tesis dayana emily final 14-06-12 (editado indice)
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
“RAFAEL MARÍA BARALT”VICERRECTORADO ACADÉMICO
PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAPROYECTO: INGENIERÍA DE GAS
EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE
VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÒN CLORO-SODA
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero de gas
Autores:
Br. Dayana Guerrero
Br. Emily Pianeta
Tutores:
Msc. María Flores
Msc. John Lamberto
Los Puertos de Altagracia, junio de 2012
EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN CLORO-SODA
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los
triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorar cada día
más.
A mi madre, por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus
valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de
bien, pero más que nada, por su amor.
A mi padre, Por los ejemplos de perseverancia, constancia, comprensión, la
paciencia y el apoyo que me brindó para culminar mi carrera profesional.
A mis familiares, por su participaron directa e indirectamente en la
elaboración de esta tesis.
Emily Pianeta.
A Dios, por guiarme, iluminarme, darme sabiduría y fortaleza, para afrontar
las pruebas que me pone la vida; permitiéndome llegar a la meta.
A mis padres, José Guerrero y Nancy Porras; por creer en mí, dándome
ejemplos dignos de superación y entrega, por ser mis pilares fundamentales,
ofreciéndome toda su confianza, comprensión y ayuda en todo momento.
A mis hermanas, Génesis Guerrero y Johana Porras, por ser una parte
especial en mi vida.
A mi abuelo, Bruno Guerrero, por su apoyo incondicional en todo momento.
A mi novio Manuel Núñez por formar parte de este logro tan importante de
mi vida.
Dayana Guerrero.
v
AGRADECIMIENTO
A Dios todo poderoso por ser guía constante, regente de nuestra vida,
conductor de nuestros destinos y por siempre guiarnos en el camino del
saber y del bien.
A la profesora María Flores, que nos orientó con sus conocimientos para la
realización de la tesis.
Al profesor John Lamberto por su tiempo, consejos y ayuda desinteresada.
A los trabajadores de la empresa Epilson Innovitas que nos brindaron la
información necesaria para tener las bases teóricas esenciales al momento
de desarrollar la tesis.
A todos los profesores que nos ofrecieron sus conocimientos en el transcurso
de la carrera para formarnos como profesionales.
A nuestros amigos que nos ayudaron en los momentos que más lo
necesitábamos
A la Universidad Experimental Rafael María Baralt, que a través de
Programas Educativos logra la transformación y desarrollo de una mejor
sociedad venezolana.
Muchas gracias.
vi
ÍNDICE GENERAL
Pág
.
HOJA DE APROBACIÓN III
DEDICATORIA V
AGRADECIMIENTO VI
ÍNDICE GENERAL VII
ÍNDICE DE CUADRO XI
ÍNDICE DE FIGURAS XII
ÍNDICE DE TABLAS XIII
ÍNDICE DE GRÁFICOS XIV
RESUMEN XV
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del Problema 3
Formulación del Problema 6
Objetivos de la Investigación
Objetivo General 6
Objetivos Específicos 6
Justificación de la Investigación 6
Delimitación de la Investigación 7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Antecedentes de la Investigación 8
Bases Teóricas 11
Procesos Industriales 40
vii
Elementos de un Lazo de Control
Lazos de Control en Circuitos Abiertos y Cerrados
Ventajas
Limitaciones
Elementos Primarios de Medición
Transmisores
Controladores
Elementos Final de Control
Instrumentos de Medición y Control
Según su Variable
Según la Energía
Según la Función
Medición de Presión
Clasificación de la Presión Atmosférica
Presión Atmosférica
Presión Absoluta
Presión Manométrica
Presión Hidrostática
Instrumentos de Medición de presión
Indicadores
Principio y Funcionamiento
Medición de Flujo
Elementos Primario de la Presión Diferencial
Principio y Funcionamiento
Medición de Nivel
Métodos de Medición
Escala de Temperatura
Fahrenheit
Celsius
viii
Kelvin
Instrumentos de Medición de Temperatura
Termómetro de Vidrio
Termómetros Bimetálicos
Principio y Funcionamiento
Transmisores
Importancia de los Transmisores en los Procesos Industriales
Transmisores Neumáticos
Transmisores Electrónicos
Sistemas de Control Manual
Ventajas y Limitaciones
Sistema de Control Automático
Ventajas y Limitaciones
Controladores
Principios de Funcionamientos de los Controladores
Controladores Neumáticos
Elementos Básicos
Elementos Primario de Medición
Válvulas Manuales
Tipos de Actuadores
Neumáticos
Acciones de las Válvulas
Directas
Inversas
Controlador Lógico Programable (PLC)
Equipos y Herramientas
Caracterización del Proceso: Modelos Dinámicos Lineales
Diagramas de Bloques
Representación en el Espacio de Estados
Representación de Lazo de Control
ix
Control Termodinámico
Ecuaciones Generales Aplicadas a un Volumen de Control
Balance Másico
Balance de Cantidad de Movimiento
Balance Energético
Generación de Entropía
Definición de Términos Básicos
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Tipo de investigación
Diseño de la investigación
Población y muestra
Técnicas de instrumentos de recolección de datos
Validez del instrumento
Procedimiento de la investigación
CAPÍTULO IV:
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
ÍNDICE DE CUADRO
x
N° Pág.
01. Operacionalización de la Variable 18
02. Cuadro de Distribución Poblacional 31
ÍNDICE DE FIGURA
xi
N° Pág.
01. Esquema General del Proceso de la Planta Cloro Soda 18
02. Diagrama de Tubería e Instrumentación del Tanque de
Circulación de Caustica
31
ÍNDICE DE TABLA
xii
N° Pág.
01. Alícuotas de la Planta Cloro Soda 18
02. Resumen Anual de la Planta Cloro Soda 31
ÍNDICE DE GRAFICOS
xiii
N° Pág.
01. Relación Agua Sodio en el Proceso de Soda Caustica de la
Planta Cloro Soda
18
02. Relación Liquido-Vapor en el proceso de Soda Caustica de la
Planta Cloro Soda
31
03. Relación Energía Libre de Gibbs de la Mezcla Agua-Sodio en
el Proceso de Soda Caustica de la Planta Cloro Soda
31
04. Relación Volumen Temperatura de la Mezcla Agua-Sodio en el Proceso de Soda Caustica de la Planta Cloro Soda
36
Dayana Guerrero y Emily Pianeta. Tutores: María Flores y John Lamberto. EFECTIVIDAD DEL CONTROL TERMODINÁMICO EN EL CONSUMO DE VAPOR DE LAS PLANTAS DE PRODUCCIÓN CLORO-SODA. Universidad
xiv
Nacional Experimental “Rafael María Baralt”. Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Ingeniero en Gas. Los Puertos de Altagracia, Edo. Zulia 2012.
RESUMEN
El propósito que persiguió la realización del presente estudio fue la efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago. La investigación se sustentó en teorías aportadas por Martínez (2005), Creus. (2007), y Roffel y Betlem (2005), entre otros. De este modo, se desarrolló una investigación del tipo descriptivo, bajo la modalidad no experimental-transversal-de campo. La unidad de análisis se ubicó en una planta de producción cloro soda, sobre la cual se recolectó la información. De los datos aportados por el instrumento se pudo observar que la planta de cloro soda recibe energía eléctrica trifásica de 34,5 Kv en corriente alterna, la cual se transforma en 110 voltios y se rectifica para entregar 180.000 amperios de corriente continua a cada electrolizador. Dentro del sistema cloro soda otros compontes que integran el proceso son las bombas que brindan de flujo y presión para el ingreso de la mezcla dentro de los diferente procesos por los que se enfrentan. Dentro del diagrama presentado se puede observar que estas se encuentran en los procesos de síntesis de ácido clorhídrico y a la salida del tanque del HCl a 32%. El promedio anual de consumo de vapor estuvo ubicado más en el mes de marzo, con un valor de 7136.80 TM. El total de registro de consumo de vapor para los seis primeros meses del año fue de 38570 TM en un promedio de consumo mensual de 6428.34 TM.
Palabras claves: Control, Elementos, Lazo de control, Cloro Soda, Vapor.
xv
INTRODUCCIÓN
El objetivo de todo proceso industrial es la obtención de un producto
final, con unas características determinadas la cual cumpla con las
especificaciones y niveles de calidad exigidos por el mercado. Esta
constancia en las propiedades del producto sólo será posible gracias a un
control exhaustivo de las condiciones de operación, ya que tanto la
alimentación al proceso como las condiciones del entorno son variables en el
tiempo. La misión del sistema de control de proceso será corregir las
desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores
determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades
requeridas en el producto final.
Los sistemas de control pueden ser de lazo abierto o de lazo cerrado,
según si la variable controlada no tiene un efecto retroactivo sobre el sistema
que la está controlando, o si por lo contrario sí lo tiene. En este trabajo en
particular trataremos el proceso de la realimentación en sus distintas formas
teniendo en cuenta su utilidad, su clasificación, efectos elementos, entre
otras. Una parte de la señal de salida se aplica a la entrada. En la mayoría
de los casos se resta de la señal de entrada. Esto se denomina
realimentación negativa o degenerativa.
El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más
fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación
estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto
a los valores de ajuste. La implantación de un adecuado sistema de control
de proceso, que se adapte a las necesidades del sistema, significará una
mejora a la operación.
La presente investigación se presenta de la siguiente forma:
1
El Capítulo I: Establece las características del caso tomado en el
estudio, sus objetivos, la pertinencia e importancia de la investigación así
como su delimitación en un intervalo espacio-tiempo determinado.
El Capítulo II: Muestra ciertos trabajos relacionados directa e
indirectamente con el tema que apoyan la consecución del estudio realizado,
los diferentes fundamentos teóricos existentes y los términos que han sido
involucrado al tema.
El Capítulo III: Plantea el tipo de investigación y su diseño, la
población y la muestra, el instrumento de recolección de la información, la
validez y confiabilidad del mismo y la operacionalización de la variable.
El Capítulo IV: Muestra la presentación de los resultados, su análisis y
discusión. Por último, se presentan las conclusiones del trabajo y las
recomendaciones producto del análisis de la problemática presente, el listado
de referencias bibliográficas que fundamentaron la investigación y los anexos
que brindan soporte a los aspectos tratados en el estudio.
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
En los últimos años el ahorro de energía en los procesos de
producción se ha convertido en uno de los grandes retos. Mientras mayor es
el ahorro energético logrado por la industria, mayor es su rendimiento, el cual
va reflejando en sus niveles de producción, brindando satisfacción al cliente y
un equilibrio entre la industria y el medio ambiente.
La soda cáustica es una sustancia incolora e higroscópica que se
vende al mercado en forma de trozos, escamas, hojuelas, granos o barras.
Se disuelve en agua con fuerte desprendimiento de calor obteniendo una
solución acuosa llamada “lejía de sosa”. Tanto la soda o sosa cáustica, como
su solución acuosa atacan la piel.
En su mayor parte, la soda cáustica y la lejía de sosa se obtienen en
la electrólisis cloro-álcali. Sin embargo todavía hoy se obtiene una pequeña
parte de la lejía de sosa por caustificación de Na2CO3 (Carbonato Sódico). Se
calienta una solución de Carbonato con la cantidad correspondiente de cal
apagada (Ca (OH)2), con lo que precipita CaCO3 (carbonato de calcio)
insoluble y queda en la solución de NaOH (Hidróxido de Sodio).
La materia prima en una planta de cloro soda es el cloruro de sodio
(NaCl), con la que se prepara una solución acuosa de concentración
aproximada a 310 g/l de cloruro de sodio. Esta salmuera, luego de un
proceso de purificación para eliminar magnesio, calcio, sulfatos, es enviada a
las celdas de electrolisis con cátodos de mercurio como ánodos metálicos,
en las que se forman amalgamas de Hg-sólido junto al desprendimiento del
gas Cl2. La amalgama se descompone posteriormente por reacción con agua
para liberar gas H2 junto a la solución de soda cáustica que constituye la
3
producción. El H2 desprendido se comprime a lo que a su vez es enviado a
los reactores de HCl o a la planta de H2O2 (agua oxigenada). El Hg retorna al
proceso.
El gas Cl2 que emerge de las celdas de electrolisis, luego de ser
sometido a un proceso de secado por lavado con H2SO4 en torres rellenas.
Es comprimido mediante maquinas rotativas a 2.5 Kg/cm2 y enfriado hasta -
28ºC, para obtener así el Cl2 líquido, que se envasa en tubos de 1000 Kg. de
capacidad y luego se comercializa o se consume internamente. Las colas o
gas Cl2 que no fue licuado en la operación anterior, conjuntamente con otros
gases no condensables en estas condiciones (N2, O2, H2), son enviados a
torres rellenas en las cuales el Cl2, es absorbido por una solución de soda
cáustica para formar hipoclorito de sodio, que se comercializa en solución
acuosa a granel, con una concentración de 100-105 g/l de Cl2 activo.
En ocasiones, parte del Cl2 seco y comprimido, se lo hace reaccionar
con H2 en reactores construidos en grafito (quemadores), en los que se
genera HCl gaseoso que luego es absorbido con H2O en equipos especiales,
también construidos en grafito, para obtener la solución comercial de HCl al
32%
Para la planta de Cloro Soda del complejo Petroquímico Ana María
Campos, el aspecto antes mencionado es considerado de gran importancia
ya que los sistemas de distribución de aire de proceso e instrumentos, vapor
de la planta presentan problemáticas que traen como consecuencia consumo
excesivo de este servicio disminución de su eficiencia y a la vez la eficiencia
de la planta en general, pudiendo provocar paradas no planificadas debido
al bajo rendimiento en equipos.
Actualmente la planta de Cloro Soda está presentando numerosas
pérdidas de vapor (fugas abiertas), liberando al ambiente vapor vivo
(sobrecalentado) que contiene gran cantidad de energía, de vapor
provocando que el suministro de este servicio aumente y a su vez aumente
el costo de operación.
4
Por otra parte, el funcionamiento poco eficiente de algunas trampas de
vapor aumentan la presencia de condensado dentro de las líneas de
distribución de vapor. Esta baja eficiencia pueda ser provocada por fugas
abiertas en las líneas, mala selección de trampas o quizás por fallas
comunes, tales como bloques que impiden la salida del condensado de las
trampas de igual forma la distribución de vapor pueda verse afectada de la
misma manera.
Así mismo, todo lo anterior refleja un descontrol de las diversas
variables que intervienen en el proceso de obtención de los productos,
tomando en consideración que este tipo de eventualidades son consideradas
de gran relevancia ya que los parámetros operativos de la planta son muy
estrictos.
De igual manera, cuando se toma en cuenta que la termodinámica de
un sistema se basa en el aprovechamiento de la energía para la
transformación adecuada de la materia prima, la misma se convierte en una
debilidad que ha de ser observada con precisión para mantener acciones
que permitan brindar una refutación efectiva de los objetivos operacionales.
Por ello, cuando se aborda este último aspecto que indica la
direccionalidad de las actividades presente en la planta, el seguimiento
desarrollado en ellas fundamentado en estos objetivos son completamente
distintos a lo que realmente se plantea dentro de los procesos de producción,
lo cual desencadena que exista divergencia de los resultados empleados a
los alzados por el proceso productivo, lo cual trae además, pérdidas
irrecuperable, ya que el resultado se traduce en medidas importante de
entropía, es decir, de energía que no puede ser reutilizada.
5
Objetivos de la investigación
Objetivo general
Analizar la efectividad del control termodinámico en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Objetivos específicos
Identificar las variables termodinámicas básicas que integran el lazo
de control en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del
lago.
Describir el proceso de control presente en el consumo de vapor en
plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago
Analizar la eficiencia térmica del consumo de vapor en plantas de
producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Establecer la efectividad del control termodinámico en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del
lago.
Justificación de la investigación
La utilización del vapor como fuente de energía calórica, constituye
alguno de los insumos más costosos de la industria petroquímica. Debido al
incremento de los costos actuales tanto la producción como el consumo de
este servicio se han limitado a tal punto que se ha hecho imprescindible
minimizar su pérdida.
Desde el punto de vista teórico, permitirá conocer aspectos
conceptuales importantes relacionados con el consumo del servicio de vapor,
los elementos que distinguen el lazo de control presente en la producción
cloro soda y las características necesarias en la aplicación de un análisis
6
termodinámico del sistema. Así mismo, con la realización de esta
investigación se analizaron los diversos procedimientos para mejorar el
consumo de estos diferentes servicios, los cuales pueden servir de guía para
estudios futuros.
Bajo su perspectiva metodológica, la realización del estudio de la
evaluación del consumo de servicios de vapor en la planta de cloro soda
permite determinar, ubicar y cuantificar las pérdidas existentes de este
servicio a través de fugas presentes en las líneas o en los diferentes equipos,
o atreves del consumo excesivo de este servicio en equipos por baja
eficiencia. Adicionalmente, permite establecer si se encuentra dentro de los
parámetros establecidos.
Finalmente, las implicaciones prácticas en la realización de la
investigación radica en la evaluación de la efectividad térmica del sistema de
para lograr la optimización del uso del vapor. Todo esto para permitir conocer
su consumo actual, además de establecer diferentes alternativas que
reduzca el consumo de este servicio lo que se traducirá en ahorro para la
planta de cloro soda y la empresa y así mismo hacer más eficiente los
procesos de producción dentro de la planta.
Delimitación de la investigación
La presente investigación se realizó en la Universidad Nacional
Experimental “Rafael María Baralt” con informes de las condiciones de las
plantas de producción cloro soda presentes en la subregión Costa Oriental
del Lago de Maracaibo y del Instituto Zuliano de Investigaciones
Tecnológicas, del estado Zulia. Así mismo, el estudio se efectuó en un rango
comprendido entre noviembre de 2011 hasta junio de 2012
7
CAPÍTULO II
MARCO TEORICO
Antecedentes de la investigación
Guerra (2009) “Diseño de estrategia de control avanzado para
minimizar efectos perturbadores en la calidad de productos en torre
desbutanizadora”. El objetivo de esta investigación fue diseñar una estrategia
de control avanzado que permitiera controlar la calidad de los productos de
tope y de fondo de la torre desbutanizadora V-303 de la planta de
fraccionamiento bajo grande, ante perturbaciones de flujo y temperatura en la
corriente de alimentación a la torre, considerando la nueva caracterización
del LGN proveniente del Complejo Criogénico de Occidente CCO, esta
nueva composición de gas entrará a la planta Bajo Grande una vez sea
puesto en servicio el Complejo.
El proceso de recolección de data se obtuvo a través de la
herramienta de simulación de procesos Hysys Versión 3.2 en estado estático
para conocer la caracterización del gas y en estado dinámico para la
obtención de la data puesto que el CCO está actualmente en fase de
ingeniería. Se realizaron perturbaciones tipo escalón a lazo abierto y con la
data generada y utilizando identificación de sistemas del matlab Versión 7.0,
se obtuvo después de análisis de estabilidad de los sistemas de control, las
ecuaciones de transferencias en el dominio de Laplace para cada uno de los
casos en estudio.
Se diseñaron algunas estrategias de control avanzado en diagrama de
bloques que representadas en el Simulink de Matlab permitieron hacer una
comparación de las respuestas obtenidas desde un Control PI, Control en
cascada con PID hasta Feedfoward con perturbaciones de flujo y
temperatura a la entrada y se mantuvieron las referencias o setpoints tanto
8
en tope como en fondo, se seleccionó el control por adelanto como la
estrategia de control avanzado que produjo una mejor y más rápida
respuesta ante las perturbaciones analizadas y que permitió mantener los
controles de temperatura en tope y fondo para obtener dentro de los
parámetros la calidad de los butanos y gasolina natural que se exige.
Portillo (2009). “Diseño de un controlador óptimo aplicado al sistema
antisurge de planta compresora Lago 1 PDVSA Occidente”. En actualidad la
disponibilidad del gas natural se ve reducida en el Occidente del País, es por
ello que las plantas requieren recircular importantes volúmenes de flujo para
evitar el surge (oscilaciones) y proteger el compresor, el sistema de control
actual PI convencional instalado con frecuencia no las detecta debido a que
la velocidad de las oscilaciones es tal que el sistema no responde a ellas, lo
cual está perjudicando la disponibilidad de la planta, para solucionar este
problema se diseñó un controlador Optimo Lineal o PI optimo, el cual permite
respuestas rápidas y el rechazo a perturbaciones, es una solución temprana
al problema del adecuado funcionamiento de los controladores
antioscilaciones en PDVSA Occidente.
Se realizaron todas las pruebas necesarias para determinar las
condiciones de operación y el estudio de la dinámica del proceso,
primeramente se hizo el análisis de estabilidad, gráfica del lugar geométrico
de las raíces y análisis en frecuencia (diagrama de Bode) tanto en tiempo
continuo como en discreto, mediante la realización simulaciones en Matlab y
Simulink.
El tipo de Investigación se enmarcó dentro de la Explicativa, Aplicada
y no Experimental, utilizando la técnica de la observación directa el cual fue
aplicado a una población conformada por un módulo de compresión de gas.
El presente estudio sirvió de fundamento teórico en el modelado del proceso
de compresión de gas, en la Identificación de sistemas y en la aplicación de
teorías de control óptimo y práctico aportando la simulación del proceso real
de los compresores, en donde se evidencio que la aplicación de un PI optimo
9
comparado con PI discreto mejora la respuesta del sistema además que
rechaza las perturbaciones.
López (2008). “Diseño de un control automático para plantas eléctricas
a gasoil supervisadas a través del sistema Scada”. Esta investigación tuvo
por objeto diseñar una estrategia de control automático para plantas
eléctricas a gasoil supervisadas a través del sistema SCADA, para lograr
este objetivo, será diagnosticada la situación actual de la estación ubicada en
el Caserío El Roble del Estado Falcón perteneciente a la Compañía Anónima
Electricidad de Occidente (ELEOCCIDENTE), se definirán las variables
susceptibles de automatización en el proceso inherente a las plantas
eléctricas de gasoil, se precisará la interface que permita la comunicación
remota entre el proceso productivo a través del computador y el sistema
SCADA y por último se diseñará el sistema de control que utilizarán las
plantas eléctricas a gasoil.
Para esto se definieron principalmente dos variables, que no son más
que características observables de algo que es susceptible de adoptar
diferentes valores o de ser expresadas en diferentes categorías, tomando en
consideración lo anteriormente expuesto, en la presente investigación se
ubicaron dos variables de estudio, denominadas "Microcontrolador" y
"SCADA". El tipo de investigación de este estudio fue descriptivo, de campo y
tecnológica.
La estación en estudio, requiere un control automático, ya que la
empresa posee gran cantidad de equipos de transmisión que deben poseer
una fuente de energía, que a su vez falla en determinados momentos, en ese
caso, esa localidad, posee un sin número de plantas generadoras de
electricidad las cuales funcionan por combustible. Adicional a eso, las
mencionadas plantas poseen un control analógico de contactores, relé y
temporizadores de aguja lo que genera problemas; razón por la cual, se
propone un sistema de automatización que mejore el control y visualización
de los parámetros de la planta eléctrica.
10
El análisis de los resultados estuvo enmarcado en base a las pruebas
realizadas por medio del programa simulado, contrastando los diferentes
comportamientos ante la presencia de carga en la línea principal o en la
planta eléctrica. Los resultados llevaron a concluir a través de la evaluación,
que el sistema posee condiciones que permiten establecer el modelo de
control planteado.
Bases Teóricas
Procesos industriales
Elementos de un lazo de control
Según Roffel y Betlem (2005:109), los procesos industriales que deben
controlarse pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos
continuos y procesos discontinuos. En ambos tipos deben mantenerse en
general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, entre otros) bien en
un valor fijo deseado, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con
una relación predeterminada, ya guardando una relación específica con otra
variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las
variables puede definirse como aquel que compara el valor de las variantes o
condiciones por controlar con un valor deseado y ejecuta una acción de
corrección, de acuerdo con el desviador existente, sin que el operario
intervenga en absoluto.
El sistema de control exige, pues, para que esta comparación y
subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya: una unidad de
medida, una unidad de control, un elemento final de control, y el propio
proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el
nombre de bucle o lazo de control.
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En el dominio de una variable por medio de un lazo de control existen
elementos básicos interactuantes, que son:
El proceso: el cual es representado por la variable que deseamos
controlar.
Elemento de medición: el cual se encarga de sensar los cambios
sufridos por la variable, y de generar una señal de respuesta en forma de
movimiento, cambio de resistencia, cambio de voltaje, etc. Puede formar
parte de un transmisor o de un controlador.
El elemento de control: está representado por el controlador y se encarga
de comparar la señal generada por el elemento de medición, la cual es
representativa del valor de la variable, con otro valor pre-establecido llamado
valor deseado y entregar al elemento final de control, una señal en función
de la diferencia entre el valor medido (variable) y el valor deseado
(referencia).
Elemento final de control: es el elemento encargado de modificar el
estado de la variable, en función de la señal recibida desde el controlador. En
los lazos de control industrial, el elemento final generalmente es una válvula
de control.
Lazos de control en circuitos abiertos y cerrados
Según Roffel y Betlem (2005: 120), Existen dos tipos de lazo, el abierto
y el cerrado: el lazo de control abierto es aquél en que la señal que circula
por sus elementos nace en un punto y termina en otro, es decir, carece de
retroalimentación; y el lazo de control cerrado es aquel en el cual la señal
originada parte de cada uno de los elementos de lazo de control y regresar al
punto o lugar de origen, es decir, posee retroalimentación. A continuación, se
presentan las ventajas y limitaciones de ambos lazos de control.
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Ventajas
En los lazos de control abierto la estabilidad no es afectada por los
cambios de carga del proceso. Son sistemas de control más sencillos, menos
costosos y se ajustan con facilidad. Los lazos cerrados nos permiten realizar
un control más exacto de. La variable, y lograr un producto mejor terminado,
lo que permite mayores divisas, y como mantiene un dominio ininterrumpido
de la variable, contribuye a reducir los costos de operación.
Limitaciones
La estabilidad en los lazos cerrados afectada por las perturbaciones. Se
requiere personal calificado para su ajuste, lo cual suele ser costoso. El
control de los procesos de lazo abierto es menos exacto.
Elementos primarios de medición
Según Creus (2007), Es la parte de la unidad de medición que está en
contacto con el proceso y convierte la energía de la variable en una señal
adecuada por su medición. Cuando en un lazo de control aparezca el
transmisor, queda entendido que debe existir un elemento sensor (elemento
primario) y uno de medición. Dentro de los tipos de elementos primarios se
encuentran los mecánicos y los eléctricos.
Transmisores
Según Creus (2007), Son instrumentos que captan el valor de la
variable y la trasmiten a distancia, por medio de señales estandarizadas, un
instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación
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de estos. Normalmente, se le da el nombre al transmisor según la energía
utilizada por transmitir información de la variable y existen varios tipos de
señales.
Controladores
Según Creus (2007), son los instrumentos que reciben la información
del transmisor, la comparan con un valor preestablecido, llamado
comúnmente punto de ajuste (set-point), y envía una señal de corrección en
función de la desviación al elemento final de control. De acuerdo con la
energía utilizada, se puede decir que los controladores más utilizados son los
neumáticos y los electrónicos y, según su diseño, hay instrumentos de esta
clase para instalar en el campo y en las salas de control.
Elemento final de control
Para Creus (2007), es la parte de los medios de control que modifica
directamente el valor de la variable manipulada. El elemento final más
utilizado es la válvula de control; sin embargo, existen otros, tales como:
hojas de ventilador, SCRs, reactores de núcleo saturado, amplificación
magnéticos, motores entre otros.
Instrumentos de medición y control
Según su variable
Según Creus (2007), Una de las formas de agruparlos instrumentos es
considerando la variable donde presentan servicio. La cantidad de variables
utilizadas en los procesos industriales es muy amplia. A continuación se
listan uno de los instrumentos usados para medir y controlar algunas de
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estas variables. Instrumentos de: presión, flujo, nivel, temperatura, velocidad,
humedad y pH.
Según la energía
Los instrumentos se pueden agrupar, también, dependiendo del tipo de
energía empleada para generar la señal que transporta la información, del
siguiente modo: mecánicos, neumáticos, eléctricos, electrónicos, hidráulicos
y combinaciones.
Según la función
La necesidad de realizar distintas operaciones en la medición y en el
control de las variables ha generado una gran variedad de instrumentos, de
los cuales se mencionaran los más utilizados como: indicadores,
registradores, transmisores, controladores y convertidores.
Medición de presión
Según Creus (2007), es una de las variables más comunes en los
procesos industriales. Es ella quizás la más importante, ya que permite medir
y\o controlar otras variables de los procesos industriales. La presión se
define como la relación entre fuerza y la superficie donde ella actúa.
Clasificación de la presión atmosférica
Según módulo de automatización flexible en la Industria (2009), las
presiones se clasifican en:
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Presión atmosférica
Es la presión ejercida por la capa de aire que rodea la tierra por la
acción de la gravedad. Esta no es constante. Varía según la latitud, altitud y
también depende de las condiciones atmosféricas del momento. La presión
atmosférica se considera normal cuando tiene un valor de 760 mm de
mercurio al nivel del mar y a 60°F, equivalente a 14,7 lbs/pulg, (psi).
Presión absoluta
La presión absoluta tiene como origen o referencia el cero absoluto
(cuando la ausencia de la masa es total), es decir el valor más bajo de
presión. La presión absoluta es igual a la presión manométrica más la
presión atmosférica.
Presión manométrica
Es la presión medible a partir de la presión atmosférica. Generalmente
los manómetros siempre parten de cero, donde está incluida la presión
atmosférica (14,7 libras/pulg). A la presión manométrica también se le
denomina efectiva o relativa.
Existen dos tipos de presión manométrica:
Positiva: Cuando su valor es mayor que la presión atmosférica.
Negativa: (vacío) cuando su valor es menor que la presión atmosférica y se
expresa, generalmente, en milímetros de mercurio (mmHg) o en pulgadas de
agua (H2O). Las variaciones de presión atmosférica influyen
considerablemente en la lectura de la presión de vacío.
16
Presión hidrostática
Es el peso que ejerce la columna de líquido sobre una unidad de
superficie. La presión hidrostática depende de la altura (H) y el peso
específico (Pe) del líquido.
Instrumentos de medición de presión
Según Roffel y Betlem (2005: 120), existen una gran variedad de
medidores de presión, los cuales utilizan energía neumática, eléctrica o
mecánica, y a lo que podemos agrupar, según su función en: indicadores y
registradores.
Indicadores
Para Roffel y Betlem (2005: 120), son instrumentos que muestran el
valor instantáneo de una variable determinada sobre una escala, en forma
analógica o digital. Los indicadores de presión son instrumentos que poseen
elementos primarios que actúan en función de la variable presión. Los más
utilizados son los manómetros con tubo de bourdón tipo “C”. Este tubo está
abierto en un extremo, por el cual se conecta al mismo sistema que se quiere
medir por medio de un casquillo roscado.
Principio y funcionamiento
Para Roffel y Betlem (2005: 120), se podría decir que al aumentar la
presión del sistema donde esté conectado, el tubo tiende a buscar su forma
original y provocar en el extremo cerrado del tubo un movimiento que
transmitido por el medio de un eslabón al sector dentado, el cual gira un
piñón que tiene acoplado al puntero, éste se mueve en el sentido en que
17
asciende la escala, mostrándonos en ella el valor de la presión que ha
producido tal deformación.
Medición de flujo
Según Roffel y Betlem (2005: 120), en la mayor partes las operaciones
realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorios y
en las plantas pilotos, es muy importante la medición de los caudales.
Las ventajas de la medición por presión diferencial de este modelo de
medición de flujo es el más utilizado en el mundo, debido a que ofrece
múltiples ventajas, tales como: económico, sencillo, bajo costo de
mantenimiento y sirve para líquidos, gases y vapores.
No es el mejor procedimiento en cuanto a presión se refiere, ya que
existen otros que proporcionan una medición más exacta; sin embargo, las
ventajas mencionadas anteriormente, entre otras, lo califican para estar en el
primer lugar. Cuando el caso lo requiera, se puede recurrir a otro método,
pero cualquiera elegido siempre generara mayor costo.
Elementos primarios de la presión diferencial
Entre los elementos primarios más usados en un sistema de medición
de flujo por presión diferencial, se tiene la placa de orificio, la tobera de flujo y
el tubo Venturi.
Principio y funcionamiento
El método de medición de flujo por presión diferencial se fundamenta en
aprovechar la diferencia que genera la reducción del área, en el medio de
transporte, utilizando un instrumento conocido como electo primario (placa de
orificio, tubo de ventura, toberas de flujos, tubo pitot, entre otros). Esta
18
diferencia puede ser detectada por cámaras diferenciales adaptadas a
indicadores, registradores y transmisores, los cuales generan una señal
mecánica o eléctrica proporcional a esta diferente de presión. Una vez
conocida la diferencia de presión, se introducen en una fórmula derivada de
la ley de la conservación de la masa y de la ecuación Bernoully, para
determinar la rata de flujo que pasa a través del elemento primario.
Medición de nivel
Según Roffel y Betlem (2005: 120), se define el nivel de un líquido o
sólido, como la altura que alcanza éste dentro del recipiente, considerando
un punto de referencia de acuerdo con las necesidades del proceso. La
medición de esta variable es de gran importancia en los procesos
industriales, ya que permite determinar el balance adecuado de materias
primas o de productos finales y los puntos óptimos de operación.
Métodos de medición
Según el manual de automatización flexible en la industria (1991), los
métodos de medición pueden ser:
Medición directa del líquido: la medición directa es realizada por la simple
comparación del estado de una variable con un patrón determinado. En el
caso de nivel consiste en medir la altura alcanzada por un producto en un
recipiente cualquiera.
Medición de nivel por presión hidrostática. Sistema básico a manómetro: la
medición de nivel por presión hidrostática en un recipiente o tanque se
obtiene a través del peso del líquido en el fondo del recipiente, mediante el
uso del manómetro.
Medición de nivel por presión diferencial: el método de medir nivel por
presión diferencial se utiliza ampliamente en tanques cerrados donde el
19
líquido se encuentra presurizado. Este método consiste en utilizar como
elemento de medición una cámara diferencial, la cual es instalada a través
de tuberías en el tanque. La cámara de alta presión se conecta a la parte
inferior del tanque y la cámara de baja presión a la parte superior.
Medición de temperatura: según Roffel y Betlem (2005: 120), la temperatura
es una de las variables de mayor importancia en los procesos industriales.
Por medio de ella se dan numerosos procesos químicos en los que
predomina la energía calorífica como agente catalizador o simplemente,
como agente modificador de algunas propiedades físicas de gases y líquidos.
La temperatura es la cantidad de calor expresada en grados que contiene un
cuerpo, siendo el calor una de las formas de presentarse la energía.
La forma más corriente de suministrar calor a un cuerpo para que
aumente la temperatura, es ponerlo en contacto con otros cuerpos que se
encuentran a un nivel superior de calor. Esto produce un aumento de la
temperatura y, en consecuencia, cambios en todas las otras propiedades
físicas del mismo, tales como:
Aumento de presión, a volúmenes constantes.
Cambio de fuerza electromotriz desarrollada cuando el cuerpo está en
contacto con otro.
Cambio de resistencia eléctrica.
Aumento de la radiación superficial.
Cambio de calor.
Cambio de estado.
Cada uno de los cambios mencionados puede servir como base para
medir la variación de temperatura. De hecho, una gran cantidad de
instrumentos aprovechan éstos como principio de operación de temperatura
20
Escala de temperatura
Según el manual de automatización flexible en la industria (1991), la
escalas de temperaturas son:
Fahrenheit
Esta escala se identifica con la letra "F" y se diferencia de la escala en
grados centígrados solamente por su graduación. En su construcción se ha
marcado el punto de fusión del hielo con 32° en lugar de 0°C y el punto de
ebullición de agua con 212°, en vez de 100 °C. El cero de esta escala es la
temperatura que se obtiene al mezclar pesos iguales de cloruro de amonio y
nieve. Cuando Fahrenheit introdujo esta escala eligió este punto cero porque
pensó que representaba la temperatura más baja que se podía lograr en el
laboratorio.
Celsius
Generalmente se usa en los países donde se ha adoptado el sistema
métrico decimal. Esta escala fue introducida en el año 1743 por CELSIUES
DE UPSALA (Suecia). En ella se ha marcado con cero grado el punto de
hielo puro y con 100 grados el punto de ebullición de agua destilada, con una
presión de una atmósfera (760 mm de mercurio). Se designa esta escala con
la letra "C".
Kelvin
La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada
Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico escocés que inventó
21
la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto,
la temperatura teorética en la que todo el movimiento molecular se para y no
se puede detectar ninguna energía. La tercera escala para medir la
temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-
1907) fue un físico Escocés que inventó la escala en 1854.
Instrumentos de medición de temperatura
Según Manual de automatización flexible en la industria (1991), para la
medición de temperatura se utilizan instrumentos basados en fenómenos
termomecánicos, termoeléctricos y de radiación. A los fenómenos
termomecánicos pertenecen los termómetros de cristal, los bimetálicos y los
de sistemas llenos. A los fenómenos termoeléctricos pertenecen los
termopares, las termorresistencia y los termistores. A los de radiación
corresponden los pirómetros ópticos. Estos son aptos para grandes
temperaturas y constituyen una categoría aparte.
Termómetros de Vidrio
Es el instrumento de medición de temperatura más conocido. Consta de
un depósito de vidrio que puede contener mercurio, pentano, alcohol o
tolveno y una escala.
Termómetros bimetálicos
Los termómetros bimetálicos son los instrumentos de medición de
temperatura que han venido siendo más utilizados debido a su bajo costo y
buen grado de precisión. Están compuestos básicamente por el elemento
bimetálico, el cual no es más que dos láminas de metales diferentes,
soldadas o remachadas, un eje, un cojinete, el puntero, la escala y la
22
cubierta de protección. El elemento bimetálico puede ser recto o curvo, en
forma helicoidal o espiral.
Principio y funcionamiento
Según Manual de automatización flexible en la industria (1991), el
principio de funcionamiento se basa en la expansión desigual que sufren los
metales al aplicársele calor, es decir, al exponer la tira bimetálica a una
temperatura determinada, uno de los metales se expandirá más que el otro y
como un extremo del elemento está fijo, el otro se moverá. Este movimiento
es transmitido a un eje, el cual lo transmitirá a un puntero que indicará, sobre
una escala previamente calibrada, la temperatura existente en el punto
donde se encuentra el elemento bimetálico.
Transmisores
Según Roffel y Betlem (2005: 120), los transmisores son instrumentos
que detectan la variable del proceso y envían una señal normalizada,
directamente proporcional a los cambios de la variable, a un instrumento
receptor (indicador, registrador, controlador o una combinación de estos).
Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas,
hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las dos
primeras. Las señales se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una
gran potencia. Las telemétricas se emplean cuando hay una distancia de
varios kilómetros entre el transmisor y el receptor.
Importancia de los transmisores en los procesos industriales
Para Roffel y Betlem (2005: 120), con los transmisores es posible
instalar el sensor de la variable cerca del sitio de medición y el
23
indicador/registrador o controlador en un sitio distante. La magnitud medida
es transmitida a un receptor que está en una sala de control donde se
centraliza la información. Esto evita riesgos y accidentes, reduce en gran
medida los costos de operación, y contribuye a la optimización y calidad del
producto, manteniendo una información continua del proceso
Transmisores neumáticos
Según Roffel y Betlem (2005: 120), es el instrumento encargado de
transmitir los cambios de la variable en el proceso, utilizando como medio de
comunicación el aire comprimido. Entre los componentes básicos o de
relevante importancia de un transmisor neumático se destacan los
siguientes: el elemento de medición, tobera- obturador, mecanismo de
retroalimentación, el relevador.
Transmisores electrónicos
Según Roffel y Betlem (2005: 120), en los transmisores electrónicos la
velocidad de respuesta es prácticamente instantánea, ya que la corriente
circula a velocidad de la luz. Esta es su característica principal. La señal de
salida de estos transmisores es de 4 a 20 ma y de 10 a 50 ma.
Los transmisores electrónicos poseen algunas ventajas sobre los
neumáticos, entre las cuales podemos mencionar: Mayor velocidad de
respuesta, mayor distancia hasta el receptor, de más fácil calibración,
instalación más sencilla, suministro de energía más económica, menor costo
de mantenimiento. Existen dos tipos de sistemas de control el manual y el
automático.
24
Sistema de control manual
Según Creus (2007), representa el control manual del intercambiador. El
operario percibe la temperatura de salida del agua con la mano y acciona la
válvula de vapor para mantener el agua a la temperatura deseada. Si en
estas condiciones existe una temperatura constante en la salida, ocurre un
aumento en el caudal de agua de entrada. Como la válvula de vapor sigue
estando en la misma posición, el intercambiador no llegará a calentar el
mayor caudal del agua fría de entrada, por lo que la temperatura de salida
deberá disminuir. Debido a la inercia del proceso, pasará cierto tiempo hasta
que el agua más fría alcance la mano izquierda del operario.
Cuando éste observa la disminución de la temperatura, debe
compararla con la temperatura que desea y calcular mentalmente cuántas
vueltas debe dar a la válvula de vapor y en qué sentido, a continuación se
realiza la corrección manual en la misma. Se necesita cierto tiempo para
llevar a cabo estas decisiones y corregir la posición de la válvula.
Transcurrido cierto tiempo, los efectos de corrección de la válvula se
notan en la temperatura de salida y pueden ser captados por el operador.
Sólo entonces, éste es capaz de saber si su primera corrección ha sido
escasa o excesiva. En este punto efectuará una segunda corrección, que al
cabo de un tiempo dará lugar a otro cambio de temperatura.
El operador observará los resultados de ésta, realizará una tercera y,
así, sucesivamente. Esta serie de operaciones de medida, comparación,
cálculo y corrección, constituyen una cadena de acciones, que se realizan,
una y otra vez, por el operador hasta que transcurre un cierto tiempo y la
temperatura del agua se equilibra finalmente al valor deseado por el
operador, siempre y cuando no hayan cambiado las condiciones del proceso.
25
Ventajas y limitaciones
Según manual de instrumentación industrial CEDIC (2007), las ventajas
y limitaciones de son sistema de control son las siguientes:
Un control de proceso manual no es muy confiable ya que depende
continuamente de la intervención el hombre.
El tiempo de respuesta del control depende de la habilidad del
operador. Su intervención se realiza en forma intermitente.
El producto final obtenido no es continuo. En consecuencia, puede
llegar a ser no homogéneo.
Por su característica de no ser auto regulable, puede existir la
posibilidad de cometer errores.
Sistema de control automático
Según Creus (2007), el controlador permite en el proceso, cumplir un
objetivo de transformación del material y realiza dos funciones:
Comparar la variable medida con la de referencia o deseada (punto de
ajuste), para determinar el error.
Estabilizar el funcionamiento dinámico del lazo de control mediante
circuitos especiales para reducir o eliminar el error.
Ventajas y limitaciones
El control de proceso automático no requiere la intervención continua
del
operario, sino para nuevos ajustes esporádicos, en caso de ser
necesario.
El tiempo de respuesta es casi instantáneo y continuo.
El producto final obtenido es continuo y homogéneo.
26
Auto regulable por efectos de la reacción constante para la cual fue
diseñado.
Luego de iniciado el funcionamiento, la posibilidad de error es casi
nula.
Controladores
Según Creus (2007), el comportamiento de un circuito de control
depende de las características de cada uno de sus elementos, los cuales son
múltiples y variados, entre ellos tenemos uno de vital importancia: El
controlador es un dispositivo que mide el comportamiento del circuito de
control, compara el valor de la variable con el punto de ajuste y realiza la
acción correctiva correspondiente al error. La habilidad de un controlador
para producir un buen control depende de corno se acoplen sus
características con las del proceso.
El controlador debe ajustarse cuidadosamente a las condiciones
particulares de cada proceso. Los controladores, hoy más que nunca son de
gran importancia en el dominio de las variables de los desarrollos industriales
de una manera automática, pues permiten realizar tareas de control
ininterrumpidamente, lo cual reduce los gastos de operación y aumenta la
productividad y la calidad.
Principios de funcionamiento de los controladores
Según Creus (2007), los elementos ya mencionados están
interconectados entre sí, siendo el primero en tomar acción el elemento de
medición, el cual censa los cambios de la variable y comunica una señal de
movimiento al sistema tobera obturador, que esté la corriente en una señal
neumática, la cual por ser muy débil requiere amplificación ya que el flujo de
27
aire que pasa por la restricción es muy pequeño. De allí la utilización del
relevador, el cual se encarga de amplificar esta señal en presión y volumen.
La señal de respuesta es proporcional a la diferencia entre el valor
deseado y el valor tomado por la variable, para lograr esta proporcionalidad,
generalmente se utiliza en los controladores proporcionales un fuelle, al que
se llama "fuelle proporcional", siendo la banda o faja proporcional el
dispositivo encargado de variar esta proporcionalidad, conocida también con
el nombre de ganancia.
Controladores neumáticos
Según Creus (2007), los controladores neumáticos poseen una serie
de elementos comunes, de los cuales unos son opcionales y otros básicos,
es decir, que sin ellos el instrumento no trabajaría, y sus elementos básicos
son los siguientes:
Elementos básicos
Para Creus (2007), son los elementos comunes a todos los
controladores neumáticos. Si faltase alguno de ellos el instrumento dejaría de
realizar su trabajo. Entre ellos puede haber diferencia de diseño, pero
ejecutan la misma función.
Elemento primario de medición
Los elementos primarios utilizados en los diferentes controladores
neumáticos dependen del tipo de variable por controlar. Comúnmente se
utilizan: el fuelle, el diafragma, el bourdón, el pistón, el desplazador, el
flotador y el bulbo capilar. Su función, en términos generales, es la de dar
28
indicación proporcional de los valores reales de la variable considerada en el
proceso.
Válvulas manuales
Según Roffel y Betlem (2005: 120), una válvula manual, desde el punto
de vista técnico, es un orificio de un área variable que se modifica
accionándola manualmente, con el fin de regular el flujo de fluido que pasa a
través de ella. Usualmente sus nombres obedecen a la forma como esté
diseñado el obturador en el cuerpo de la válvula. Dentro de los tipos de
válvulas manuales más utilizadas, se encuentran las siguientes: de aguja, de
compuerta, de tapón y tipo globo.
Las válvulas manuales se usan en una gran cantidad de procesos tanto
domésticos como industriales. En los primeros se usan para regular los flujos
de agua potable y el flujo de gases; en los segundos, para ajustar el flujo de
fluidos con el fin de controlar variables como presión, nivel y temperatura,
entre otros.
Tipos de actuadores
Neumáticos
Según manual de instrumentación (2005), los actuadores neumáticos
son aquellos que requieren una señal de presión de un fluido gaseoso (aire,
gas natural y otros) para generar la fuerza requerida con el fin de accionar el
tapón u obturador en el cuerpo de la válvula. Los actuadores neumáticos se
pueden agrupar según la forma y material de diseño de la superficie donde
se aplica la presión para generar la fuerza.
29
Acciones de las válvulas
Según manual de instrumentación (2005), las acciones de las válvulas
son:
Directas
Es aquella acción en la cual la válvula se cierra al aplicar aire sobre el
diafragma o se abre, cuando se quita el aire. Se dice, entonces, que la
válvula es aire para cerrar (ATC o Fo). Si el cuerpo de la válvula no es
reversible y la conexión de aire está colocada en la parte superior, se puede
afirmar, que la válvula es de acción directa.
Este tipo de acción se requiere cuando se desea que, por razones de
seguridad, la válvula quede abierta ante un defecto del sistema donde está
trabajando, cuando le falla la señal de aire aplicado al diafragma. Por
ejemplo, una aplicación muy frecuente de estas válvulas son los sistemas
desventeo o de alivio de presión de las plantas industriales.
Inversa
Una válvula tiene acción inversa cuando al aplicársele aire sobre el
diafragma, se abre o se cierra cuando se le quita el aire. A esta válvula se le
llama aire para abrir (ATO). Si el cuerpo de la válvula no es reversible y la
conexión de aire está colocada por debajo del diafragma, se puede decir que
la válvula es de acción inversa.
Controlador lógico programable (PLC)
Manual de automatización flexible en la industria (1991), los PLC o PLC
(Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) hoy en día, los PLC
30
no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y
procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones
aritméticas, manejar señales analógicas para realizar estrategias de control,
tales como controladores proporcional integral derivativo (PID).
Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y
computadoras en redes de área local, y son una parte fundamental de los
modernos sistemas de control distribuido.
Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más
utilizados son el diagrama de escalera LADDER, preferido por los
electricistas, lista de instrucciones y programación por estados, aunque se
han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar
algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de
interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente, preferido por los
informáticos y electrónicos, es el FBD (en inglés Function Block Diagram)
que emplea compuertas lógicas y bloques con distintas funciones
conectados entre sí.
La principal diferencia con otros dispositivos son las conexiones
especiales de entrada/salida. Estas conexiones conectan el PLC a sensores
y actuadores. Los PLC leen interruptores, indicadores de temperatura y las
posiciones de complejos sistemas de posicionamiento. Algunos incluso
pueden llegar a utilizar visión artificial. En los actuadores, los PLC pueden
operan motores eléctricos y neumáticos, cilindros hidráulicos o diafragmas,
reles magnéticos y solenoides. Las conexiones de entrada/salida pueden
estar integradas en un solo PLC o el PLC puede tener módulos de
entrada/salida unidos a una red de ordenadores que se conecta al PLC.
Los PLC fueron inventados como recambio para sistemas automáticos
que podrían llegar a usar cientos o miles de relés y contadores. A menudo,
un solo PLC puede programarse para reemplazar miles de relés. Los
controladores programables fueron inicialmente adoptados por la industria
del automóvil, donde la revisión del software reemplazo a la reescritura o
31
rediseño de los controles cada vez que cambiaban los modelos que se
producían.
Equipos y herramientas
Según Baca Urbina (2001), cuando se llega el momento de decidir
sobre la compra de los equipos y herramientas, se debe tomar en cuenta una
serie de factores que afectan directamente la elección. La mayoría de la
información que es necesaria recabar será útil en comparación de varios
equipos y también es la base para realizar una serie de cálculos y
determinaciones posteriores. A continuación se mencionan toda la
información que se debe recabar y la utilidad que se esta tendrá en etapas
posteriores:
Proveedor. es útil parta la presentación formal de las cotizaciones.
Precio. se utiliza en el cálculo de la inversión inicial.
Dimensiones. dato que se usa al determinar la distribución de planta.
Capacidad. este es un aspecto muy importante, ya que, en parte, de él
depende el número de máquinas que se adquiere.
Flexibilidad. esta característica se refiere a que algunos equipos son
capaces de realizar operaciones y procesos unitarios en ciertos rangos
y provocan en el material cambios físicos, químicos y mecánicos en
distintos niveles.
Costo de mantenimiento. se emplea para calcular el costo anual del
mantenimiento.
Consumo de energía eléctrica, otros tipos de energía o ambas. sirve para
el cálculo de este tipo de costo. Se indican en una placa que traen todos
los equipos, para señalar su consumo en watts/h.
Infraestructura necesaria. se refiere a que algunos equipos requieren
alguna infraestructura especial (por ejemplo, alta tensión eléctrica), y es
32
necesario conocer esto, tanto para proveerlo, como porque incrementa
la inversión inicial.
Equipos auxiliares. hay máquinas que requieren aire a presión, agua
fría o caliente y proporcionar estos equipos adicionales es algo que
queda fuera precio principal. Esto aumenta la inversión o requiere de
espacio.
Caracterización del proceso: modelos dinámicos lineales
Modelos lineales: son aquellas expresiones en las que se puede aplicar el
principio de superposición, de manera que su salida puede ser analizada
como la suma de las salidas de entradas superpuestas. Un modelo lineal
puede ser expresado como una ecuación diferencial temporal. Si los
coeficientes de dicha ecuación no cambian con el tiempo (son constantes) el
sistema se conoce como Sistema Lineal Invariante con el Tiempo.
Modelos no Lineales: son aquellas expresiones en las que no se puede
aplicar el principio de superposición, bien porque los coeficientes de la
ecuación diferencial temporal dependen de las variables del proceso
modelado o por desviaciones de la representación lineal.
Función de transferencia: el modelo se expresa como la relación entre la
transformada de Laplace de la salida y la transformada de Laplace de la
entrada, asumiendo que todas las condiciones iníciales son cero.
Las funciones de transferencia no muestran las características físicas
o estructurales del sistema, por lo que sistemas de naturaleza diferente
pueden tener funciones de transferencia idénticas.
Si se conoce la función de transferencia de un sistema, se puede
conocer, mediante funciones de entrada convenientes, la respuesta a
estímulos específicos.
33
Si no se conoce la relación exacta entre entradas y salidas de un
sistema, se puede aproximar su función de transferencia mediante la
observación experimental de su respuesta a estímulos específicos.
Diagramas de bloques
Es una representación gráfica de la función de transferencia de cada
componente de un sistema, permitiendo su combinación y deducción de la
función de transferencia global del sistema. Existen reglas para la
combinación de bloques y para la simplificación de diagramas, con los que
se facilita el uso de los mismos.
Representación en el espacio de estados
Esta técnica, a diferencia de las anteriormente referidas, se desarrolla
en el dominio del tiempo y puede ser utilizado en sistemas lineales o no
lineales y de múltiples entradas y salidas. A continuación alguna definiciones:
Estado: conjunto mínimo de variables, conocidas como variables de estado,
que permiten describir completamente el comportamiento dinámico de un
sistema, conociendo un estado inicial y la entrada del mismo.
Espacio de estados: espacio n-dimensional correspondiente a los ejes
asociados a las variables de estado que definen un sistema. Cualquier
estado del sistema puede ser definido como un punto en este espacio.
Representación de lazo de control
Normalmente, los sensores y elementos finales de control son lineales
o linealizados lo más posible a fin de no agregar complicación al lazo de
control. En la práctica, los sensores son bastante lineales, con tiempos de
respuesta reducidos, pudiéndose considerar constantes de proporcionalidad
34
como funciones de transferencia. Los elementos finales de control requieren
más estudio, al ser elementos que manejan niveles de energía importantes,
considerándose normalmente tiempos de retardo y tasas limitadas de
actuación.
La función de transferencia del algoritmo de control, en cambio, puede
ser muy variada. En principio, se establece una filosofía de control, lo que
determina la visión de cómo controlar el proceso. Las filosofías de control
más comunes son: Control binario (On/Off), realimentación (Feedback),
adelanto (Feed forward).En la retroalimentación se espera la existencia de
una desviación y luego se procura corregirla. En el adelanto, se procura
evitar las desviaciones antes de que sucedan.
Acción de control binario (On/Off): también conocido como “Control por
límites”, esta estrategia prevé una acción de control sólo si la variable excede
algún límite, bajo o alto, previamente establecidos. En consecuencia, existirá
una banda de valores permisibles para la variable controlada donde no se
modificará la acción de control, la cual es conocida como banda muerta, o
banda diferencial.
Acción de control por realimentación: el control por realimentación es la
filosofía de control más común en la industria. El estado deseado es
comparado con el estado actual del proceso y se emite una acción en base a
la desviación observada a fin de corregirla. Existen múltiples variantes en las
cuales se utilizan algunos de los términos del modelo PID, siendo los más
comunes los controladores proporcionales puros y los proporcionales-
integrales.
Control termodinámico
Tal como lo expone Martínez (2008), un control termodinámico es un
estudio que se realiza sobre variables que vienen vinculados al flujo de una
sustancia que se denomina volumen de control. En un tubo de flujo se puede
35
considerar una determinada región que se llama volumen de control. Esta
región fluye el fluido experimentando cambios debido a fuerzas y otras
interacciones físicas. El volumen de control está limitado por una superficie
de control. Cuando una masa de fluido pasa por el volumen de control
acarrea sus propiedades físicas: su masa, su energía, su entropía, su
momento angular, su momento lineal, su número de partículas, etc. Estas
magnitudes pueden experimentar cambios al pasar por el volumen de
control.
Ecuaciones generales aplicadas a un volumen de control
La elección del sistema termodinámico puede interesar hacerla para
una cantidad de sustancia constante dada (masa de control) o para la
cantidad de sustancia que en cada instante esté dentro de un recinto dado
(limitado por paredes físicas o imaginarias); el análisis de estos últimos se
llama de volumen de control o de sistema abierto o de sistema de flujo.
Estos sistemas suelen ser los de mayor interés práctico pues facilitan el
estudio del flujo de fluidos a través de conductos, válvulas de restricción,
cambiadores de calor, compresores y turbinas rotodinámicas, cámaras de
mezcla, cámaras de combustión, reactores químicos de flujo, ondas de
choque, llamas, etc., etc.
Para simplificar la exposición se limitará en este apartado al estudio de
sistemas simples compresibles, los cuales están constituidos por una
sustancia de composición fija (no hay difusión de especies ni reacciones
químicas), de propiedades isotrópicas y sin cargas eléctricas ni magnéticas,
lo suficientemente grandes para que los efectos superficiales sean
despreciables (para estos sistemas y tomando una referencia espacial
galileana, el único campo de fuerzas aplicado además de la limitación del
volumen es un campo gravitatorio uniforme), y la ecuación energética
fundamental es dU=TdS-pdV.
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El análisis de volumen de control no introduce conceptos
termodinámicos nuevos; todo el formalismo termodinámico desarrollado para
una masa de control sigue siendo válido y el único objetivo aquí es reescribir
las ecuaciones de conservación de la masa, cantidad de movimiento y
energía, y la de producción de entropía, para un caso genérico de sistema
termodinámico permeable a la materia. Obviamente, los datos que se
necesitan sobre el comportamiento macroscópico de la materia en el estado
de equilibrio termodinámico no dependerán de si el análisis se centra en una
masa de control o en un volumen de control, así que el potencial
termodinámico o las ecuaciones de estado serán los mismos (normalmente
se supondrá conocido v=v (T,p) y cp=cp(T,p+O)).
Antes de formular las ecuaciones para un volumen de control,
recordemos las de una masa de control limitada por una superficie
impermeable y móvil, A, cuyo volumen V encierra la masa constante, m, del
sistema en su evolución. Sobre este sistema se considera que actúa un
campo gravitatorio uniforme que da lugar a una fuerza hacia abajo, mg,
sobre el centro de masas, y que sobre la frontera actúa una fuerza exterior fA
por unidad de área y un flujo de calor a por unidad de área y de tiempo (el
calor que realmente entra será -a. ñ, siendo R la normal exterior).
Paralelamente a esta notación termodinámica (que sólo utiliza
variables globales del sistema, como la velocidad del centro de masas) se va
a presentar la notación usual en mecánica de fluidos (donde se utilizan
variables interiores, como la velocidad en cada punto del sistema) y que, de
momento, sólo diferirán en que la fuerza superficial se expresa en función del
llamado tensor de esfuerzos de manera que 7, = 7. ñ, siendo ñ el vector
normal exterior al elemento de área dA.
El objetivo de esta doble presentación es dejar claramente
establecidas las similitudes y diferencias entre el planteamiento
termodinámico (modelo de sistema de caja negra donde no se mira el interior
del sistema sino sólo los intercambios a través de su frontera) y el de la
37
Mecánica de fluidos (donde el tamaño de la 'caja negra' se reduce a una
porción tan pequeña del sistema que se pueda considerar en equilibrio local,
y por tanto, se estudia el estado termodinámico de todas las partes del
sistema).
Las ecuaciones para una masa de control en una evolución
infinitesimal dt serán:
Balance másico
Esta operación desarrolla un balance global donde solamente se
conserva el flujo másico. Una aplicación es el modelamiento de reactores
con estequiometria desconocida y disponiendo de los análisis de todos los
alimentos y productos. Si se especifican las composiciones de todas las
corrientes y el flujo para todas excepto una de las corrientes conectadas, la
operación “Más Balance” determinará el flujo de la corriente desconocida.
Esto es una aplicación muy común en unidades de alquilación,
hidrotratadores y otros reactores no estequiométricos. La ecuación que
sustenta esta característica es la siguiente:
Balance de cantidad de movimiento
La segunda ley de Newton, que establece la proporcionalidad entre las
fuerzas aplicadas sobre un sistema de partículas y el cambio en su cantidad
de movimiento, es válida también en el contexto de los medios continuos.
Para este tipo de cuerpos se establecen a continuación las expresiones
integrales y diferenciales de esta ley. En primer lugar se define el concepto
38
de cantidad de movimiento L de una región material cualquiera P t= ϕt(Po)
de un cuerpo continuo. Esta cantidad viene dada por la suma (integral) de la
cantidad de movimiento de cada una de las partículas que lo conforman, es
decir,
Balance energético
En este apartado se tratan por primera vez en el curso aspectos de los
medios continuos que no son puramente mecánicos. Se abordan, en
particular, cuestiones relacionadas con la transformación de la energía
mediante procesos mecánicos y térmicos, y su relación con el primer
principio de la termodinámica.
Recordamos, en primer lugar, el concepto de potencia, definido de
forma genérica como el trabajo realizado por unidad de tiempo. Sus unidades
en el sistema internacional son los watios (W = Pa/s). En el contexto de los
medios continuos consideramos Pt una región material cualquiera. Se define
la potencia mecánica Pext que se realiza sobre ella como el trabajo por
unidad de tiempo que efectúan las fuerzas exteriores, es decir,
Generación de entropía
La entropía está relacionada con la aleatoriedad del movimiento
molecular (energía térmica), por esto, la entropía de un sistema no decrece si
39
no hay cierta interacción externa. Ocurre que la única manera que el hombre
conoce de reducir la energía térmica es transferirla en forma de calor a otro
cuerpo, aumentando así la energía térmica del segundo cuerpo y por ende
su entropía.
Por otro lado transfiriendo energía térmica es posible reducir la
entropía de un cuerpo. Si esta transferencia de energía es reversible, la
energía total permanece constante, y si es irreversible la entropía aumenta.
De lo anterior se concluye que el calor es un flujo de entropía. En el caso de
la transferencia de energía mecánica, de trabajo, no hay un flujo directo de
entropía.
Si la transferencia de energía mecánica en un sistema se realiza con
irreversibilidad se producen aumentos de entropía en el sistema, es decir se
generan entropía. Esta generación de entropía trae consigo una pérdida de
trabajo utilizable debido a la degradación de la energía mecánica producido
por las irreversibilidades presentes como lo es el roce. La fórmula que define
la generación de la entropía es:
Definición de términos básicos
Amalgamas: la mezcla homogénea de dos o más metales: en la mayor parte
de los casos se denomina aleación (ejemplo típico de una disolución de
sólido en sólido), especialmente se denomina amalgama cuando uno de los
metales es el mercurio (en condiciones normales en estado líquido) (José
Oriol Ronquillo, 1851)
40
Automatización: la acción o método por el cual se realiza un proceso o
sistema de fabricación sin la intervención del operador. Palabra corriente
para designar el ser automático (Mendiburu, 2006, p.16).
Calibración: ajuste de la salida de un instrumento a valores deseados dentro
de una tolerancia especificada para valores particulares de la señal de
entrada (Roffel y Betlem, 2005).
Campo de medida (rango): espectro o conjunto de valores e la variable
medida que esta comprendidos dentro de límites superior e inferior de la
capacidad de medida o de transmisión del instrumento. Viene expresado
(Roffel y Betlem, 2005)
Caustificación: la función de la caustificación es convertir carbonato de sodio
en hidróxido de sodio (Ángel Vian Ortuño, 1998)
Circuito cerrado (circuito de retroalimentación): consiste en varias unidades
de control automático conectadas de manera que den una trayectoria de
señal que incluye un cambio de avance, un camino de realimentación y uno
punto de adición algebraica de señales. La variable controlada se mide
constantemente y si se desvía de la prescrita, se aplica una acción correctiva
al elemento final (válvula de control u otro) en tal sentido que vuelva la
variable controlada al valor deseado (Roffel y Betlem, 2005)
Computador: aparato que recibe información de entrada, la cual se procesa,
dando una información d salida según un programa preestablecido (Modulo
de instrumentación industrial (Creus, 2007)
Computador digital: instrumento en el cual la información se representa en
forma numérica (Creus, 2007)
Control de procesos discontinuos: sistema de control en el cual se elimina
automáticamente la acumulación de la acción integral que tiene lugar en un
controlador proporcional más integral, cuando la variable controlada cae por
debajo del punto de ajuste durante un tiempo suficiente (Roffel y Betlem,
2005).
41
Control de realimentación: sistema de control en el que se compara una
variable medida con un valor deseado (punto de ajuste) y la señal de error
obtenida actual de tal modo que reduce la magnitud de este error (Roffel y
Betlem, 2005).
Control final (elemento de): componentes de un sistema de control tal como
una válvula que regula directamente el flujo de energía o de materia que va
al proceso (Roffel y Betlem, 2005).
Controlador: dispositivo que produce una señal de salida que se puede
modificar para mantener la variable controlada en un valor determinado o
dentro de límites en forma particular. Un controlador automático cambia su
salida automáticamente en respuesta a una entrada directa o indirecta de
una variable de proceso. Un controlador manual es una estación de carga
manual y su salida no depende de la variable de proceso medida, sino que
se puede modificar a voluntad del operador. Un controlador puede integrarse
con otros elementos funcionales del circuito de control (Roffel y Betlem,
2005).
Controlador de acción directa: controlador en el que la señal de salida
aumenta al aumentar la señal de entrada o viceversa (Roffel y Betlem,
2005).
Controlador de acción inversa: controlador en el que la señal de salida
disminuye al aumentar la señal de salida o viceversa (Roffel y Betlem, 2005).
Diagrama de Bode: un Diagrama de Bode es una representación gráfica que
sirve para caracterizar la respuesta en frecuencia de un sistema.
Normalmente consta de dos gráficas separadas, una que corresponde con
la magnitud de dicha función y otra que corresponde con la fase. Recibe su
nombre del científico que lo desarrolló, Hendrik Wade Bode. (Ogata K, 1998).
Diseño: se refiere al proceso de creación y desarrollo para producir un nuevo
objeto o medio de comunicación (objeto, proceso, servicio, conocimiento o
entorno) para uso humano.
42
Electrolisis: es el proceso que separa los elementos de un compuesto por
medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los
cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los
aniones en el ánodo (una oxidación) (Loretta Jones, 2006).
Entropía: en termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es
una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de
la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de
estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el
transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La entropía describe lo
irreversible de los sistemas termodinámicos (Clausius R, 1850).
Error: diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el
instrumento y el valor real de la variable medida (Roffel y Betlem, 2005).
Error de angularidad: desviación de los puntos de la curva de los valores de
salida del instrumento, con relación a la recta que relaciona la variable de
entrada con la salida de un instrumento ideal sin error y coincidiendo los dos
en los puntos 0 y 100% del campo de medida (Roffel y Betlem, 2005).
Error de cero: desplazamiento constante de todos los valores de salida del
instrumento con relación a la recta que relaciona la variable de entrada con la
salida de un instrumento ideal sin error (Roffel y Betlem, 2005).
Error de multiplicación: aumento o disminución progresiva de todos los
valores de salida del instrumento con relación a la recta que relaciona la
variable de entrada con la salida de un instrumento ideal sin error (Roffel y
Betlem, 2005).
Higroscópica: es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder
humedad al medioambiente (Laura Estefanía, 2004).
Instrumentación: aplicación de los instrumentos a un proceso con el
propósito de medir y regular su actividad, también se aplica esta palabra a
los propios instrumentos (Roffel y Betlem, 2005)
Instrumento: cualquier dispositivo que realice una función de medición o
regulación en un proceso (Roffel y Betlem, 2005).
43
Isotrópico: es la característica de los cuerpos cuyas propiedades físicas no
dependen de la dirección. Es decir, se refiere al hecho de que
ciertas magnitudes vectoriales conmensurables, dan resultados idénticos con
independencia de la dirección escogida para dicha medida. Cuando una
determinada magnitud no presenta isotropía decimos que
presenta anisotropía (Guillermo Aguilar, 1983)
Lazo abierto: sistema de control si retroalimentación (Roffel y Betlem, 2005).
Lazo cerrado de control: camino que sigue la señal desde el controlador
hacia la válvula, al proceso y realimentándose a través del transmisor hacia
un punto de suma con el punto de ajuste (Manual de instrumentación, 2005)
Oscilación: es el movimiento repetido de un lado a otro en torno a una
posición central, o posición de equilibrio. El recorrido que consiste en ir
desde una posición extrema a la otra y volver a la primera, pasando dos
veces por la posición central, se denomina ciclo (Ángel calleja, 1857)
Proceso: cualquier operación o secuencia de operaciones que involucran un
cambio de energía, composición, dimensiones o de cualquier otra propiedad
que se pueda definir como respecto a una referencia (Roffel y Betlem, 2005)
Proceso industrial: consiste en una operación o series de operaciones en las
cuales se agrega o sustrae energía en algunas de sus formas, para
mantenerlo en estado de balanceo o equilibrio. En los procesos industriales,
aunque parezcan diferentes unos de otros, tienen fundamentos básicos
comunes como son la medición y el control que en ellos se utilizan para
ganar eficiencia y economía, tratando en lo posible de evitar el error humano,
y obteniendo así un balance continuo o equilibrio del proceso (Roffel y
Betlem, 2005)
Programador: instrumento que ajusta su propio punto de ajuste o bien el
punto de ajuste de otro instrumento controlador de acuerdo con un programa
prefijado (Roffel y Betlem, 2005)
Proporcional (banda): es el número inverso de la ganancia expresado en
porciento. Se refiere al porcentaje de la amplitud de la escala de medición del
44
regulador sobre el cual se divide la carrera total de la válvula de control
(Roffel y Betlem, 2005).
Salmuera: es agua con alta concentración de sal (NaCl) (Juan Antonio
López, 2005).
SCADA: es un sistema basado en computadores que permite supervisar y
controlar variables de proceso a distancia, proporcionando comunicación con
los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el
proceso de forma automática por medio de un software especializado.
También provee de toda la información que se genera en el proceso
productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros usuarios
supervisores dentro de la empresa (supervisión, control calidad, control de
producción, almacenamiento de datos, etc.) (Alquilino Rodríguez, 2007)
Señal: información en forma neumática, de corriente eléctrica o de posición
mecánica que se transmite de un componente de un circuito de control a otro
(Roffel y Betlem, 2005).
Señal de entrada: la que entra en el instrumento, por ejemplo la que el
controlador envía al operador de la válvula (Roffel y Betlem, 2005).
Señal de salida analógico: señal de salida del instrumento, por ejemplo la
que el consolador envía al operador de la válvula (Roffel y Betlem, 2005).
Señal de salida digital: señal de salida del instrumento que representa la
magnitud de la variable medida, en forma de una serie de cantidades
discretas codificadas en un sistema de notación (Roffel y Betlem, 2005).
Set-point: es cualquier punto de ajuste de alguna variable de un sistema de
control automático. Puede ser: Nivel; presión, temperatura; desplazamiento;
rotación; entre otros ( Mona Villapiano, 2001)
Sistema: se refiere generalmente a todos los componentes de control
incluyendo el proceso, la medición, el controlador y la válvula de control junto
con otros equipos adicionales que pueden contribuir a la operación del
proceso (Mendiburu, 2006)
45
Temperatura ambiente: temperatura que prevalece en un ambiente dado
(Mendiburu, 2006)
Termopar: es un dispositivo compuesto de dos metales diferente que genera
una pequeña tensión en función de la diferencia de temperaturas entre la
unión que hace la medición y la unión que sirve de referencia; esta tensión
puede ser medida y su magnitud sirve de medición de la temperatura en
cuestión (Roffel y Betlem, 2005).
Tubo bourdón: tubo manométrico curvado de metal elástico que se deforma
al aplicar presión en su interior (Roffel y Betlem, 2005).
Valor: el nivel de la señal que se mide o regula (Mendiburu, 2006).
Válvula de control: dispositivo diferente a la válvula común de dos
posiciones, operadas manualmente, que manipula en forma directa el flujo de
una o más corrientes de flujo de procesos. Esta también es conocida como
elemento final de control (Roffel y Betlem, 2005).
Variable: un nivel, cantidad u otra condición que está sujeto a cambios, y que
puede ser controlada (Roffel y Betlem, 2005).
Variable controlada: dentro de un lazo de control es la variable que se capta
a través del transmisor y que origina una señal de realimentación (Roffel y
Betlem, 2005).
Variable manipulada: la que modifica el equipo automático de control de
modo que cambie la variable controlada y hace que coincida con el valor
deseado (Roffel y Betlem, 2005).
Variable medida: cantidad, propiedad o condición física que es medible
(Roffel y Betlem, 2005).
46
Cuadro 1
Operacionalización de la variableObjetivo General: Analizar la efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago
Objetivos específicos Variable Dimesión Indicador Items
Identificar las variables termodinámicas básicas que integran el lazo de control en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Control termodinámico
Variables termodinámicas
Presion Temperatura Volumen
Describir el proceso de control presente en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago
Proceso de control
Transmisores Controladores Indicadores Válvulas Sensores Actuadores Conversores
Analizar la eficiencia térmica del consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Eficiencia térmica
Balance masico Balance de la cantidad de movimiento Balance de la cantidad de energía Balance de entropia
Establecer la efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Fuente: Guerrero y Pianeta (2012)
47
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
Tipo de investigación
De acuerdo con el propósito planteado por la presente investigación,
que establece su naturaleza, mostrado por cada uno de sus objetivos, el
nivel de conocimiento desarrollado se define como un estudio del tipo
descriptivo, que de acuerdo con Hernández y otros (2006:255), es aquella
que busca especificar las propiedades, características, particularidades,
especificaciones y los perfiles de los eventos que se presentan en una
situación dada, demostrando los ángulos y las dimensiones que la
componen.
Basado en estas consideraciones, la presente investigación busca
especificar las propiedades, características y los perfiles que componen el
control termodinámico en el consumo de vapor del proceso de producción
cloro soda de las plantas establecidas en la Costa Oriental del Lago, para lo
cual, con los respectivos resultados se podrá obtener una visión integral del
conjunto y evidenciar las condiciones que presenta el contexto estudiado por
la investigación, lo cual brindará una perspectiva acerca de este fenómeno,
la manera como se experimentan, los medios que se usan para afrontar esta
situación.
Diseño de la investigación
Según el procedimiento llevado a cabo para el desarrollo de la presente
investigación se basará en un diseño no experimental que según Hernández,
48
Fernández y Baptista (2006), es la investigación que se realiza sin manipular
deliberadamente la variable o variables estudiadas. Con base a lo antes
mencionado, el estudio se ajusta con el diseño debido a que esta no sufre
cambio alguno, es decir, se estudiará el control del proceso, tal como se
presenta en su contexto natural, sin que de alguna manera las condiciones
en la función sean modificadas a consecuencia de los resultados a ser
alcanzado por el estudio.
Por otra parte, el desarrollo del estudio se realizará bajo un diseño
transeccional o transversal que, según Hernández y Baptista (2006),
recolectan datos en un sólo momento, en un tiempo único. Fundamentado en
lo antes mencionado, en la investigación el registro de la información
necesaria para sustentar análisis del consumo de vapor del proceso de
producción cloro soda y sus controles, se toma una sola vez en el transcurso
de toda la investigación.
Por último, se considera la fuente de donde se recolectan los datos,
definiendo la investigación un diseño de campo, que según Finol y Camacho
(2001) refiere los métodos a emplear cuando los datos que forman parte del
interés en la investigación son recolectados directamente de la realidad,
obtenidos a su vez de la experiencia empírica llamados comúnmente datos
primarios. En la presente investigación, los datos de interés en el análisis del
proceso de control utilizados en las plantas de producción cloro soda, se
tomó del mismo lugar donde se presenta la situación o se experimenta el
fenómeno.
Población y muestra
Luego de haber definido las características de la investigación en su
tipología y diseño, es igualmente necesario conocer quiénes suministrarán la
información suficiente para cumplir con los fines de esta. En este sentido,
Hernández y otros (2006:302) definen a la población como un conjunto de
49
elementos perfectamente delimitados sobre el cual se realiza un estudio. De
acuerdo con el autor antes mencionado, la población en el presente estudio
se encuentra conformada por el personal directivo operacional y supervisores
de las plantas de producción cloro soda, cuyo número es de 6 personas. La
selección de estos individuos se debe a que los mismos tienen una
vinculación directa con el proceso de consumo de vapor de estas plantas
por lo cual proveen de la información necesaria para evaluar la efectividad en
el control.
Cuadro 2
Cuadro de distribución poblacional
Cantidad Cargo Años de
experiencia
2 Gerente de Planta 20
2 Jefe de operaciones 10
2 Supervisor de operación 07
6 Total
Fuente: Guerrero y Pianeta (2011).
Luego de expuesto cual es la población de estudio se procede a
definir la muestra que según Hernández y otros (2000:303) es una parte
representativa de la población sobre la cual se aplica el estudio. Sin embargo
el número de elementos de la población de accesible y de fácil manejo para
los investigadores, por lo cual se puede interpretar que dentro de este
estudio se tomará todos y cada uno de los sujetos que conforman la
población.
De acuerdo con Méndez (2004:36), es denominado tipo censo
poblacional ya que los mismos serán utilizados en su totalidad, sin descartar
ninguno ni requerir de técnica de muestreo para la obtención de un grupo
representativo sobre el cual se pueda recolectar los datos necesarios para
50
conocer las estrategias y el control del proceso necesario para el adecuado
funcionamiento de las plantas de producción cloro soda de la costa oriental
del lago.
Técnica e instrumentos de recolección de la información
Las técnicas e instrumentos son los recursos utilizados para facilitar la
recolección y el análisis de los hechos observados. Debido a la naturaleza
del presente trabajo, se utilizaron técnicas sencillas y prácticas, las cuales
permitieron alcanzar de manera efectiva los objetivos trazados.
De acuerdo con lo anterior descrito, se utilizó como técnica la
observación directa, que según Balestrini 2002, "está basada en la
recolección de información por medio de elementos que serán observados".
En esta investigación se utilizó la verificación de la instrumentación
utilizada en campo, siguiendo los diagramas de instrumentación del área
para facilitar la ubicación de los equipos en planta. A estos elementos se
incluye la técnica de revisión bibliográfica.
Con base a esta última, se utilizaron los registros de cada una de la
variables tomadas en el proceso para conocer los parámetros de operación
real, de modo que al ser tratada por medio de los aspectos fundamentales de
los ciclos ideales de proceso, se pueda establecer las diferencias,
fluctuaciones y mejoras al proceso de control termodinámico en el proceso
de obtención de productos del cloruro de sodio.
Por parte de personas que han reunido contacto directo con la
muestra. En este trabajo se analizaron textos y materiales escritos
para buscar los hechos presentes que establecieron el rumbo de la
investigación, es decir, se consultaron documentos y textos que permitieron
acceder a antecedentes del problema en sí.
51
Validez del instrumento
Para la recolección de datos se utilizaron fuentes principales,
como los manuales de sistemas de distribución de vapor pertenecientes a
la inducción de la planta, así como los diferentes P&ID (diagrama de tuberías
e instrumentación) y PDF (diagramas de flujo de procesos), donde se
especifican con detalle la distribución de los servicios, además de cada uno
de los instrumentos y equipos que los consumen.
Otras fuentes de recolección de datos fueron los reportes de
producciones de cloro para el año 2008, así como el consumo de estos
servicios para el mismo año, lo que permitió definir alícuotas donde se
observaba la variación del comportamiento en el consumo del servicio para
el presente año.
La validez del instrumento, de acuerdo con Hernández y otros (2006),
es el procedimiento en el cual se establece relación del instrumento con las
variables que pretende medir y, la validez de construcción relaciona los ítems
del cuestionario aplicado; con los basamentos teóricos y los objetivos de la
investigación para que exista consistencia y coherencia técnica. Ese proceso
de validación se vincula a las variables entre si y la hipótesis de la
investigación. Esta investigación no requerirá la aplicación de validez ya que
los instrumentos usados en la adquisición de los datos pertenecen a las
plantas de producción cloro soda establecidas en la Costa Oriental del Lago.
Procedimiento de la investigación
Para el desarrollo de la presente investigación se siguieron los
siguientes pasos:
Se inició conociendo los detalles de la problemática para lo cual se
generaron los objetivos a lograr y se sustentó la importancia así como los
límites de la investigación.
52
Se procedió a la búsqueda de experiencias previas a la investigación, así
como también del sustento teórico necesario para dimensionar y definir la
variable de estudio.
Se estableció la metodología a seguir, tipificando el estudio y su diseño.
Se definió la población y la muestra, la técnica e instrumento de recolección
de datos, así como los métodos que garanticen la validez del contenido de
los resultados.
Por último se procesaron y presentaron los resultados, confrontándola
con la teoría manejada, de modo que se discutan las condiciones de cada
uno de ello, para que posteriormente se brinden las respectivas conclusiones
y recomendaciones.
53
CAPÍTULO IV
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
En este capítulo se representa los resultados a consecuencia del
análisis de la variable, que se involucra en toda la investigación, éste lleva a
cumplir una serie de pasos que permite adquirir los resultados planteados,
entre los cuales se encuentra la efectividad del control termodinámico en el
consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental
del lago.
En este sentido, se llega a encontrar las observaciones por medio de
la interpretación analítica de los resultados emanados por los registros de las
muestras tratadas. A partir de estas consideraciones se procede a analizar
los resultados que luego se interpretarán y se pondrán en discusión a través
de la teoría manejada en el desarrollo de la investigación dando una mayor
precisión y solidez. En el caso de la presente investigación la misma
fundamentará la efectividad del control termodinámico en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago, que
en todo caso ayuda a mejorar significativamente la aplicación del este en las
plantas que se dedican a esta actividad, que mostrará características y
propiedades específica de los compuestos usados, lo cual evidenciará al
mismo tiempo las ventajas de su uso.
De esta manera, la información suministrada por la aplicación del
instrumento de recolección de datos, se procederá posteriormente a generar
los resultados generado por el tratamiento de cada uno de los reactivos, a lo
que posteriormente se brindará un resumen global de estas apreciaciones
para comprender integralmente las circunstancias que encierra la efectividad
54
del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción
cloro soda de la costa oriental del lago.
Variables termodinámicas básicas que integran el lazo de control en
plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
De acuerdo con lo descrito en los manuales de la planta cloro-soda
que se encuentra descrito gráficamente en la figura 1, utiliza como materia
prima, la sal común de la cual mediante un proceso de descomposición
electrolítica, se obtiene cloro (Cl2), soda cáustica (NaOH) e Hidrógeno (H2).
La planta de cloro soda recibe energía eléctrica trifásica de 34,5 Kv en
corriente alterna, la cual se transforma en 110 voltios y se rectifica para
entregar 180.000 amperios de corriente continua a cada electrolizador.
La sal común, que constituye la materia prima principal, se trae desde
la salida de los Olivitos, a unos 30 kilómetros de la plata vía terrestre o se
trae por vía marítima desde las salinas de Araya (edo. Sucre) y Bonaire
hasta el muelle de manejo de sal y mediante correas transportadora, se
envía hasta el patio de almacenamiento en cual está diseñado para contener
17.000 m3 (19.500 TM aproximadamente) de sal, lo cual equivale a un
inventario de materia prima para treinta (30) días de operación de la planta a
máxima capacidad.
Una vez en el patio, la sal se lleva por medio de dos (2) “shovels”
hasta una tolva provista de un alimentador vibratorio y una cinta
transportadora que la transfiere a un elevador de canjilones, el cual descarga
a un silo de sal que suple a cuatro (4) saturadores verticales. El proceso
inicia con la preparación de una salmuera a una concentración aproximada
de 300 gr/lt, para lo cual se combina la salmuera agotada recirculada desde
la sala de electrolizadores, con la cantidad necesaria de agua
desmineralizada para disolver la sal.
Del área de saturación, la salmuera de transfiere a un tratamiento
primario, donde se trata químicamente con carbonato de sodio (Na2CO3) y
55
soda caustica (NaOH) para disminuir los niveles de calcio y magnesio
respectivamente. En el caso de ser necesario, se añade en el cloruro de
calcio (CaCl2) para mantener la relación en la salmuera tratada entre el calcio
y el magnesio proveniente de la sal fresca, mayor de dos (2).
La salmuera se transfiere a un clarificador y luego a un sistema de
filtración el cual comprende un filtrado primario con antracita y otro
secundario o pulido a base de celulosa vegetal; a objeto de eliminar todos los
sólidos en suspensión: Culminado el filtrado, la salmuera pasa a través de un
sistema de intercambio iónico, el cual se remueve la dureza (iones, calcio y
magnesio) a niveles extremadamente bajos (<25 ppb aproximadamente),
obteniéndose una salmuera pura. La salmuera pura se envía a la sala de
celdas, la cual tiene dos circuitos de 36 electrolizadores, de 30 celdas cada
uno y cada celda posee una membrana.
Figura 1. Esquema general del proceso de la planta cloro soda. Fuente:
PEQUIVEN (2005)
56
El hidrogeno separado de la soda cáustica, pasa por un sistema de
enfriamiento lavado y compresión, en donde se distribuye una parte hacia la
síntesis de ácido clorhídrico y el resto es venteado a la atmosfera. La soda
fluye por la gravedad desde los electrolizadores al tanque de circulación,
donde aproximadamente el 80% se destina a la unidad de concentración;
para llevarla de 32% a un 50% y luego a los tanques de despacho. El resto
se almacena en los tanques de soda al 32% desde donde se envía a otros
usos.
De lo anterior se desprende que dentro del sistema cloro soda otros
de los compontes que integran el proceso son las bombas que brindan flujo y
presión para el ingreso de la mezcla dentro de los diferente procesos por los
que se enfrentan. Dentro del diagrama presentado se puede observar que
estas se encuentran en los procesos de síntesis de ácido clorhídrico y a la
salida del tanque del HCl a 32%.
Así mismo, existen otros sistema que se presentan en dirección de
flujo hacia el cloro gas vinilos, para el despacho en cisternas, en la salida del
chillers, en la salida del tanque de salmuera ultra pura a la salida del tanque
de soda y a la salida del tanque de salmuera agotada a declorinación. Los
sólidos suspendidos que se asientan en el fondo del clarificador, son
movidos por un cono central de descarga, por medio de un rastrillo giratorio
lento, el cual es accionado por un motor en la parte superior del clarificador.
Desde el cono central, los sólidos salen del clarificador como lodo al 15% de
peso y entran por la succión de la bomba de subflujo del clarificador.
Estas bombas operan intermitentemente, bajo el control de un
temporizador, para bombear el lodo de la salmuera tratada. En la succión y
descarga de estas bombas se disponen de conexiones para lavar con agua
de alta pureza y así retirar cualquier obstrucción que pudiese ocurrir. La
salmuera es bombeada desde el tanque del filtro primario, bajo el control de
nivel, a través de la bomba de alimentación del filtro primario con una línea
de reciclo de flujo que dirige a la salmuera para protección de la bomba.
57
Figura 2. Diagrama de tubería e instrumentación del tanque de circulación de cáustica. Fuente: PEQUIVEN
58
(2005)
Tabla 1
Alícuotas de la planta cloro soda (Continuación)
TM DE CLORO REAL
TM DE CLORO PPTO
DO DC
8.880 9.083 29 317.206 7.936 26 288.780 9.083 29 319.186 8.649 28 307.354 9.521 29 317.831 8.951 28 30
0 31 28 31 28 30 29 31 28 30 29 31
Fuente (Pequiven, 2012)
59
60
La figura 3 muestra el esquema de circulación de las tuberías e
instrumentación implementado en el tanque de soda caustica, allí se puede
observar como el tanque recibe flujos de varias fuentes de abastecimiento,
entre ellas la ERE 401-006, la E4-P401 A/B que es un sistema de bombeo de
circulación de la caustica, así como otras fuentes que lo abastecen.
Cuando se contrasta este resultado con el presentado en la tabla 3 se
comprueba que el promedio anual de consumo de vapor estuvo ubicado más
en el mes de marzo, con un valor de 7136.80 TM. El total de registro de
consumo de vapor para los seis primeros meses del año fue de 38570 TM en
un promedio de consumo mensual de 6428.34 TM.
Proceso de control presente en el consumo de vapor en plantas de
producción cloro soda de la costa oriental del lago
A continuación se hace un acercamiento de lo experimentado en la
planta cloro soda, acerca del consumo de soda caustica (NaOH) con relación
al consumo de vapor que permita efectuar el balance de energía y de allí un
aprovechamiento máximo del proceso. La planta ha provisto de información
de un mes en específico del año, este fue el mes de febrero, donde a su vez
se puede observar un gráfico que ilustra su comportamiento, como medio de
fundamento a la realidad que se experimentó en ese período de tiempo, con
sus diferentes observaciones, presentada dentro de la tabla 4 y el gráfico 1,
respectivamente.
61
Tabla 2Resumen anual de la planta cloro soda (continuación)
CONTROL CONSUMO DE VAPOR
MES: FEBRERO
FECHA
I2:2FX55A.P1Consumo
téorico Alícuota téorica
Consumo real - Consumo téorico
I2:FX255A.P1 % Desviacion Producción de Cl2
Alícuota según I2:FX255A.P1
01/02/2010 243,29 189,378 0,7 53,91128935 28,47 270,54 0,9002/02/2010 265,88 185,1444 0,7 80,73805379 43,61 264,49 1,0103/02/2010 243,09 164,1276 0,7 78,95755062 48,11 234,47 1,0404/02/2010 208,81 175,959 0,7 32,84965833 18,67 251,37 0,8305/02/2010 228,10 138,537 0,7 89,55893682 64,65 197,91 1,1506/02/2010 204,91 169,5708 0,7 35,34375825 20,84 242,24 0,8507/02/2010 196,19 146,286 0,7 49,90210945 34,11 208,98 0,9408/02/2010 211,26 181,6479 0,7 29,61125906 16,30 259,50 0,8109/02/2010 246,18 172,8027 0,7 73,37769686 42,46 246,86 1,0010/02/2010 234,56 166,1688 0,7 68,39184846 41,16 237,38 0,9911/02/2010 213,19 144,0449 0,7 69,14059662 48,00 205,78 1,0412/02/2010 198,84 138,7198 0,7 60,12327348 43,34 198,17 1,0013/02/2010 217,13 170,2512 0,7 46,87834371 27,53 243,22 0,8914/02/2010 251,46 189,6804 0,7 61,77542821 32,57 270,97 0,9315/02/2010 250,29 189,756 0,7 60,52973998 31,90 271,08 0,9216/02/2010 223,70 189,2268 0,7 34,47539101 18,22 270,32 0,8317/02/2010 175,62 142,6572 0,7 32,96442344 23,11 203,80 0,8618/02/2010 169,95 118,5408 0,7 51,40931093 43,37 169,34 1,0019/02/2010 143,20 74,17872 0,7 69,02051951 93,05 105,97 1,3520/02/2010 79,40 81,4968 0,7 -2,100010843 -2,58 116,42 0,6821/02/2010 115,31 0 0,7 115,3114156 #¡DIV/0! 0,00 #¡DIV/0!22/02/2010 59,87 55,6416 0,7 4,225227588 7,59 79,49 0,7523/02/2010 74,35 0 0,7 74,34554995 #¡DIV/0! #¡DIV/0!
Fuente (Pequiven, 2012)
62
Se puede entender que el mayor valor de consumo se realizó el día
19, el cual obtuvo la cantidad de 1.35 TM de vapor entre TM de Cl2. El
comportamiento general fue oscilante desde el primer día hasta el antes
mencionado donde se presentó un pico de aumento, posteriormente
disminuyó con rapidez para el 21 de ese mismo mes correspondiendo así al
nivel de las alícuotas de diseño, para luego descender nuevamente a 0 para
los últimos días del mes.
Según lo establece el manual de la planta cloro soda, en uno de los
procesos donde existe una gran cantidad de intercambio de calor se
encuentra en el sistema de intercambio iónico. El rendimiento del sistema
aumenta al incrementar la temperatura de 20oC hasta 75oC. La salmuera
proveniente del tanque de alimentación del intercambio iónico corriente arriba
pasa a través del intercambiador de salmuera filtrada/declorinada, en donde
el calor es transferido de la salmuera caliente declorinada hacia la salmuera
filtrada más fría del tratamiento primario.
Este intercambiador de calor recupera calor de la salmuera
declorinada que va a saturación, el cual de otra manera se hubiese perdido
hacia la atmósfera en el área de saturación de la salmuera del proceso de
circuito cerrado. Puesto que, de cualquier manera, se necesita salmuera
caliente de hasta 80oC para alimentar los electrolizadores y la alta
temperatura de la salmuera caliente hacia las columnas de intercambio
iónico acelera el proceso de remoción de dureza del ión, este intercambio
cruzado de calor es un ajuste natural.
Normalmente, la rata de flujo de ambas corrientes pasa a través de
intercambiador de calor pero puede desviarse si la temperatura de la
salmuera hacia las columnas de intercambio iónico ocasiona un aumento en
la temperatura, por encima a los 75oC. La reducción del flujo de la salmuera
hacia las torres de intercambio iónico, circulando por el E 105 origina
temperaturas mayores a 75oC, ocasionando daños a las resinas,
revestimiento y empacaduras. Grandes pérdidas de calor en los meses de
62
lluvia exigen mayor temperatura para los saturadores de salmuera, para
mantener la concentración deseada de sal.
La temperatura de concentración de la salmuera del intercambio iónico
variará con la rata de flujo de la salmuera declorinada y la temperatura hacia
el intercambiador de calor. Aun cuando la temperatura de la alimentación de
la salmuera del intercambio iónico entre 60 a 65 oC, a condiciones de diseño,
el intercambiador iónico operará con efectividad entre 20 a 75oC; el único
efecto es la rata decreciente de remoción con temperatura por debajo de
60oC (cuyo efecto gráfico no es lineal): Sin embargo la capacidad total de
equilibrio de la resina, por tanto con una alimentación de dureza de entrada
(<1 ppm Ca y Mg) hacia el intercambio iónico, probablemente no habrá
ningún cambio notable en la longitud del ciclo de la columna entre
regeneraciones vs temperatura.
La máxima temperatura permisible de entrada del sistema de la
salmuera de 75oC está basada tanto en las limitaciones de la resina como del
equipo del sistema de intercambio iónico. El revestimiento de caucho dentro
de las columnas está calificado para unas temperaturas máximas mientras
que la temperatura de diseño de los recipientes para sello de código ASME
es de 77oC. El fabricante de resina de iones ha especificado un límite
superior de 80oC para evitar la hidrolización, lo cual ocasiona daños
irreversibles, mientras que la experiencia indica que es más seguro
permanecer por debajo de 75oC.
Eficiencia térmica del consumo de vapor en plantas de producción
cloro soda de la costa oriental del lago.
La alimentación de la cáustica entra al sistema por un punto terminal y
fluye a través de un conjunto de válvulas de control de alimentación, tal como
se aprecia en la figura 4. El flujo regulado de alimentación se mueve hacia el
tercer efecto, en donde puede mezclarse con un flujo recirculante
63
proveniente del flujo continuo. La mezcla entra por la parte superior de la
cámara de evaporación por donde fluye a través de tuberías en paralelo
verticalmente ubicado. El líquido descendente es calentado hasta la
saturación, a medida que absorbe el calor proveniente del vapor golpea la
superficie externa del tubo.
El agua es vaporizada del líquido, por lo tanto, hace que la cáustica
que queda en los tubos sea de una concentración superior. La cáustica en
una cámara caliente y una porción fluye hacia las bombas de recirculación.
El líquido remanente sale a través de las bombas de transferencia, una
válvula de control de nivel y los precalentadores, antes de entrar al
tratamiento secundario. La cáustica aún más concentrada es recolectada en
la cámara caliente del tratamiento secundario y las bombas de recirculación
mueven el líquido a través de los precalentadores hacia el evaporador del
tratamiento primario.
Porciones de este líquido pueden regresar por recirculación al
tratamiento secundario. A medida que el líquido alcanza su concentración
final en el evaporador el tratamiento primario, es bombeado a través de los
precalentadores de los tratamientos primarios y secundarios y fluye hacia el
enfriador del producto. Este flujo de salida del producto es controlado por una
válvula concentradora de nivel y sale de la planta por un terminal.
El vapor entra por una terminal y fluye a través de un separador de
vapor y es encaminado hacia el eyector y evaporador del tratamiento
primario. El vapor que entra fluye a través de una válvula de control, una
serie de sensores /controladores de temperatura, una válvula de alivio de
presión. La corriente es condensada, puesto que dona su calor latente a la
solución cáustica del enfriador que cae al interior de los tubos. A medida que
salen de la parte inferior los vapores fluyen hacia el separador de vapor en
donde el líquido remanente es removido por un eliminador de humedad.
Por el uso del mismo simulador se obtuvieron gráficos que muestran el
comportamiento de algunas de las relaciones que se midieron y que fueron
64
alcanzados por los valores mostrados en el instante mismo en la que fueron
recolectadas. De los gráficos 3 y 4, se pudo observar la destrucción de vapor
tanto bajo parámetros de diseño como a través de los datos actuales (reales)
donde se presenta un comportamiento diferentes, ya que una muestra una
línea recta con pendiente pronunciada y otra que decrece exponencialmente
de manera pronunciada dentro del rango de 0 a 0.005 mol de fracción para
posteriormente decrecer en temperatura pero algo más lenta pero con un
incremento de mol de fracción de vapor líquido.
Gráfico 1. Relación agua sodio en el proceso de soda caustica de la
planta cloro soda. Fuente: Guerrero y Pianeta (2012)
65
Gráfico 2. Relación liquido-vapor en el proceso de soda caustica de la
planta cloro soda. Fuente: Guerrero y Pianeta (2012)
Gráfico 3. Relación energía libre de Gibbs de la mezcla agua-sodio en el
proceso de soda caustica de la planta cloro soda. Fuente: Guerrero y
Pianeta (2012)
66
Gráfico 4. Relación volumen temperatura de la mezcla agua-sodio en el
proceso de soda caustica de la planta cloro soda. Fuente: Guerrero y
Pianeta (2012)
Para conservar el alto grado de eficacia de la membrana de
intercambio iónico, la salmuera en la entrada tiene que estar purificada a un
grado más alto que en los procesos tradicionales con mercurio o diafragma.
La etapa de precipitación sola no es suficiente para reducir las cantidades de
calcio y magnesio. Hay que prever una etapa de depuración de agua en una
segunda purificación.
El grafico 6 muestra la estructura posible de un sistema de purificación
de salmuera utilizado en el proceso de celdas de membrana. En el proceso
de ósmosis inversa, el agua salina presurizada es separada de las sales
disueltas mediante el paso a través de una membrana permeable, sin
embargo el agua debe de ser pretratada para evitar daños en la membrana.
El pretratamiento consiste en una etapa de cloración con cloro gas o
hipoclorito sódico para desinfectar el agua y prevenir el crecimiento biológico
67
que pueda causar fouling en las membranas; seguidamente se añaden
floculantes, normalmente sulfato de aluminio Al2(SO4)3 o sales férricas como
FeCl3 o Fe2(SO4)3, para evitar la aglomeración de las materias coloidales y se
ajusta el pH con ácido sulfúrico.
A continuación se añaden los agentes antiescalantes (polímeros) para
evitar la precipitación de sales en la membrana y se pasa a la etapa de
decloración donde se añade bisulfito sódico para eliminar el cloro residual
libre que podría corroer las membranas. En las cercanías de Martorell se
encuentra una desaladora de Ósmosis Inversa.
Los vertidos resultantes de la desalinización tienen un contenido
mayor en sales que las aguas marinas captadas, presentan diferencias de
temperatura, de alcalinidad y contienen las sustancias químicas utilizadas
durante los procesos de limpieza y en el proceso de depuración para evitar
daños en las membranas de ósmosis. Se estima que los vertidos
procedentes de una planta desaladora consisten fundamentalmente en un
98,5% de rechazo de agua con alto contenido salino y un 1,5% de agua de
lavado de filtros y productos de limpieza.
Efectividad del control termodinámico en el consumo de vapor en
plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago.
Así, la salmuera deberá ser tratada para eliminar los componentes que
puedan dañar las membranas según sus especificaciones. Se debe tener en
cuenta que las salmueras sufren un proceso de concentración para optimizar
el proceso electrolítico, y que esta operación puede comportar el incremento
de sustancias que dañen la membrana.
El cambio de proceso de producción de cloro no implica sustituir el
ciclo de depuración actual de la producción con mercurio, sino añadir una
etapa de purificación secundaria más específica. Después de una
presentación detallada de la fase de depuración del proceso actual de
68
Martorell, detallamos los tratamientos de la segunda purificación que se
hacen actualmente con resinas de intercambio iónico. Terminamos por la
esquematización de los sistemas de purificación de residuos salinos
procedente de una desaladora y de la industria minera.
Las resinas de intercambio iónico son un sistema efectivo para
separar iones del agua. En la industria del cloro se utilizan habitualmente
como complemento para la eliminación de la dureza de las salmueras en el
proceso con celdas de membranas. En el contexto de purificación,
intercambio de ión es un proceso rápido y reversible en el cual los iones
presentes en el agua son reemplazados por iones que provienen de la resina
de intercambio de iones. Los iones del agua son captados por la resina que
debe ser regenerada periódicamente para restaurarla a su forma iónica
original.
Hay dos categorías de resinas: las resinas del tipo gel y de
macroporos o de tipo de unión cruzada suelta. Sus estructuras básicas son
prácticamente la misma: la estructura de macromolécula es obtenida en
ambos casos por copolimerización. La diferencia entre ellas se basa en sus
porosidades. Las resinas tipo gel tienen una porosidad natural mientras que
las resinas tipo macroporos tienen una porosidad artificial adicional obtenida
por la adición de sustancias adecuadas.
Conforme a las instrucciones del suplidor de vapor las válvulas
siempre deben ajustarse para alcanzar una economía máxima de vapor
mientras que se asegura que haya suficiente venteo para remover cualquier
incondensable que hubiese. Es de particular preocupación la acumulación de
CO2, donde las mezclas con el oxígeno pueden llegar a ser altamente
corrosivas, por lo que los contenedores y elementos puede fallar permitiendo
escape de vapor y por ende la reducción de la operación de la planta.
Por lo tanto es importante saber que los gases hayan sido removidos
por el diseño, por medio de una bomba de vacío. En todo el proceso
estudiado se hace necesario mantener ciertos niveles de vapor que son
69
convenientes en la adecuada operación de la planta cloro soda. Estos
parámetros operativo facilita reconocer el balance de energía necesario sin la
necesidad de aplicar formula alguna.
Del proceso se pudo conocer que la mayor porción del vapor
consumido se realiza en los tres tratamientos donde cualquier pérdida de
temperatura puede desequilibrar las condiciones óptimas de producto. Pero a
pesar de que estos tres procesos, los cuales son continuos, manifiestan el
mayor de los intereses para los logros del aprovechamiento energético, uno
de las principales actividades se enfocó en el intercambio iónico.
Se dejó claramente expreso que la temperatura de concentración de la
salmuera del intercambio iónico variará con la rata de flujo de la salmuera
declorinada y la temperatura hacia el intercambiador de calor. Aun cuando la
temperatura de la alimentación de la salmuera del intercambio iónico entre
60 a 65 oC, a condiciones de diseño, el intercambiador iónico operará con
efectividad entre 20 a 75oC; el único efecto es la rata decreciente de
remoción con temperatura por debajo de 60oC.
70
CONCLUSIONES
Tomando en consideración los eventos que componen la efectividad
del control termodinámico en el consumo de vapor en plantas de producción
cloro soda de la costa oriental del lago, se llegan a generar las siguientes
conclusiones:
Al identificar las variables termodinámicas básicas que integran el lazo
de control en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago,
se conoció que el gas de alimentación entra al separador V-1 a una presión
de 850 Psig, una temperatura que oscila entre 90 y 100 °F y un flujo de 165
MMPCPD. Este separador es de tipo trifásico, donde el agua libre se
deposita en el fondo y se drena automáticamente.
La planta cloro-soda utiliza como materia prima, la sal común de la
cual mediante un proceso de descomposición electrolítica, se obtiene cloro
(Cl2), soda cáustica (NaOH) e Hidrógeno (H2). La planta de cloro soda recibe
energía eléctrica trifásica de 34,5 Kv en corriente alterna, la cual se
transforma en 110 voltios y se rectifica para entregar 180.000 amperios de
corriente continua a cada electrolizador.
Cuando se caracterizó los elementos del lazo del sistema de control
para el proceso de fraccionamiento del gas natural, se determinó que este
sistema que compara el valor de las variantes o condiciones por controlar
con un valor deseado y ejecuta una acción de corrección de acuerdo con la
desviación existente sin que el operario intervenga.
De la descripción del proceso de control presente en el consumo de
vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago, se
comprendo que utiliza como materia prima, la sal común de la cual mediante
un proceso de descomposición electrolítica, se obtiene cloro (Cl2), soda
cáustica (NaOH) e Hidrógeno (H2).
71
De esta manera, la salmuera se transfiere a un clarificador y luego a
un sistema de filtración el cual comprende un filtrado primario con antracita y
otro secundario o pulido a base de celulosa vegetal; a objeto de eliminar
todos los sólidos en suspensión: Culminado el filtrado, la salmuera pasa a
través de un sistema de intercambio iónico, el cual se remueve la dureza
(iones, calcio y magnesio) a niveles extremadamente bajos (<25 ppb
aproximadamente), obteniéndose una salmuera pura. La salmuera pura se
envía a la sala de celdas, la cual tiene dos circuitos de 36 electrolizadores,
de 30 celdas cada uno y cada celda posee una membrana.
Cuando se estableció la eficiencia térmica del consumo de vapor en
plantas de producción cloro soda de la costa oriental del lago, la distribución
de vapor tanto en bajo parámetros de diseño como a través de los datos
actuales (reales) donde se presenta un comportamiento diferentes, ya que
esta muestra una línea recta con pendiente pronunciada y otra que decrece
exponencialmente de manera pronunciada dentro del rango de 0 a 0.005 mol
de fracción para posteriormente decrecer en temperatura pero algo más lenta
pero con un incremento de mol de fracción de vapor líquido.
De acuerdo con la efectividad del control termodinámico en el
consumo de vapor en plantas de producción cloro soda de la costa oriental
del lago, se reconoció que para conservar el alto grado de eficacia de la
membrana de intercambio iónico, la salmuera en la entrada tiene que estar
purificada a un grado más alto que en los procesos tradicionales con
mercurio o diafragma. La etapa de precipitación sola no es suficiente para
reducir las cantidades de calcio y magnesio. Hay que prever una etapa de
depuración de agua en una segunda purificación.
Se dejó claramente expreso que la temperatura de concentración de la
salmuera del intercambio iónico variará con la rata de flujo de la salmuera
declorinada y la temperatura hacia el intercambiador de calor. Aun cuando la
temperatura de la alimentación de la salmuera del intercambio iónico entre
60 a 65 oC, a condiciones de diseño, el intercambiador iónico operará con
72
efectividad entre 20 a 75oC; el único efecto es la rata decreciente de
remoción con temperatura por debajo de 60oC
73
RECOMENDACIONES
Luego de obtenidos los resultados del estudio, se formulan una serie
de recomendaciones:
Realizar el mantenimiento adecuado (preventivo) a los intercambiadores
con la finalidad de mantener su eficiencia térmica ya que esta etapa de
precipitación sola no es suficiente para reducir las cantidades de calcio y
magnesio.
Realizar un continuo análisis operacional de las variables que intervienen
en el proceso, con el fin de llevar un control de las mismas y con ello crear un
historial del comportamiento de los sistemas de estabilización de
condensados de ambos trenes en un momento determinado.
La disminución de la temperatura de entrada y el aumento del GPM en la
corriente de alimentación a la planta, favorecen el incremento de la cantidad
de condensados obtenidos en la zona de estabilización.
A medida que se incrementa la tasa de líquidos procedentes, es
necesario aumentar el calor del rehervidor de la torre estabilizadora para
lograr la relación etano-propano. Las condiciones de presión para la
descarga de condensados de la planta es determinada por la presión de
diseño de la torre estabilizadora (470 psig).
Para los incrementos de flujos planteados de la tasa de líquidos (BPD)
procedentes de la planta RSJ, se observa que para presiones mayores a
1231,3 psig se obtienen incrementos de la relación mayores a 0.015.
El simulador comercial HYSYS puede emplearse satisfactoriamente para
monitorear el comportamiento de los principales equipos que conforman el
sistema estabilizador de cada uno de los trenes de la planta
74
BIBLIOGRAFÍA
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