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ISA. UVA 1
Control de unidades de proceso típicas
Prof. Mª Jesús de la FuenteDpto. Ing. de Sistemas, UVA
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ISA. UVA 2
Índice• Reactores químicos• Columnas de destilación• Calderas• Compresores• Metodología de diseño de estructuras de
control• Ejemplos
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ISA. UVA 3
Control de un Reactor
RTE
RTE
ART
E
AAi
keFV
x1x
)x1(VkexF0
:x conversionla utilizando cVkeFcFc0
BA
−
−
−
=−
−−=
−−=
→
Reactor
TT
T
Refrigerante
Producto
u
Ti
ReactanteTr
AiA c)x1(c −=
LTAT
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ISA. UVA 4
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
Comp.Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
qAC
Temp
Reactante
LC
LTAT
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ISA. UVA 5
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT
Comp.
Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
q
AC
Temp
Reactante
LC
LT
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ISA. UVA 6
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT Comp.Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
qAC
Temp Reactante B
LC
LT
FTFC
FF
Reactante A
A + B → C
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ISA. UVA 7
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
Comp.Refrigerante
Producto C
TC
TT
Tr
TC
TTi
q
Temp Reactante B
FTFC
FF
React A
AC
LC
LTAT
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ISA. UVA 8
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT
Comp.
Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
qAC
Temp Reactante B
LC
LT
FT
FC
FF
React A
Si hay cambios fuertes de composición en B
AT
FY
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ISA. UVA 9
Control de un reactor
ReactorFT
FT
FC
FC
TT
AT
Comp.
Refrigerante
Producto
TC
TT
Tr
TC
TTi
qAC
Temp Reactante B
LC
LT
FTFC
FF
React A
Si hay cambios fuertes de composición en A o B no medibles
LL
HL
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ISA. UVA 10
Reactor: límite de producción
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ISA. UVA 11
Interacción entre lazos
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ISA. UVA 12
Control multivariable, MPC
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ISA. UVA 13
Control de un reactor de lecho
TCTT TC TT
Alimentación
FC FT
TCTT
Producto inerte
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ISA. UVA 14
Columna de destilación
Vapor
B LC
LT
FT FC
PT PC
LT LC
DFC FT
AlimentaciónF
V
R
Refrigerante
Control básico de inventario y
presión
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ISA. UVA 15
Alternativas
Vapor
B
LC LT
FT
FC
PT PC
LTLC
DAlimentación
F
V
R
Refrigerante
Si R/D o V/B son altos, el control de inventario puede hacerse con R y el vapor
FCFT
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ISA. UVA 16
Columna de destilación
LC
LT
FT FC
Vapor
PT PC
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TC
TT
TC
Refrigerante
FC
FT
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ISA. UVA 17
Columna de destilación
LC
LT
FT FC
Vapor
PT PC
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TC
TT
TC
Refrigerante
FC
FT
Control de presión alternativo con un condensador parcial
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ISA. UVA 18
Feedforward cambio F
LC
LT
FT FC
Vapor
PT PC
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TC
TT
TC
Refrigerante
FT FY
Control básico típico de una columna de destilación
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ISA. UVA 19
Feedforward cambio F
LC
LT
FT FC
Vapor
PT PC
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TC
TT
TC
Refrigerante
FT FYV/F
V Al sustituir el sumador por un multiplicador, si la salida del TC se supone proporcional a V/F, al cambiar F, V se ajusta automáticamente
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ISA. UVA 20
Feedforward + cascada
LC
LT
FT FC
Liquido Calefactor
PT PC
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TC
TT
TC
Refrigerante
FT FYQ/F
Q
Se compensan también los cambios energéticos del líquido calefactor con esta cascada
QC
TDT
FaceΔT
ce
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ISA. UVA 21
Columna Superfraccionadora
LC
LT
FT FC
Vapor
PT
LT LC
DFC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TT
Refrigerante
FT
Muchos platos Alta pureza en D Alta R/D Alta R y V Respuesta lenta
Problemas con los esquemas convencionales
Componentes con baja volatilidad relativa Pequeñas diferencias de Temperatura Cabeza-Cola
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ISA. UVA 22
Columna Superfraccionadora
FC
LTFT FC
PT
PC
LT LC
D
FC FT
Alimentación F
V
B
R
TT
TT
FC
Refrigerante
FT FY
FT
LC FT
FFY FFY
R/DD/V
DR11
VD
+=
DR1DR
VR
+=
V
V=R+D
D
+-R
Objetivo: Mantener R/V Mantener B/F
FFY
FY
B/FB
F
AT
AC
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ISA. UVA 23
Caldera de vapor
FT FCFF
FCFT
PT PC
Aire
Gas
Humos
Vapor
LC LT
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ISA. UVA 24
Caldera de vapor
FT FCFF
FCFT
PT PC
Aire
Gas
Humos
Vapor
LT
AT
LC
AC
LL
HL
>
<
O2
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ISA. UVA 25
Caldera de vapor
FT FCFF
FCFT
PT PC
Aire
Gas
Humos
Vapor
LC
LT
AT
FT FC
FT
AC
LL
HL
>
<
O2AT
HS
CO
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ISA. UVA 26
Seguridad / Fuel/Aire
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ISA. UVA 27
Compresores centrífugos
Compresor
Gas
Vapor alta presión
Vapor baja presión
Turbina
PT
PCwP
Sistema de controlHP LP
La turbina se arranca con la automática Luego la regulación se hace con el actuador de la válvula de alta presión HP
PT
La presión del compresorpuede regularse con la velocidad de la turbina o motor
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ISA. UVA 28
Control anti-bombeo (anti-surge)
Compresor
Gas
Turbina
PDT
q
q
Δp
A la izquierda de la línea de bombeo la operación es inestable: una disminución de caudal q, reduce el Δp, el cual a su vez reduce q
Δp
ω1
ω2
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ISA. UVA 29
Control anti-bombeo (anti-surge)
Compresor
Gas
Turbina
PDT
q
Δp
Cálculo de q ~ kΔp2
FCFT
PC PT
SC ST
El cálculo de q incluye un margen de seguridad y, a menudousa una aproximación lineal
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ISA. UVA 30
Control anti-bombeoSe recircula unacantidad de gas para mantener el caudal a travésdel compresor porencima de la líneade bombeo, (o la presióndiferencial pordebajo de la líneade bombeo).
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ISA. UVA 31
Control de una Planta Completa
• Plant Wide Control• Diseño de los distintos lazos de control de
una planta para asegurar los distintos objetivos de funcionamiento de la misma
LC
LTFT FC
PT PC
LT LC
FC FT
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ISA. UVA 32
MetodologíaEl número de válvulas de regulación, o actuadores, constituye el número de grados de libertad del mismo que se usarán para fijar la producción, calidad de los productos, mantener la seguridad órestricciones ambientales, los niveles en tanques, etc.
Un orden a seguir para asignar lazos es:
1 Escoger el lazo que fija la producción (cabeza, cola,…) 2 Lazos de control de calidad y seguridad 3 Lazos de almacenamiento de productos 4 Comprobar que los balances pueden satisfacerse 5 Utilizar el resto de los grados de libertad para optimizar 6 Validar el diseño mediante simulación dinámica
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ISA. UVA 33
Control de una planta completa
XC YC
No puede haber dos válvulas de control en una misma tubería
Plant Wide Control
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ISA. UVA 34
Control de una planta completa
XC XT
La misma variable no debe controlarse con dos lazos de regulación distintos
XT
XC
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ISA. UVA 35
Control de una planta completa
Proceso 1
LC
Proceso 2
LC
FCFC
Los lazos de control de nivel deben seguir todos la misma dirección a partir
de un punto en que se fije el caudal
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ISA. UVA 36
Control de una planta completa
FCFC
LC
En un sistema con recirculación al menos en un punto debe
haber un controlador de flujo
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ISA. UVA 37
Reactores en serie
Reactor 1 Reactor 2
AC
RefrigeranteVapor
D
B
En el proceso de la figura un producto A reacciona en el reactor endotérmico 1 para dar un producto B el cual se introduce al reactor exotérmico 2 donde reacciona con el producto C para dar lugar al producto deseado D. Los productos A y C se obtienen de dos depósitos de alimentación y el nivel en los reactores puede evolucionar de acuerdo a las cantidades de productos que se adicionan o extraen. Las reacciones que tienen lugar en ambos reactores son sensibles a la temperatura y el vapor experimenta cambios apreciables de presión. Se pide diseñar un esquema de control, dibujando el correspondiente diagrama con nomenclatura ISA para mantener con precisión la concentración de producto D además de cubrir los otros requisitos operativos que el alumno considera necesarios.
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ISA. UVA 38
Reactor 1 Reactor 2
A C
Refrigerante
Vapor
D
B
LC
LT
LCLT
PC PT
TTTC
LC
LTAT
AC
FT FCAT
AC
FT
FTFCFF
LC
LT
TCTT
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ISA. UVA 39
Reactor 1 Reactor 2
A C
Refrigerante
Vapor
D
B
LC
LT
LCLT
PC PT
TTTC
LC
LTAT
AC
AT
AC
FT
FTFCFF
LC
LT
TCTT
FC
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ISA. UVA 40
Condenser
Steam
Fresh juice Syrup
Evaporador de doble efecto
El esquema de la figura muestra un evaporador de doble efecto que procesa un jugo para convertirlo en un jarabe de concentración mas elevada. El primer efecto se calienta con un vapor que proviene de otro proceso que no puede ser manipulado y que experimenta cambios significativos de presión. Los vahos que salen del segundo efecto van a un condensador que puede experimentar tambien cambios de presión. Diseñar un sistema de control que sea capaz de proporcionar un caudal deseado de jarabe a concentración constante a pesar de las posibles perturbaciones que actuansobre el proceso y proporcione seguridad de funcionamiento a la planta.
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ISA. UVA 41
Condenser
Steam
Fresh juice Syrup
Evaporador de doble efecto
FT FCLTLCLTLC
PC
PT
DC
DT
PT
PY
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ISA. UVA 42
Secadero de pulpa
Hogar
aire
Gas natural
pulpa
Pulpa seca
gases
El diagrama de la figura representa un secadero de pulpa que se desea secar hasta una determinada humedad. La cantidad de pulpa que entra al secadero es proporcional a la velocidad de una cinta transportadora alimentada por una tolva de producto, y se desea poder fijarla de acuerdo con las necesidades de fabricación al igual que el grado de secado, el cual se quiere mantener con precisión. El secadero consiste en un hogar donde se quema gas natural para producir una corriente de gases calientes y una camara de secado rotatoria de velocidad de giro constante a lo largo de la cual se mueve la pulpa arrastrada por los gases. Además se desea garantizar la seguridad del proceso, evitando que la temperatura de los gases al final del secadero pueda ser excesiva. Se sabe que la presión de alimentación del gas natural sufre cambios considerable.
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ISA. UVA 43
Pulpa seca
Hogar
aire
Gas natural
pulpaPulpa seca
gases
FT
FT
FC
FC
TC
TTFFMT
MC
ST SC
SY
TC TT
LS
Secadero de pulpa
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ISA. UVA 44
Vapor
Refrigerante
C
A
Reactor
A, C
B
Refrigerante
A
A
El proceso de la figura recibe un flujo no manipulable de producto A de otras parte de la fábrica. El reactor exotérmico combina A y B (con un pequeño exceso de A) para producir C. El refrigerante esta sometido a cambios de temperatura a la entrada . La columna separa los productos C y A y recicla este último al reactor. Dibujar un esquema de control tal que mantenga la composición del producto C tan constante como sea posible y cumpla otros posibles requisitos de operación.
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ISA. UVA 45
Vapor
Refrigerante
C
A
Reactor
A, C
B
Refrigerante
AA
LTLC
LT
LC
TT
TT
TT
TC
TC
TC
LTLC
LT
LC
FT
FT
FT
FC
AT
FC
+
FF
PCPT
AC
FT FC
FY +