos de control en una planta de Biodiesel aumentara la
seguridad, eficiencia y seguridad de
los operarios de esta. Por ello se puede
decir que automatizar hara en
mediano plazo ms rentable la planta
pero con una alta inversin inicial.
Se podra saber con ms exactitud los volmenes netos de produccin con
ms exactitud que si no se controla el
proceso.
BIBLIOGRAFA
(1) http://www.biodieselspain.com/que-
es-el-biodiesel/
(2) http://www.biodiesel.org/pdf_files/fuel
factsheetsDonato, A.; Huerga, I. y
Hilbert, J. 2008. Balance energtico
de la produccin de biodiesel a partir
de soja en la Repblica Argentina.
INTA. Argentina
REFERENCIA DE IMGENES.
(1) Autor
(2) Autor
(3)http://www.abengoa.es/web/es/negocio/e
nergia/biocombustibles/
(4)http://www.fyo.com/tags/biodiesel?page=
2
(5)http://www.solventia.net/portfolio-
view/planta-bio/
(6) Autor
-
8 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
ANEXO
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9 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo