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DISEÑO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO AUTOMATIZADO PARA EL
REACTOR R-1500 DE DUPONT DE VENEZUELA C.A
Realizado por:
Br. Jesús León M
C.I.: 14 580 057
Asesores:
Prof. Pascual Aljibes
Asesor Académico
Ing. Yenifer A. Ramírez
Asesor Industrial
Valencia, Julio de 2003
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
INTRODUCCIÓN
Para llevar a cavo el diseño del sistema de enfriamiento automatizado para el reactor R-
1500 del área de resinas de DuPont de Venezuela, C.A se realiza una evaluación de los dos
diseños existentes para el sistema de enfriamiento y posterior rediseño de estos. En base al
proceso de enfriamiento propuesto se diseña el sistema de control automático y se
seleccionan los equipos necesarios para el montaje del sistema de control. Finalmente se
estiman los costos de la implementación del diseño propuesto.
La investigación esta enmarcada en el área de transferencia de calor y control de procesos.
Dentro de la investigación se encuentran involucrados el estudio dinámico del sistema, así
como fenómenos de transporte de calor y diseño de equipos de procesos.
La metodología empleada en el desarrollo del trabajo consiste en la evaluación de los dos
diseños existentes del sistema de enfriamiento y rediseño del mismo en base a la evaluación
realizada. Luego se propone la alternativa de control y se diseña, seleccionando los equipos
necesarios para su montaje. Finalmente se estima el costo de la implantación de la
propuesta.
El trabajo esta estructurado en seis capítulos, el capítulo I contiene una descripción
detallada del problema que motiva este trabajo, los objetivos tanto general como
específicos y el alcance. El capitulo II muestra los antecedentes, así como una revisión
bibliográfica de los conceptos básicos relacionados con la investigación. En el capítulo III
se muestra una visión general del proceso de producción de resinas utilizado en la empresa.
Luego en el capítulo IV se realiza un resumen de las propuestas existentes para el diseño de
sistema de enfriamiento. En el capítulo V se realiza el rediseño del sistema de enfriamiento
del reactor, se seleccionan los equipos necesarios, se describe el proceso y cada uno de los
equipos que lo integran. El capítulo VI contiene el procedimiento utilizado en el diseño de
la estrategia de control. Por ultimo, se presentan las conclusiones y recomendaciones
derivadas de la investigación.
El presente trabajo pretende rediseñar y automatizar el sistema de enfriamiento del reactor
de resinas R-1500 de la planta DuPont de Venezuela. En lo académico representa una
fuente de consulta para trabajos futuros que comprenda el área de estudio. En lo personal,
representa el último requisito para optar al título de Ingeniero Químico.
CAPÍTULO I
Planteamiento del problema
El presente capítulo contiene una descripción detallada del problema que motiva este
trabajo de investigación, así como los objetivos, tanto general como específicos que se
pretenden lograr y el alcance que tiene la investigación. Adicionalmente, se dan a conocer
las principales razones que justifican su realización.
Formulación del problema
DuPont de Venezuela C.A. es una industria que se dedica a la fabricación de pintura
automotriz; esta empresa tiene una reconocida trayectoria a nivel nacional e internacional y
produce el 90% de la pintura utilizada por las principales ensambladoras del país.
En el área de resinas de DuPont de Venezuela, se tiene un reactor universal que opera por
carga. Está equipado para la fabricación de resinas tipo poliéster, alquídicas, acrílicas y
epóxicas, las cuales son utilizadas posteriormente para la manufactura de pinturas.
El proceso general de fabricación de las resinas consiste en las siguientes etapas: carga de
materiales a los tanques de alimentación del reactor, descarga del material de los tanques al
reactor, procesamiento de los materiales por medio de calentamiento (reacción), dilución de
las resinas, evaluación para determinar la calidad del producto, filtración y almacenaje
como producto intermedio.
Las resinas alquídicas y poliéster tienen una fase de carga de material sólido al reactor. Este
material es fundido durante la etapa de calentamiento en el proceso de reacción. Cuando
termina la fabricación de las resinas, el reactor queda a una temperatura muy alta, por lo
cual se tiene que enfriar para iniciar una nueva carga, como no existe un sistema de
enfriamiento para este equipo, el tiempo de espera es muy largo, lo que limita la producción
de resinas de la planta.
Situación actual
Una vez culminada la fabricación de la resina, se procede a la descarga para almacenarla.
El reactor de resinas R-1500 tiene una temperatura comprendida entre 220 y 250°C
aproximadamente; sin embargo por requerimientos de seguridad para realizar una nueva
carga, éste debe estar a una temperatura por debajo de 70°C. El proceso de enfriamiento
que actualmente se lleva a cabo es por convección natural al aire, produciendo una espera
de más de ocho (8) horas, para iniciar un nuevo ciclo de producción de resinas.
Actualmente, la empresa cuenta con dos diseños (no implantados) del sistema de
enfriamiento para el reactor, los cuales fueros realizados en el año 1998. Durante el año
2000 la empresa cambió el sistema de control del reactor; esta situación ocasiona que los
diseños del sistema de control del equipo de enfriamiento propuestos anteriormente
quedaran obsoletos, por lo cual no pueden ser utilizados.
De continuar esta situación, la producción de resinas de la planta seguiría limitada
principalmente al tiempo de enfriamiento del reactor, entre ciclos de producción, lo que
ocasiona pérdidas de tiempo y dinero a la empresa.
Situación deseada
DuPont de Venezuela, C.A. cuenta con un diseño del sistema de enfriamiento
automatizado para el reactor R-1500, el cual se ajusta al nuevo sistema de control y proceso
de producción de resinas de la empresa.
Justificación de la investigación
El constante aumento en la demanda de pintura ha traído como consecuencia el aumento en
la demanda de la producción de resinas, siendo ésta materia prima para la fabricación de las
pinturas. Por ello surge la necesidad de resolver todos los problemas que restrinjan la
productividad de la empresa; uno de estos problemas es la disminución del tiempo de
enfriamiento del reactor de resinas R-1500 de la planta DuPont de Venezuela. Para
solucionar esta situación la empresa requiere contar con un diseño del sistema de
enfriamiento automatizado para el reactor R-1500 que pueda ser instalado en el mismo sin
afectar las funciones que este realiza actualmente y que se adapte al sistema de control del
mencionado reactor.
La realización de este trabajo también constituye un aporte para la Universidad de
Carabobo como una referencia importante entre las pocas existentes, en materia de control
automático de proceso, en la escuela de Ingeniería Química de la mencionada universidad.
Finalmente la elaboración de este Trabajo Especial de Grado, permitirá a su autor cumplir
con el último requisito académico exigido para la obtención del título de Ingeniero
Químico, así como adquirir experiencia en temas como la automatización de procesos, y
profundizar conocimientos en materia de transferencia de calor y control de procesos
químicos.
Objetivos de la investigación
Objetivo general
Diseñar el sistema de enfriamiento automatizado para el reactor R-1500 del área de resinas
de DuPont de Venezuela, C.A.
Objetivos Específicos
Evaluar los dos diseños existentes para el sistema de enfriamiento del reactor R-1500.
Rediseñar el sistema de enfriamiento del reactor de resinas R-1500.
Diseñar el sistema de control automático del proceso de enfriamiento del reactor R-1500.
Seleccionar los equipos necesarios para el montaje del sistema de control automático en el
equipo de enfriamiento del reactor R-1500.
Estimar el costo de la implantación del diseño propuesto.
Alcance de la investigación
El desarrollo de la investigación permitirá establecer las condiciones de diseño y operación
en la que se debe realizar el proceso de enfriamiento del reactor. Por otro lado las
condiciones de operación podrán ser controladas gracias a una estrategia de control para
mantener la rutina normal de enfriamiento. Resultando de estas acciones, la disminución
del tiempo de enfriamiento del reactor y por consiguiente el tiempo de espera entre ciclos
de producción de resinas.
CAPÍTULO II
Marco teórico referencial
El presente capítulo contiene los antecedentes de la investigación, así como una revisión
bibliográfica de los conceptos básicos relacionados con la investigación. Además se
presenta brevemente diferentes estrategias de control automático de procesos
Antecedentes de la investigación
Machado, D. y Romero, R. (1998): Diseño de un sistema de enfriamiento para un
reactor de tanque agitado. Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Carabobo,
Valencia.
El objetivo principal del trabajo realizado por Machado y Romero, fue diseñar un sistema
de enfriamiento que permitiera disminuir el tiempo utilizado para enfriar las paredes de un
reactor enchaquetado a la temperatura adecuada y de esta manera incrementar la
producción de resinas en una planta productora de pintura automotriz.
Se concluyó que el sistema de enfriamiento propuesto incluye un intercambiador de calor
con agua como fluido de enfriamiento, con el cual se ahorra 13 horas mensuales, lo que
representa un aumento del 6% de la capacidad de producción de la empresa. Adicional al
diseño del sistema de enfriamiento, se realizó la simulación del proceso y el esquema del
sistema de control, con lo que se pretendió representar una alternativa de seguridad para
regular las reacciones que pudiesen quedar fuera de control dentro del sistema diseñado.
La investigación realizada por Machado y Romero es similar a la que se pretende realizar
en este trabajo; sin embargo, en esta investigación uno de los objetivos específicos
planteados es realizar una evaluación de todos los diseños propuestos, con la finalidad de
rediseñar el sistema de enfriamiento de acuerdo con las nuevas exigencias de la empresa.
Machado y Romero también presentaron en su trabajo un esquema de control de procesos,
en este trabajo se realiza el diseño del sistema de control automático del equipo de
enfriamiento, es importante destacar que le nuevo sistema de control del reactor fue
cambiado durante el año 2000 por un sistema moderno y más versátil en comparación con
el existente en el año 1998 cuando Machado y Romero realizaron su investigación,
quedando el esquema de control propuesto en obsolescencia.
En 1998, Servicios integral para la industria R.B, C.A. realizó un Proyecto del sistema de
enfriamiento del reactor R-1500 por petición de DuPont de Venezuela, C.A. El trabajo
trata sobre el diseño y descripción de la instalación del sistema ya nombrado, de manera de
disminuir el tiempo empleado en la fabricación de las resinas. En el proyecto se detallan los
equipos y accesorios a utilizar de acuerdo a los cómputos métricos. También se hace la
descripción esquemática del montaje y fabricación de los diferentes elementos que
constituyen el sistema. El trabajo realizado por Servicios R.B se diferencia principalmente
de este, en que en la información suministrada no se especifica claramente las condiciones
de trabajo, característica está muy importante para la automatización del proceso lo cual es
objetivo principal de la investigación que se pretende realizar, a demás se presenta solo un
listado de equipos que deben ser utilizados en el sistema, sin especificar las condiciones de
operación de los mismos.
Acosta, F y Ortiz S. (1998): Evaluación, rediseño y simulación del sistema de agua fría
de una planta productora de resinas. Escuela de Ingeniería Química, Universidad de
Carabobo. Valencia.
En este trabajo se evalúa, rediseña y simula un circuito de agua fría para el enfriamiento de
reactores de una empresa productora de resinas. Para lograr el propósito se plantearon
estudiar la simultaneidad de producción para establecer las condiciones operativas, realizar
la evaluación de los requerimientos hidráulicos y térmicos del sistema para determinar las
condiciones críticas de trabajo, plantear y desarrollar el cálculo de pérdidas en el sistema
hidráulico para diferentes opciones de rediseño del sistema, estimar la inversión inicial de
cada una de ellas, para luego seleccionar la mejor alternativa propuesta y modelar un
programa computarizado que evalué los factores hidráulicos y térmicos del sistema
presente en la empresa y del propuesto.
El trabajo realizado por Acosta y Ortiz, es un aporte muy importante para la realización del
presente trabajo, ya que el estudio realizado por ellas se lleva a cavo principalmente en el
sistema de enfriamiento de varios reactores de resinas, por lo cual es una referencia
obligatoria al realizar el rediseño del sistema de enfriamiento del reactor R-1500. Es
importante destacar que la presente investigación se diferencia principalmente de la
realizada por Acosta y Ortiz en que el presente es básicamente un rediseño del sistema de
enfriamiento de un reactor universal para resinas y el diseño del sistema automático de
control del proceso.
Rivas, Julio (1999): Elección de válvulas de control Ia, Ib, II. Artículo de revista:
Ingeniería Química.
En este trabajo se presentan las consideraciones para la selección de válvulas de control
atendiendo a los requerimiento de pérdida de carga y de capacidad. Estas son
consideraciones prácticas derivadas de la gran experiencia del autor. También se realizan
comentarios sobre los componentes de las válvulas de control, que ayudan en su selección
para distintas aplicaciones. Finalmente se realiza un repaso a la evolución más tangible
habida en los últimos años en las válvulas de control y se comentan las novedades que
conforman una tendencia de progreso para el futuro.
El presente artículo sirve de aporte al estudio que se pretende desarrollar, debido a que uno
de los objetivos de este trabajo es la selección del equipo físico necesario para la
construcción del sistema de control automático del equipo de enfriamiento del reactor R-
1500, donde la adecuada selección de una válvula de control para una determinada
aplicación es muy importante para lograr el objetivo propuesto.
García Sevillano, J (2000): Criterios prácticos en control por batch. Artículo de revista:
Ingeniería Química.
Este trabajo analiza la automatización de los procesos por carga desde una aproximación
práctica. Se explican los conceptos de la norma S88, así como su aplicación a un ejemplo.
Se estudia la influencia de cuatro aspectos: la flexibilidad en el desarrollo de la
programación, la sincronización de las tareas y la utilización compartida, la detención y
respuesta ante fallos y, por último, la información disponible al operador.
El proceso por carga es aquel con el que se obtiene cantidades finitas, en un orden y durante
un tiempo determinado, utilizando uno o varios equipos. Aunque el proceso de
enfriamiento del reactor R-1500 no es realmente un proceso por carga, se ajusta a este
comportamiento ya que se logra realizar una tarea (enfriar al reactor) en un orden y durante
un tiempo determinado, por lo que el trabajo realizado por García Sevillano constituye un
aporte en la automatización del sistema de enfriamiento del reactor R-1500.
Marco teórico de la investigación
Reactor por carga de tanque agitado
El reactor de tanque agitado, como su nombre lo indica, está constituido por un tanque o
cilindro vertical con un agitador. Se emplea en los procesos donde se requiere una mezcla
muy uniforme, como lo son la reacción de polimerización para la fabricación de resinas.
Esta característica permite que las propiedades de la mezcla reaccionante (temperatura,
presión y composición) sean uniformes en todo el recipiente e iguales a las de la corriente
de salida o producto final.
Este equipo generalmente esta provisto de una chaqueta exterior o serpentines internos los
cuales son utilizados como medios de transferencia de calor para las especies reactantes. Un
factor importante en estos equipos es que presentan un alto coeficiente de transferencia de
calor en las paredes del tanque y una agitación casi perfecta. (MACHADO-ROMERO,
1998).
Equipos de transferencias de calor
El equipo de transferencia de calor se define por las funciones que desempeña en un
proceso. Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. Los
calentadores se usan primariamente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa
vapor con este fin, aun cuando en algunos casos como en la refinerías de petróleo el aceite
caliente recirculado tiene el mismo propósito. Los enfriadores se emplean para enfriar
fluidos en un proceso , el agua es el medio enfriador principal. Los condensadores son
enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor latente en lugar de calor sensible. Los
hervidores tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los procesos de
destilación como calor latente. Los evaporadores se emplean para la concentración de
soluciones por evaporación de agua. Si además del agua se vaporiza cualquier otro fluido,
la unidad es un vaporizador. (KERN, 2001).
Polímero
Un polímero es una larga molécula constituida por pequeñas unidades químicas repetitivas
simples. En algunos casos la repetición es lineal, como una cadena conformada por sus
eslabones. En otros casos las cadenas están ramificadas o interconectadas para formar redes
tridimensionales. (BILMEYER, 1971).
Resinas
La resina es un polímero de alto peso molecular obtenido por la reacción entre dos o más
sustancias (generalmente orgánicas), mediante la aplicación de calor y por medio de un
catalizador. Las resinas se elaboran generalmente con una resina de tipo natural como la
colofonia o aceites secantes tales como el aceite de linaza o el aceite de semilla de algodón,
o una resina plástica sintética como lo es el metacrilato de metilo, poliuretano y cloruro de
polivinilo.
Las resinas son uno de los factores determinantes en la producción de pinturas, ya que le
confiere al producto la mayoría de las propiedades, además de regir el mecanismo de
secado de la pintura sobre una superficie. (ÁLVAREZ, 2002).
Clasificación de las resinas
Las resinas, según el tipo de cadena que forman, presentan diferentes propiedades. Entre los
tipos de resinas empleadas en la elaboración de pinturas automotrices de encuentran,
(ÁLVAREZ, 2002):
Alquídicas: son poliésteres modificados con aceites secantes. Sin embargo generalmente se
restringe el uso de término alquídica a los poliésteres que son modificados con un aceite
triglicérido o los ácidos de tales aceites. Estas resinas se obtienen mediante la reacción de
condensación de polioles, ácidos policarboxílicos, aceites o ácidos grasos. (ÁLVAREZ,
2002).
Poliéster: son macromoléculas poliméricas que se obtienen por la reacción entre un ácido
saturado, un ácido insaturado y un polialcohol. Una vez obtenido este poliéster, se
aprovecha la presencia del componente insaturado para realizar un entrecruzamiento con un
monómero vinílico y obtener así una estructura tridimensional. Las propiedades de este tipo
de resinas dependen, por lo general, del grupo de entrecruzamiento y se originan por el tipo
y concentración del monómero insaturado. Estas propiedades pueden modificarse según el
tipo de ácido y alcohol que se emplee, haciendo posible obtener poliésteres con una amplia
gama de propiedades. (ODIAN, 1981).
Acrílicas: son polímeros hechos a partir de monómeros de éster metacrilatos y acrílicos
con grupos funcionales adyacentes. Se utilizan como base para emulsiones y soluciones
tipo revestimiento protector y como espesantes para sistemas de látex y reducibles con
agua. (ÁLVAREZ, 2002).
Epóxicas: es un polímero derivado del grupo oxirano. Esta resina le proporciona a los
fondos y pinturas propiedades tales como flexibilidad, adhesión y resistencia química.
(ÁLVAREZ, 2002).
Control automático de procesos
De acuerdo con Smith y Corripio (2000), el control automático de proceso se define como
“ una manera de mantener la variable controlada en el punto de control, a pesar de las
perturbaciones”. Según la estrategia de control utilizada se puede clasificar como:
Control por retroalimentación: el esquema que se muestra en la figura 2.1 se conoce
como control por retroalimentación, también se le llama circuito de control por
retroalimentación. El procedimiento consiste en tomar la variable controlada y se
retroalimenta al controlador para que éste pueda tomar una decisión. La ventaja del control
por retroalimentación consiste en que es una técnica muy simple, por que compensa todas
las perturbaciones. La desventaja estriba en que únicamente puede compensar la
perturbación hasta que la variable controlada se ha desviado del punto de control, esto es, la
perturbación se debe propagar por todo el proceso antes de que pueda compensar el control
por retroalimentación.
PROCESO CONTROLADORENTRADA SALIDA
ELEMENTO SENSOR Y TRANSMISOR
E.F.C
Control por acción precalculada: consiste en medir las perturbaciones y compensarlas
antes de que la variable controlada se desvié del punto de control; si se aplica de manera
correcta, la variable controlada no se desvía del punto de control. En la figura 2.2 se
presenta un esquema de control por acción precalculada.
Controladores por retroalimentación
El controlador es el “cerebro” del circuito de control, compara la señal que llega del
transmisor, la variable que se controla, contra el punto de control y envía la señal apropiada
al elemento final de control (E.F.C), para mantener la variable que se controla en el punto
de control. (SMITH-CORRIPIO, 2000).
Tipos de controladores por retroalimentación
Controlador Proporcional (P): es el tipo mas simple de controlador, la ecuación que
describe su funcionamiento es la siguiente:
e(t)Kmm(t) c+= 2.1
FIGURA 2. 1 SISTEMA DE CONTROL POR RETROALIMENTACIÓN
FIGURA 2. 2 SISTEMA DE CONTROL POR ACCIÓN PRECALCULADA PROCESO CONTROLADORENTRADA SALIDA
ELEMENTO SENSOR Y TRANSMISOR
E.F.C
donde:
m(t) : salida del controlador, psig o mA.
e(t): señal de error, psig o mA, esta es la diferencia entre el punto de control y la variable
que se control.
Kc: ganancia del controlador.
m : valor base, psig o mA. El significado de este valor es la salida del controlador cuando el
error es cero; generalmente se fija durante la calibración del controlador, en el medio de la
escala, 9 psig o 12 mA.
Los controladores que son únicamente proporcionales tienen la ventaja de que sólo cuentan
con un parámetro de ajuste, Kc, sin embargo, adolecen de una gran desventaja, operan con
una DESVIACIÓN, o “error de estado estacionario” en la variable que se controla.
(SMITH-CORRIPIO, 2000).
Controlador proporcional-integral (PI): la mayoría de los procesos no se pueden
controlar con una desviación, es decir, se deben controlar en el punto de control, y en estos
casos se debe añadir inteligencia al controlador proporcional, para eliminar la desviación.
Esta nueva inteligencia o nuevo modo de control es la acción integral o de reajuste y en
consecuencia, el controlador se convierte en un controlador proporcional-integral (PI). La
siguiente es su ecuación descriptiva:
∫τ++= dt e(t)
Ke(t)Kmm(t)
I
cc
2.2
Donde Iτ es el tiempo de integración o reajuste minutos/repetición. Por lo tanto, el
controlador PI tiene dos parámetros, que se deben ajustar para obtener un control
satisfactorio. La ventaja de este controlador es que la acción de integración o de reajuste
elimina la desviación. (SMITH-CORRIPIO, 2000).
Controlador proporcional-integral-derivativo (PID): algunas veces se añade otro modo
de control al controlador PI, este nuevo modo de control es la acción derivativa, que
también se conoce como rapidez de derivación o preactuación; tiene como propósito
anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la rapidez para el cambio
del error, su derivada. La ecuación descriptiva es la siguiente:
dtde(t)Kdt e(t)
Ke(t)Kmm(t) Dc
I
cc τ
τ+++= ∫
2.3
Donde Dτ es la rapidez de derivación en minutos. Por lo tanto el controlador PID tiene tres
parámetros que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio.
Los controladores PID se utilizan en procesos donde las constantes de tiempo son largas.
Ejemplos típicos de ello son los circuitos de temperatura y los de concentración. La ventaja
del modo derivativo es que proporciona la capacidad de “ver hacia dónde se dirige el
proceso”. (SMITH-CORRIPIO, 2000).
Controlador proporcional-derivativo (PD): este tipo de controlador generalmente se
utiliza en procesos donde es posible emplear un controlador proporcional, pero se desea una
cierta cantidad de “anticipación”. La ecuación que ilustra al controlador PD es la siguiente:
dtde(t)Ke(t)Kmm(t) Dcc τ++=
2.4
Este tipo de controlador opera con una desviación, que solo puede ser corregida por la
acción de integración, sin embargo, un controlador PD puede soportar mayor ganancia que
un controlador únicamente proporcional para un mismo circuito, lo que resulta en una
menor desviación en la variable que se controla. (SMITH-CORRIPIO, 2000).
Control ON-OFF
Este tipo de control puede ser considerado como un control discontinuo o sea un control
donde el elemento final puede tomar solamente dos posiciones, activo (ON) o desactivo
(OFF). Este tipo de control es el más usado bien sea en servicios domésticos o industriarles.
En el control ON-OFF la variable manipulada se cambia de forma brusca entre su valor
máximo y mínimo o viceversa, dependiendo si la variable controlada es mayor o menor que
el punto de ajuste. Generalmente, el valor mínimo de la variable manipulada es el de cero
(OFF). (GHELFI, 1996).
Respuesta de razón de asentamiento de un cuarto
Este método también se conoce como método de cadena cerrada, circuito cerrado o ajuste
en línea , y fue propuesto por Ziegler y Nichols en 1942. El método consiste en hallar el
valor de la ganancia última, es decir, el valor de ganancia que hace al sistema
marginalmente estable, esto es, que la respuesta tienen una amplitud constante en el tiempo.
Para observar este comportamiento de la variable de salida de un proceso, deben realizarse
una prueba, que se hace a partir del proceso real o con la ayuda de un programa
especializado, siempre y cuando se conozcan cuantitativamente las funciones de
transferencia de cada uno de los componentes del circuito. La prueba que se realiza se
describe a continuación:
Se coloca el controlador en modo proporcional.
Con el controlador en automático, esto es, en circuito cerrado, se incrementa la ganancia
proporcional (o se reduce la banda proporcional), hasta que el circuito oscile con amplitud
constante.
Se registra el valor de la ganancia con que se produce la oscilación sostenida como Kcu,
ganancia última.
Del registro de tiempo de la variable controlada, se registra y mide el periodo de oscilación
como Tu , período último, que es el tiempo que transcurre entre un punto y el siguiente en
alcanzar la misma condición.
Una vez que han sido determinadas la ganancia última y el periodo último, se utilizan las
formulas del cuadro 2.1 para calcular los parámetros de ajuste del controlador con los
cuales se producen respuestas de la razón de asentamiento de un cuarto.
CUADRO 2.1
FÓRMULAS PARA AJUSTE DE RAZÓN DE ASENTAMIENTO DE UN CUARTO
TIPO DE CONTROLADOR
GANANCIA
PROPORCIONAL
KC
TIEMPO DE
INTEGRACIÓN
TI
TIEMPO DE
DERIVACIÓN
TD
Proporcional Kcu/2 - -
Proporcional integral Kcu/2.2 Tu/1.2 -
Proporcional integral derivativo Kcu/1.7 Tu/2 Tu/8
Fuente: Smith- Corripio, A.B (2000). Control automático de procesos. Limusa.
Comparación entre algunos sistemas de control
Hace algunos años había grandes diferencias entre los Sistemas de Control Distribuido
(SDC) y los Autómatas programables (PLC), pero ambos han ampliado su funcionalidad
incrementando las aplicaciones en las que se solapan y logrando que a veces sea difícil
distinguirlos, sin embargo en el cuadro 2.2 se muestra una comparación sencilla entre los
sistemas SDC y PLC.
CUADRO 2.2
SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO, PLC Y PC
Factor Sistema de control
distribuido (SCD)
Autómata
programable
(PLC)
PC
Propósito Control de lazos
cerrador.
Programador de
secuencias.
Aplicaciones
ofimáticas
Arquitectura Tareas distribuidas
entre distintos
procesadores. Cada
procesador controla 16
lazos. Base de datos
única . Soporta
redundancia(fuentes,
Soporta alimentación.,
CPU, tarjetas y vía de
datos).
Un solo
procesador con un
programa
secuencial. La
velocidad de ciclo
es, por tanto,
fundamental.
Redundancia
(fuentes,
alimentación,
CPU, tarjetas y vía
de datos).
Antes de surgir
lo SCD ya se
utilizó el control
directo por
ordenador
(DDC) que tuvo
poco éxito por el
alto coste y la
poca
amigabilidad de
los ordenadores
de la época.
Aplicaciones
iniciales
Control integrado de
grandes plantas o
plantas con
necesidades de
expansión futuras. Es
frecuente el uso de
SCD para el control
general combinado
Sistema de
seguridad, control
batch, control de
equipos y
unidades paquete.
Control de
procesos poco
críticos.
con varios PLC, para
controles secuénciales
o de unidades paquete.
Segunda
generación de
aplicaciones
También cuenta con
herramientas lógicas
para la programación
secuencial.
En plantas de
tamaño medio, se
utilizan varios
PLC con un
SCADA para el
control supervisor,
la adquisición de
datos y la interfase
de sala de control.
Diferencia
de la
primera
generación
Costo Alto Medio-alto Muy bajo
Facilidad de
uso
Interfase de operador
gráfica y amigable,
pero programación
compleja y sin
estándares universales.
Interfase de
operador gráfica y
amigable, pero
programación
muy compleja y
sin estándares
universales.
Usan lenguajes y
sistemas
operativos
universales.
Tamaño de la
aplicación y
facilidad de
expansión
Resulta caro para
pocos lazos (menos de
50 lazos cerrados).
Expansión muy fácil,
basta con añadir
tarjetas en un rack.
Para mas de 80
lazos cerrados el
SCD resulta
claramente
ventajoso. En
plantas de tamaño
medio se utilizan
varios PLC con un
SCADA para el
control supervisor,
la adquisición de
datos y la interfase
de sala de control.
Fiabilidad Diseñados pensando
en su fiabilidad.
Sistemas operativos
limitados, pero
robustos. Sin partes
móviles.
Diseñados
pensando en su
fiabilidad.
Sistemas
operativos
limitados, pero
robustos. Sin
partes móviles.
Sistemas
operativos poco
robustos y
sometidos a
continuas
revisiones. Con
partes móviles.
Integración
con otros
sistemas
Relativamente fácil. Posible. Muy fácil
integración
vertical y
horizontal.
Integrable
también con
programas
ofimáticos.
Otros factores Sus suministradores
tienen amplias
organizaciones de
apoyo.
Sus
suministradores
dan apoyo
suficientes.
Apoyo dudoso
en la mayoría de
los casos,
además no existe
un responsable
único.
Diferencia de la generación
actual
Ya tienen la misma
velocidad y las
mismas facilidades
que los PLC para el
control secuencial.
Ambas tecnologías
están confluyendo.
Tienen las mismas
facilidades que los
SCD para el
control de lazos
cerrados. Ambas
tecnologías están
confluyendo.
Evolución futura Durante varios años seguirán siendo más
fiables que los PLC, pero es probable que
estos últimos, con rápida evolución y su
carácter abierto y estándar, termine
desplazándolos. Su desarrollo futuro
también se vera afectado por la elevada
capacidad de procesamiento que pronto
tendrán las válvulas y transmisores, que
contaran con sistemas operativos como
Windows CE.
Evolución veloz
de hardware,
sistemas
operativos,
lenguajes y
protocolos de
comunicación.
Tendencia a una
rápida
estandarización.
Fuente: Ingeniería Química (2000). ¿Sistema de control distribuido, PLC o PC? Criterios
de selección. Ingeniería Química, 364, 105-106.
CAPITULO III
Descripción del proceso
En el presente capítulo se muestra una visión general del proceso de producción de resinas
utilizado en la empresa. También se realiza una descripción detallada de los equipos y
accesorios involucrados en el proceso, y sus sistemas de alivio de emergencia. Por ultimo
se revisan de manera general los diferentes ensayos de calidad que se le practican a las
resinas en cuestión, para obtener la aprobación final.
3.1 Procesos de producción de resinas
La producción de resinas se lleva a cabo en un reactor por cargas que tiene una capacidad
nominal de 1500 galones. En el se fabrican todas las resinas que se utilizan luego en la
manufactura de las pinturas. El proceso es sencillo, y consiste en cargar los diferentes
ingredientes en las proporciones indicadas por la fórmula, dichos ingredientes dependen
del tipo de resina a fabricar, así como también de las condiciones de operación de acuerdo
al tipo. Dentro de los factores que se deben considerar durante la producción se encuentran:
la temperatura y rampa de calentamiento, velocidad de adición, tiempo de mezclado y
ajuste de la viscosidad. La figura 3.1 describe el esquema de producción general de las
resinas.
Una vez lista la resina, es decir, cuando cumple con las especificaciones de viscosidad y
acidez, se procede a descargarla sometiéndola a una filtración en caliente (120°C),
empleando un filtro tipo sparkler. Este no es más que un cilindro, el cual está conformado
en su interior por platos separados por papel de filtro hecho de celulosa, en algunos casos
se incluye una camada de celite entre platos (cuando se trata de resinas alquídicas y alguna
otra que lo requiera) de manera tal de mejorar el proceso de filtrado. Concluida la
producción se procede a almacenar la resina en tanques cilíndricos, totes o tambores.
El proceso de fabricación de resinas se inicia con la carga de la materia prima, donde los
componentes sólidos son cargados manualmente, mientras que los solventes son
dosificados automáticamente a través de líneas que van desde los tanques (entre los que se
encuentran el de monómeros, iniciador y moderador), hacia el reactor. Luego comienza la
fase de calentamiento, la cual se realiza a través de chaquetas provistas de aceite a una
temperatura aproximada de 250°C. Una vez alcanzada la temperatura adecuada para lograr
fundir los sólidos, comienza la agitación y la adición de los solventes requeridos
cumpliendo un tiempo de mezclado.
LAVADO DE GASES
DECANTADOR
SOLVENTES ADITIVOS COMPUESTOSORGÁNICOS
AGUA DEREACCIÓN
RESINAS
TAMBORES
FILTRO
TANQUE ALMACENADORDE SOLVENTE
CONDENSADOR
TANQUES
SACOS
REACTOR
TAMBORES
TANQUE RECOLECTORDE SOLVENTE
FIGURA 3.1 ESQUEMA DE PRODUCCIÓN DE RESINAS EN LA EMPRESA DUPONT DE VENEZUELA C.A.
La siguiente etapa es la de reacción, por diferenciarla de alguna manera ya que la reacción
comienza desde el momento en que las especies se funden dentro del reactor y alcanzan la
temperatura adecuada.
Luego que ha ocurrido la reacción y se han hecho las adiciones necesarias, se comienza la
evaluación de los parámetros de proceso de la resina, en el que se consideran la viscosidad
y la acidez. Las evaluaciones se realizan periódicamente, tomando al comienzo muestras
cada hora, luego se continúa con evaluaciones cada media hora para los ajustes finales,
esto se realiza hasta alcanzar la especificación de calidad requerida para cada resina.
Por último se procede a filtrar la resina, y una vez concluido esto se almacena para luego
ser utilizada en las áreas productivas de la planta para la manufactura de pinturas
automotrices y productos de reacabado.
3.2 Sistema de reactor
En la manufactura de las resinas, son utilizados ciertos sistemas y equipos, que van a
depender del tipo de resina que se fabrique.
3.2.1 Identificación de equipos en el sistema de reactor
A continuación se señalan los equipos más importantes que intervienen en la fabricación
de las resinas, ver la figura 3.2.
Reactor universal batch
El reactor utilizado en planta para la manufactura de resinas tiene una capacidad nominal de
1500 galones, provisto de un agitador que posee un motor reductor de 15 Hp capaz de
trabajar a dos velocidades (1800 y 900 r.p.m.). También dispone de un sistema de
calentamiento que consiste en tres chaquetas, cada una conformada por un tubo que rodea
el reactor y por el cual circula aceite caliente. El reactor posee además otros equipos o
accesorios que, por su importancia en el proceso de fabricación de las resinas, serán
explicados individualmente.
Tanque iniciador, moderador y de monómeros
Son tres tanques de premezcla utilizados para la adición de monómeros, iniciadores y
moderadores de una manera controlada hacia el reactor. Son empleados para la elaboración
de resinas acrílicas por polimerización de alimentación.
Tanque de corte
Este tanque se utiliza para almacenar el monoglicérido, mientras se enfría el reactor en
cierta etapa del proceso de elaboración de las resinas alquídicas, también se utilizan para
terminar de ajustar la viscosidad de la resina.
Calentamiento del reactor
En la manufactura de resinas la temperatura de reacción usualmente se encuentra entre
220-240°C. La rampa de calentamiento debe estar controlada para prevenir la formación
excesiva de espuma en el reactor. Un exceso de calentamiento puede provocar reacciones
colaterales que pueden afectar la calidad de las resinas, e inclusive podrían llevar a una
gelación.
Columna empacada
La destilación o separación mediante columnas empacadas es requerida cuando los equipos
de platos no pueden realizar el trabajo debido a las características no deseadas del fluido o
algún requerimiento del proceso. La columna empacada es un equipo simple, que consiste
en un cuerpo cilíndrico que contiene un soporte para el material de empaque, y un
dispositivo para distribuir el líquido. Las columnas son llenadas al azar con material de
empaque (anillos u otro empaque comercial).
Scrubber
El Scrubber es un dispositivo utilizado para “limpiar” o remover sólidos de los gases
generados en la fabricación de las resinas. El scrubber utilizado en planta es de tres platos,
y cada plato posee un conjunto de mecanismos que retienen los sólidos que acompañan a
los gases, de esta forma a la salida del scrubber, los gases se encuentran limpios y se
minimiza la posibilidad de taponamientos en el condensador.
Condensador
Los condensadores “condensan” el flujo de vapor que sale del reactor. El condensador
que presta servicio en el área del reactor, está conformado por 193 tubos por donde
circulan los solventes a condensar, mientras que por la carcaza circula el agua como fluido
de enfriamiento.
CONDENSADOR
TANQUE RECOLECTORDE SOLVENTE
DECANTADOR
SCRUBBER
REACTOR
COLUMNAEMPACADA
AGUA DE REACCIÓN
HACIA EL TANQUESEPARADOR
ENTRADA DE AGUA
CONDENSADO
REFLUJOAUXILIAR
REFLUJO ALREACTOR
SALIDA DE AGUA
VAPORES DELSCRUBBER
VAPORES DELA COLUMNA
102-105°C
ENTRADA DEVAPORES
AGUA DEENTRADA
SALIDA DEAGUA
ENTRADA DEACEITE
RETORNO DEACEITE
250°C
TR220-250°C
FIGURA 3.2 ESQUEMA DEL SISTEMA DEL REACTOR R-1500 DE LA EMPRESA DUPONT DE VENEZUELA
C.A
Tanque separador y tanque de solvente
En las resinas poliéster, el agua desalojada pasa al tanque separador, desde donde pasa
posteriormente a tambores debidamente identificados para ser dispuestos como desecho.
Con este desalojo de agua se logra desplazar el equilibrio, de manera tal de llevar la
polimerización a niveles de una mayor conversión y aumentar el peso molecular.
El tanque separador funciona separando el agua del solvente, y en el fondo del tanque se
deposita el agua que es desalojada en tambores. El solvente que se encuentra en la parte
superior pasa por rebose al tanque de solvente donde se recolecta y alimenta de nuevo al
reactor si es necesario (dependiendo del proceso). Es importante que el nivel de interfase
de agua y solvente en el tanque separador siempre esté controlado, para evitar la adición
accidental de agua al reactor.
Operaciones de dilución
La dilución es un proceso mediante el cual a una resina se le disminuye su viscosidad al
agregar un solvente o mezcla de solventes, y de esta forma se obtiene una resina con un
porcentaje de sólidos deseado. En planta algunas resinas son diluidas directamente en el
reactor, mientras que otras, se dispone de un tanque de dilución (o corte) provisto de un
agitador, debidamente acondicionado para llevar a cabo el proceso.
La dilución generalmente se realiza mezclando resina caliente con solventes fríos, en
condiciones controladas para evitar la ebullición vigorosa y aparición de espuma.
3.2.2 Sistemas de alivio de emergencia
En el caso de presentarse un aumento de presión inesperado en el reactor, es necesario
asegurar que tanto los equipos como los operadores no se vean afectados de ninguna
manera. Por esta razón se cuenta con dispositivos que previenen que los equipos excedan
la presión de diseño.
Los sistemas de alivio están constituidos por discos de ruptura, líneas de alivio de
emergencia y tuberías de venteo asociadas al reactor. El tanque catch es el receptor de
cualquier expulsión del reactor.
Discos de Ruptura
Es un dispositivo que consiste en un disco frágil, usualmente de metal o grafito colocado
entre bridas especiales, que se rompe a una presión determinada. Este equipo es el último
sistema de emergencia disponible para proteger el sistema de reactores y sus operadores en
el caso de una emergencia severa. Es de importancia fundamental la correcta
determinación del tamaño y la presión de ruptura de los discos. Las tuberías deben estar
diseñadas para aguantar altas presiones y estar conectadas al tanque catch.
Tanque Catch
Recipiente diseñado para contener la porción líquida de expulsiones de emergencia que
resultan de reacciones fuera de control. Cuando grandes cantidades de resinas salen
rápidamente debido a una emergencia (alta presión), lo hace en dos fases y el tanque catch
sirve para confinar la porción líquida de la descarga, de tal forma que no sirva como
combustible para un fuego. Deben estar equipados con suministro de gas inerte con un
contenido de oxígeno menor
3.3 Evaluación de la calidad
Las resinas que se fabrican en la planta, deben ser aprobadas por el laboratorio de calidad
de la empresa antes de ser utilizadas como materia prima para la elaboración de pinturas.
Los parámetros que se evalúan dependen del tipo de resina, sin embargo se pueden señalar
algunos como: viscosidad, número ácido, porcentaje de sólidos, peso por galón, entre
otros. Las especificaciones están determinadas para cada tipo y código de resina,
siguiendo los estándares de calidad de la empresa y los exigidos por el cliente.
3.3.1 Viscosidad
La viscosidad en las resinas es uno de los parámetros más importante, puesto que ésta se
examina desde que la resina se encuentra en fabricación, siendo este parámetro, junto con
el grado ácido, los que indican en el proceso cuándo una resina está lista para ser filtrada.
El método empleado para la determinación de la viscosidad es el de Gardner-Holdt, que
consiste en observar la velocidad relativa a la cual una burbuja pasa a través de una
columna de líquido y comparar ésta velocidad contra un estándar, los tubos Gardner-Holdt
que se emplean tienen una escala cuasialfabética que va desde la letra “A” hasta la “Z-6”,
y para cada letra existe un valor en Stokes (a 25°C) asociado.
3.3.2 Número Ácido
La acidez, como se señaló anteriormente, es de gran importancia desde el momento en que
comienza la etapa de reacción en las resinas, puesto que indica el avance de la reacción y,
por consiguiente, este parámetro es monitoreado periódicamente durante el proceso, la
viscosidad y la acidez son examinadas al mismo tiempo.
El método empleado para su determinación consiste en disolver la muestra de resina en un
solvente neutro adecuado y luego la solución resultante se titula con una solución alcalina
estándar.
3.3.3 Porcentaje de Sólidos
Es la relación que permite conocer el contenido de material no volátil en una resina, y las
especificaciones están determinadas de acuerdo al tipo de resina y la disposición que se le
dé, ya que algunas de las propiedades finales de las pinturas dependen de este parámetro.
El método consiste en determinar porcentualmente la pérdida de material volátil de una
cantidad de muestra cuando ésta es sometida a condiciones definidas de tiempo y
temperatura.
Peso por Galón
Este parámetro permite determinar el peso en kilos o en gramos de un volumen de resina.
El método consiste en la pesada directa de un volumen conocido de producto, a una
temperatura dada, con un picnómetro de acero inoxidable (copa de peso por galón).
CAPÍTULO IV
Evaluación de los diseños existentes
En este capítulo se realiza un resumen de las propuestas existentes para el diseño de sistema
de enfriamiento del reactor R-1500 evaluando las ventajas y desventajas de estos.
Criterios deseados en los diseños a evaluar
A continuación se presentan los criterios deseados en los diseños que se van a evaluar.
Adecuación de la alternativa propuesta: el sistema de enfriamiento que se seleccionó se
adecue a todo el sistema del reactor.
Condiciones de operación del proceso: parámetros de operación del sistema de
enfriamiento tales como: temperatura del agua de enfriamiento, temperatura máxima de
calentamiento del agua, temperatura inicial del aceite térmico, etc.
Control de procesos: estrategia de control y selección de los equipos necesarios para tal fin.
Costo de la inversión: requerido para implementar el sistema de enfriamiento.
Diseño del sistema propuesto: diseño y selección de los equipos (sistema de bombeo,
tuberías, válvulas, etc.) necesarios en el sistema de enfriamiento.
Modificaciones del sistema actual: comprende todas aquellas modificaciones necesarias
para implementar el sistema de enfriamiento como son: modificaciones en el reactor,
tuberías, entre otros.
Operación del sistema: facilidad de operación o trabajo a la hora del arranque y durante el
funcionamiento.
Requerimiento de seguridad: condiciones de seguridad, que la empresa exige, con las
cuales tiene que cumplir el diseño propuesto.
Para cuantificar la importancia relativa de cada uno de los criterios dentro del grupo
considerado para la evaluación de los diseños, se asigna a cada uno de ellos un porcentaje
según se muestra en el cuadro 4.1 el valor asignado es el resultado de reuniones de trabajo
donde se discutieron la importancia de estos en los proyectos que se pretenden evaluar.
CUADRO 4.1
IMPORTANCIA RELATIVA DE CADA UNO DE LOS CRITERIOS PARA EVALUAR
LOS DISEÑOS EXISTENTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL REACTOR
R-1500
CRITERIO PORCENTAJE ASIGNADO (%)
Adecuación de la alternativa propuesta 10
Condiciones de operación del proceso 5
Control de procesos 20
Costo de la inversión 15
Diseño del sistema propuesto 30
Modificaciones del sistema actual 10
Operación del sistema 5
Requerimiento de seguridad 5
Alternativa A: Diseño de un sistema de enfriamiento para un reactor de tanque
agitado. Machado, D. y Romero, R. (1998)
Resumen
Este trabajo consiste principalmente en diseñar un sistema de enfriamiento para un reactor
de una empresa productora de pintura automotriz, el cual es necesario para enfriar las
paredes metálicas del mismo a una temperatura que permita cargar la materia prima al
reactor.
Se propone un sistema de enfriamiento capaz de disminuir el tiempo de enfriamiento de la
manera más eficiente, con la menor cantidad de modificaciones a los equipos, sin impacto
al ambiente y cumpliendo con las normas de seguridad establecidas.
Se efectuó un modelación matemática siguiendo los modelos de parámetros distribuidos y
globalizados, obteniéndose un sistema de ecuaciones algebraicas que se resuelve mediante
un programa computarizado en Visual Basic, para obtener la simulación del sistema. Con
este programa se puede observar gráficamente el enfriamiento gradual de la pared del
reactor y el tiempo en que esto se lleva a cabo, resultando de 68 minutos
aproximadamente, tiempo necesario para bajar la temperatura desde 150°C hasta 50°C.
Adicionalmente, se realiza el diseño de un sistema de control utilizando un controlador en
cascada, conformado por dos controladores del tipo proporcional, a los cuales se les aplica
el modelo de primer orden más retardo, con lo cual se puede hallar el tiempo de retraso,
ganancia del sistema y constante de tiempo para el reactor y el intercambiador de calor.
También se simuló el sistema de enfriamiento con el sistema de control, lográndose obtener
un tiempo de respuesta de estabilidad de 40 minutos.
Finalmente se determinó el costo de la inversión inicial para la implementación del sistema
de enfriamiento el cual era de 15.548.309, 38 Bs para el mes de abril de 1998.
Ventajas:
El diseño presenta pocas modificaciones al sistema del reactor.
Se realiza una buena selección del sistema de enfriamiento que se debe implementar .
Se simula tanto el proceso de enfriamiento del reactor como el que se lleva a cavo en el
intercambiador de calor.
Desventajas:
La estimación de costo de la inversión no esta actualizado.
Las condiciones de proceso no son las que actualmente se manejan el reactor (temperatura
de reactor, temperatura de agua de enfriamiento, etc).
Carece de un buen diseño de la propuesta seleccionada para el sistema de enfriamiento del
reactor.
No cumple con todos los parámetros de seguridad exigidos por la empresa.
El sistema de control propuesto no puede ser aplicado al sistema de control actual del
reactor.
Alternativa B: Proyecto del sistema de enfriamiento del reactor R-1500. Servicios
integral para la industria R.B, C.A. (1998)
Resumen
El proyecto consta básicamente de dos parte, en la primera parte el autor realiza una
descripción detallada de la operación del sistema de enfriamiento, condiciones de operación
a demás presenta el diagrama de flujo del sistema propuesto y el esquema de la estrategia
de control que es recomendada. En la segunda parte se muestra una lista detallada de todos
los equipos necesarios para el sistema de enfriamiento. Además se realiza una descripción
de la instalación del sistema ya nombrado. También se hace la descripción esquemática del
montaje y fabricación de los diferentes elementos que constituyen el sistema.
Ventajas
Especifica casi todos los equipos necesarios para el montaje del sistema de enfriamiento.
Presenta una alternativa de enfriamiento en paralelo con el sistema de calentamiento del
reactor R-1500, pero independientes.
Desventajas
Todos los equipos seleccionados están sobre diseñados de manera exagerada lo cual hace
que el proyecto sea muy costoso.
Las condiciones de operación no son las que se manejan en el reactor lo que hace que el
diseño no sea el adecuado por que no cumple con los requerimientos para el enfriamiento.
Los caudales de operación para el agua y el aceite térmico son muy elevados.
Evaluación de las alternativas existentes
Para evaluar los diferentes criterios, se emplea una escala comprendida entre cero (0) y
cinco (5) puntos, en donde el mayor representa la situación más favorable y los grados
sucesivos situaciones más desfavorables. La evaluación de los criterios se realiza respecto a
cada alternativa en particular y de manera comparativa con los otros trabajos realizados,
según se muestra en el cuadro 4.2.
CUADRO 4.2
PONDERACIÓN DE LOS CRITERIOS EN CADA UNO DE LOS SISTEMAS DE
ENFRIAMIENTO EXISTENTES PARA EL REACTOR R-1500
ALTERNATIVA A ALTERNATIVA B
CRITERIOS PUNTOS PUNTOS
Adecuación de la alternativa
propuesta 5 5
Condiciones de operación del
proceso 2 2
Control de procesos 2 3
Costo de la inversión 1 1
Diseño del sistema propuesto 1 2
Modificaciones del sistema actual 4 5
Operación del sistema 5 4
Requerimiento de seguridad 2 3
De acuerdo con lo planteado anteriormente, puede observarse que ambos sistemas tienen un
costo de inversión elevado, pero ofrecen una excelente adecuación al sistema del reactor.
También se puede obtener los criterios que debe mejorar la nueva propuesta, como por
ejemplo el diseño del sistema, el costo de inversión, control de proceso, etc.
Finalmente la suma de los puntos obtenidos en cada alternativa por el porcentaje asignado a
cada criterio, permitirá obtener la ponderación final para cada sistema. En el cuadro 4.3 se
muestra la evaluación de las alternativas propuestas. Con la finalidad de expresar en
términos cualitativos los resultados obtenidos en el cuadro 4.3 se puede utilizar la siguiente
conversión, se clasifica como deficiente una alternativa cuya ponderación total es menor de
tres (3), regular si esta comprendida entre tres (3) y cuatro (4), buena entre cuatro (4) y
cinco (5).
CUADRO 4.3
MATRIZ DE EVALUACIÓN DE LOS SISTEMA DE ENFRIAMIENTO EXISTENTES
DEL REACTOR R-1500
ALTERNATIVA EXISTENTE
ALTERNATIVA A ALTERNATIVA B CRITERIOS
PORCENTA
JE
ASIGNADO
(%) PUNTOS
PONDERACIÓ
N PUNTOS
PONDERACI
ÓN
Adecuación de la
alternativa propuesta 10 5 0,50 5 0,50
Condiciones de
operación del proceso 5 2 0,10 2 0,10
Control de procesos 20 2 0,40 3 0,60
Costo de la inversión 15 1 0,15 1 0,15
Diseño del sistema
propuesto 30 1 0,30 2 0,60
Modificaciones del
sistema actual 10 4 0,40 5 0,50
Operación del sistema 5 5 0,25 4 0,20
Requerimiento de
seguridad 5 2 0,10 3 0,15
Ponderación total 2,20 2,80
De acuerdo con los resultados obtenidos en el cuadro 4.3 y utilizando una escala
cuanlitativa, se puede decir que ambas alternativa son deficientes por lo que es necesario
replantearlas y rediseñarlas tomando en cuenta sus ventajas y desventajas.
Capítulo V
Rediseño del sistema de enfriamiento
En el presente capítulo se realiza el rediseño del sistema de enfriamiento del reactor R-
1500, se seleccionan los equipos necesarios en base a los parámetros de diseño requeridos,
se describe el proceso de enfriamiento del reactor y cada uno de los equipos que lo
integran. Finalmente se estima el costo de la inversión.
Descripción del proceso de enfriamiento propuesto para el reactor R-1500
El sistema de enfriamiento propuesto es un diseño sencillo, que no afecta al sistema de
calentamiento usado actualmente por el reactor R-1500 (en lo sucesivo llamado reactor) y
no modifica en gran magnitud al mismo, (ver figura 5.1 y 5.2). El sistema consta
principalmente de un intercambiador de calor que enfría el aceite proveniente de la
chaqueta del reactor, impulsado por una bomba centrífuga (B-1). Para el intercambio
térmico se utiliza agua a 25°C proveniente de las torres de enfriamiento de la planta,
impulsada por el sistema de bombeo.
El proceso de enfriamiento se inicia con el cambio de posición de las válvulas tres vías
(VT-1 y VT-2), dispuesta de tal manera que al actuar forman un circuito cerrado
independiente del proceso de calentamiento (ver figura 5.2). La válvula (VT-2) desvía el
aceite caliente al retorno, mientras que la válvula VT-1 permite la recirculación de aceite en
el circuito con ayuda de la bomba B-1. Simultáneamente la válvula de control TV-1, regula
el flujo de agua impulsado por sistema de bombeo de las torres de enfriamiento para
garantizar que la temperatura del agua a la salida sea aproximadamente 37°C. Esto elimina
la pérdida de agua por evaporación, y los riesgos de sobre presión en el equipo de
intercambio térmico, además en las características funcionales de las torres de enfriamiento
se especifica que la temperatura del agua a la entrada debe ser menor de 112°F ( 44,44 °C).
El enfriamiento se lleva a cavo por la circulación de aceite frío a través de la chaqueta de
reactor. El recorrido se inicia a la salida del tanque de expansión T-1, el cual es succionado
e impulsado hacia el sistema mediante la bomba centrifuga B-1, al pasar el aceite térmico
por el intercambiador de calor, del lado de la coraza, este se enfría y luego pasa por la
chaqueta del reactor, donde se calienta y regresa nuevamente al tanque de expansión
creándose un circuito cerrado. En el intercambiador de calor el flujo de agua proveniente de
las torres de enfriamiento pasa por el haz de tubos, absorbiendo el calor del aceite y
enfriándolo; luego es retornado a las
V-13
V-9VT-2
R-1500V-12
V-11
V-10
V-15
Aceite caliente
FIGURA 5.1
ESQUEMA DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO ACTUAL DEL REACTOR R-1500
V-13
XCHG-1
T-1
V-1
VT-1
V-2
B-1
V-7
V-8
V-16 V-9
V-14
V-3
VT-2
V-17 TV-1 V-18
HV-1
V-19 V-20
R-1500V-12
V-11
V-10
V-15
Agua deenfriamiento
Hacia las torresde enfriamiento
Aceite caliente
Retorno
V-5HV-2V-4VS-1
s
FIGURA 5.2
ESQUEMA DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO PROPUESTO PARA EL REACTOR R-1500
torres donde disminuye la temperatura y nuevamente es utilizada, este es otro circuito
cerrado. Todo este proceso se repite continuamente hasta que se alcance la temperatura
adecuada en el reactor (menor de 70°C).
Durante el calentamiento del reactor el aceite no pasa a través de la bomba B-1, ni del
intercambiador, evitando así las pérdidas de calor del aceite hacia el ambiente, además de la
pérdida de carga que generarían estos elementos por su introducción en la línea de flujo.
Mientras el proceso de calentamiento del reactor se lleva a cavo, el aceite contenido en el
intercambiador es un aceite relativamente frío, no siendo necesario el drenaje del agua ni la
presencia de un separador de vapor.
La temperatura del agua a la salida del intercambiador, no es mayor de 60°C, lo que
implica que el agua no llegaría a evaporarse, evitando a su vez la reposición de agua, por
esta causa, en las torres de enfriamiento. Sin embargo, por razones de seguridad, se
recomienda que se instale un sistema de descarga (disco de ruptura) de emergencia en caso
de sobre presión en la tubería de agua a la salida del intercambiador.
El proceso de enfriamiento se lleva a cavo de acuerdo con las siguientes condiciones de
operación:
La temperatura del agua a la entrada del intercambiador de calor es de 25°C.
La temperatura del agua a la salida del intercambiador de calor es de 37°C, lo cual es
aceptable ya que el agua no se calentara lo suficiente como para evaporarse.
El caudal de aceite a manejar es de 55 gpm aproximadamente.
La temperatura máxima del aceite térmico a la entrada al intercambiador es de 250°C.
Descripción del fluido de transferencia de calor
El aceite térmico es un fluido de transferencia de calor sintético que es utilizado
ampliamente en la industria, puede trabajar en un rango de temperatura desde 0°C hasta
345°C, posee un buena estabilidad térmica y baja presión de vapor, su nombre comercial es
Therminol®66. De acuerdo con sus propiedades resulta satisfactorio trabajar con el fluido
en sistemas de transferencia de calor por largos periodos. Es utilizado durante muchos años
en la industria en un amplio rango de condiciones de operación.
El aceite térmico esta diseñado para ser usado en ambientes no presurizado o a baja presión,
en los sistemas de transferencia de calor indirecto. Este posee una buena eficiencia y
seguridad. El alto punto de ebullición del fluido ayuda a reducir la volatilidad y la perdida
del aceite asociado con otros fluidos.
Como el aceite térmico posee un punto de inflamación relativamente alto, este no es
clasificado como un fluido de transferencia de calor resistente al fuego. En consecuencia, el
uso de protección de los dispositivos puede ser requerido para minimizar el riesgo de
incendio.
Por recomendaciones de la empresa que provee el aceite térmico se especifica que la
temperatura de bulbo seco máxima permitida es de 650°F (345°C) y esta basada en detalles
de los estudios térmicos que se le han realizados al fluido.
Descripción de los diferentes equipos que conforman el diagrama de flujo del proceso
de enfriamiento del reactor R-1500.
Válvulas de tres vías (VT-1 y VT-2)
La función principal de estas válvulas en el sistema es establecer las líneas de flujo por
donde debe circular el aceite caliente y el de enfriamiento, dependiendo de los
requerimientos térmicos del proceso que se este llevando a cavo en el reactor. Cuando el
sistema de enfriamiento esta funcionando la válvula VT-2
desvía el flujo de aceite caliente hacia el retorno del
sistema, mientras la válvula VT-1 desvía el flujo de aceite
que sale del reactor hacia el tanque de expansión T-1.
Mientras el sistema de calentamiento esta operando, la
válvula VT-2 permite el flujo de aceite caliente al reactor al
mismo tiempo que la válvula VT-1 no permite que fluido
entre al tanque T-1 y continúe hacia el retorno de aceite . En
el cuadro 5.1 se muestran las características de la válvula
tres vías VT-1 recomendada, sin embargo no se muestran
las de la válvula VT-2 ya que esta existe en el sistema del
reactor por lo tanto su diseño y selección no se realiza en
este trabajo; esta válvula solo se integra al sistema de
enfriamiento.
FIGURA 5. 3 VÁLVULA DE CONTROL TRES VÍAS
CUADRO 5.1
ESPECIFICACIONES DE LA VÁLVULA TRES VÍAS VT-1
CÓDIGO VT-1
NOMBRE Válvula tres vías on/off, para desvió
DIÁMETRO 4 pulgadas
TEMPERATURA MÁXIMA DE
TRABAJO 300 °C
PRESIÓN DE TRABAJO 100 psig
TIPO DE ACTUADOR Actuador neumático
FLUIDO DE TRABAJO Aceite Térmico
MATERIAL Acero al carbono
MARCA Y MODELO Honeywell series S2003/S2013
Fuente: Honeywell (Junio, 2003) Válvulas de control [en línea]. Disponible en:
http://www.honeywell.es/hw_productos_servicios/hw_industrial/FieldInst/Hw_MC/Hw_V
alvulas_Control.htm [2003, 26 de Junio].
Bomba centrifuga B-1
La necesidad de bombear el aceite térmico surge de la necesidad de transportar a este
desde el tanque de expansión hasta el intercambiador de calor para luego pasar por la
chaqueta del reactor a través de ductos. Para ello se
utiliza una bomba centrífuga (B-1), cuya función
básica es producir energía cinética mediante la acción
de una fuerza centrífuga y, a continuación convertir
parcialmente esta energía en presión, mediante la
reducción eficientemente de la velocidad, del fluido
en movimiento. Al escoger la bomba se tomó en
cuenta el líquido que se va ha manejar, cuál era la
carga dinámica total del sistema, las cargas de succión y descarga, así como la temperatura,
la viscosidad, la presión de vapor y la densidad relativa (ver apéndice A). Es importante
destacar que otro de los factores que se tomó en cuenta fue la temperatura de trabajo por lo
FIGURA 5. 4 BOMBA R4140 CON BASE, ACOPLADURA
cual se recomienda bombas de la serie R400 marca Dean Pump Division ya que por
experiencia en planta y por su diseño han demostrado ser buenas para trabajar a altas
temperaturas y en procesos de transferencia de calor. Por razones de seguridad del medio
ambiente donde se instalará la bomba, el motor debe ser totalmente cerrado para disminuir
el riesgo de incendio. En el cuadro 5.2 se muestran las características de la serie R400 de la
Deam Pump Division; se recomienda una bomba de esta serie con requerimientos similares
a los mostrados en el apéndice A.
CUADRO 5.2
ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO MOTOR BOMBA RECOMENDADO PARA
IMPULSAR EL ACEITE TÉRMICO EN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DEL REACTOR R-1500
Características de la bomba
Código de la bomba B-1 Elevación, pie Hasta 244 m
Tipo de bomba Centrifuga Presión de operación,
psig Hasta 500
Marca Dean Pump
Division Fluido de trabajo Aceite termico
Modelo Series R400. Temperatura, °C Hasta 450°C
Caudal, gpm. Hasta 6000
Fuente: Dean Pump Division (Junio, 2003). R400 Series Heavy Duty, High Temperatura
Process Pumps.[en linea]. Disponible en: http://www.deanpump.com/trans_a.htm [2003, 28
de Junio]
Válvulas check para línea de flujo de aceite
La función principal de estas es proteger a los equipos, válvulas tres vías y de control de la
contrapresión de la línea. Es importante destacar que las válvulas check utilizadas deben ser
válvulas que resistan a altas temperaturas ya que mientras este funcionando el sistema de
calentamiento de reactor estarán en contacto con aceite de calentamiento a 250°C.
Las válvulas debe ser de cuatro (4) pulgadas de diámetro nominal en acero al carbono para
trabajar con temperaturas de hasta 300°C y de instalación horizontal.
Válvulas de control TV-1
Regula el caudal de agua en el intercambiador de calor para controlar la temperatura del
agua a la salida del mismo en 37°C, y así cumplir con las características funcionales de la
torres de enfriamiento de la planta. La válvula consta de dos partes un accionador o
actuador que traduce la señal de salida del dispositivo controlador en una acción que
comprende una gran fuerza o la manipulación de una energía de una gran magnitud, y un
dispositivo que responde a la fuerza del accionador y ajusta el valor de la variable
manipulada. Las características de la válvula de control que se recomienda implantar se
encuentran en el cuadro 5.3.
CUADRO 5.3
CARACTERÍSTICAS DE LA VÁLVULA DE CONTROL TV-1
CÓDIGO TV-1
NOMBRE Válvula de control
TIPO DE CURVA CARACTERISTICA Isoporcentual
COEFICIENTE REQUERIDO 34,08
COEFICIENTE DE LA VALVULA
SELECIONADO
40
TEMPERATURA DE TRABAJO 300°C
MATERIAL Cobre
FLUIDO DE TRABAJO Aceite térmico
TIPO DE ACTUADOR Eléctrico
FUNCIÓN Control de temperatura.
MARCA Y MODELO Honeywell V5011N1099
Fuente: Honeywell (2002). Control products tradeline® catalog (edición en ingles).USA:
Autor.
La selección de la válvula de control esta basada en una publicación realizada por Rivas, J
(1999), en la revista Ingeniería Química titulada :Elección de válvulas de control criterios
de selección. Para los cálculos ver apéndice A.
Intercambiador de calor
El intercambiador de calor del tipo de coraza y tubo
constituye la parte más importante de los equipos
que integran el sistema de enfriamiento del reactor,
su función consiste en calentar un fluido frió por
medio de un fluido caliente, que se enfría. El
intercambiador que se utilizará en el sistema es de
dos pasos por los tubos y coraza de dos pasos con
deflector longitudinal, existe físicamente en planta por lo tanto no se requiere de su diseño.
Fue elaborado y diseñado por Industrias Acero Placencia, C.A. y presenta las característica
reflejadas en el cuadro 5.4.
CUADRO 5.4
ESPECIFICACIONES DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DATOS DE DISEÑO
DATOS LADO DE LA CORAZA LADO DE LOS TUBOS
Fluido circulante Aceite térmico Agua
Flujo total (kg/s) 3,2 kg/s Variable
Caudal (gpm) 55 gpm Variable
Temperatura de entrada
(°C)
250 (máximo) 25
Temperatura de salida (°C) Variable 37
Numero de pasos 2 2
FIGURA 5. 5 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA DE DOS
CUADRO 5.4
ESPECIFICACIONES DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR (CONTINUACIÓN)
CONSTRUCCIÓN
Tipo de unidad: horizontal Arreglo de los tubos: Triangular
Diámetro exterior de los tubos: 1 plg Longitud de los tubos: 2,816 m
Material de los tubos: Acero inoxidable
AISI 302
Numero de tubos: 48
Diámetro de la coraza: 0,36 m Material de la coraza: Acero inoxidable
AISI 302
En la figura 5.7 se muestra los balance de materia y energía en estado estable realizado para
el intercambiador de calor, con la finalidad de proveer a los operadores una herramienta
grafica que le permita conocer las condiciones en que esta operando el equipo. Para la
realización de este gráfico se utilizaron el procedimiento y modelos matemáticos mostrados
en el apéndice A.
Tanque de expansión
El tanque de expansión se encarga de compensar los cambios de volumen en el fluido de
transferencia de calor debido al aumento de temperatura, estos cambios están alrededor de
2 a 6% por cada 100°F. También funciona como punto de descarga. El diseño apropiado de
este para el sistema de enfriamiento es bastante sencillo, Vapor Corporation (1981).
El tanque T-1 del sistema de enfriamiento tiene la función de amortiguar los cambios de
volumen que presente el fluido de enfriamiento, además de suministrar todo el fluido
necesario a la bomba B-1 para trabajar mientras el sistema se estabiliza, es decir que el
flujo de aceite térmico de entrada del tanque T-1 sea el mismo a la salida. Debe estar lleno
¾ de su capacidad durante la operación del mismo.
El tanque de expansión debe tener una capacidad de 100 galones, y sus características de
diseño son de acuerdo con la sección VIII del código ASME por requerimientos de la
empresa.
Válvulas de cierre rápido
Todas las válvulas de cierre rápido presentes en el sistema tiene como finalidad permitir a
los operadores del área aislar los equipo cuando sea necesario, por alguna razón ya sea
mantenimiento, sustitución o por fallas mecánicas.
Las válvulas de cierre rápido del sistema de enfriamiento son de las siguientes característica
para servicio de aceite térmico son válvulas de compuerta de cuatro (4) pulgadas de
diámetro en acero al carbono, SCH 40 para operar a 300°C máximo; y para servicio de
agua de enfriamiento válvula de compuerta de dos (2) pulgadas de diámetro en acero al
carbono, SCH 40 y temperatura de operación entre 25 y 45°C.
Válvulas de control manual
Este tipo de válvulas tienen como finalidad controlar de manera manual el caudal de agua o
aceite térmico en caso de alguna falla técnica en los equipos de control. Estas son válvulas
de globo de cuatro (4) pulgadas de diámetro para flujo de aceite en acero al carbono y de
dos (2) pulgadas para flujo de agua en acero al carbono.
Válvula solenoide
Tiene como finalidad cerrar la línea de flujo de aceite para que la bomba B-1 pueda ser
encendida, luego ella opera normalmente abierta. La
válvula debe trabajar a temperatura máxima de 250°C con
una presión en línea de 100 psig y su tamaño debe ser de
tres (3) pulgadas de diámetro.
Un tipo de válvula recomendado es de la marca Jefferson
serie 1342 las cuales presentan las siguientes características:
normalmente abierta, Acción Servo-operada a pistón,
Cuerpo de latón forjado o bronce, Acero Inoxidable, etc.;
Sellos y asientos de acrilo nitrilo para fluidos neutros hasta
80ºC, asientos de teflón hasta 180ºC. [Jefferson, Junio
2003]
FIGURA 5. 7
VÁLVULA
Chaqueta del reactor R-1500
El reactor cuenta con un serpentín externo, a través del cual circula aceite térmico con la
finalidad de proveer los requerimientos térmicos necesarios. Los datos de diseño de la
unidad de muestran en el cuadro 5.5.
CUADRO 5.5
ESPECIFICACIONES DE LA CHAQUETA DEL REACTOR
DATOS DE DISEÑO DE LA UNIDAD
DATOS VALORES
FLUIDO CIRCULANTE Aceite térmico
ÁREA DE TRANSFRENCIA DE CALOR (m2) 10,68
VOLUMEN DE LAS CHAQUETAS (m3) 0,566
DÍEMETRO HIDRULICO DE LAS CHAQUETAS
(cm)
1,8
MATERIAL Acero inoxidable AISI 302
Trasmisor de temperatura
El transmisor TT-1 tiene como finalidad transmitir
al PLC la señal de temperatura del agua a la salida
del intercambiador de calor (ver figura 6-10). Su
selección se basa en una marca que sea compatible
con el sistema de control del reactor R-1500
(Honeywell) y el rango de temperatura donde
pudiera trabajar en el lazo de control (20 -100°C).
El equipo recomendado es de la marca Honeywell
serie STT250/350 con una exactitud de ±0,1 es un
transmisor de temperatura, con un rendimiento y
funcionalidad competitivos. Con salida analógica de 4 a 20 mA. Honeywell Junio, 2003
[en línea].
Tuberías y aislantes
FIGURA 5. 8 Transmisor de temperatura Honeywell de la
La selección de las tuberías esta basada en las tuberías existentes en el reactor, con la
finalidad de no crear incompatibilidad con el sistema de transporte del reactor y el equipo
de enfriamiento. En los cuadros 5.6 y 5.7 se muestran las características de las tuberías para
transporte de agua y de aceite térmico.
CUADRO 5.6
ESPECIFICACIONES DE LA TUBERIA PARA FLUJO DE ACEITE TÉRMICO
MATERIAL Acero al carbono, SCH. 40 sin costura. Rosca API. ASTM-A-53 para
tuberías, y ASTM-A-105 para la unión.
TAMAÑO Toda la tubería para la circulación de aceite térmico es de Catalogo
40 y diámetro nominal de cuatro (4) pulgadas
DISEÑO Presión 150 psig - Temperatura 700°F (371°C)
CUADRO 5.7
ESPECIFICACIONES DE LA TUBERIA PARA FLUJO DE AGUA DE
ENFRIAMIENTO
MATERIAL Acero al carbono SCH 40 sin costura.
TAMAÑO Toda la tubería para la circulación de agua es de Catálogo 40 y
diámetro nominal de dos (2) pulgadas.
DISEÑO Presión 150 psig - Temperatura 100°C.
El aislante es utilizado en la tubería que transporta aceite térmico, desde el punto de vista
económico y de proceso su presencia no esta justificada, sin embargo por razones de
seguridad de la empresa todas las tuberías que trasporten fluidos a altas temperaturas se
debe aislar con el material adecuado. En este caso se utiliza lana mineral ya que es un
material químicamente inerte, incombustible, térmicamente estable, inodora, resisten al
oxido y no reacciona con ácidos comunes o sus vapores, lo cual hace que la lana mineral
sea adecuada para ser utilizada en el medio ambiente donde se instalara el sistema de
enfriamiento, a demás en todo el sistema del reactor la lana mineral es el aislante utilizado.
En el cuadro 5.8 se muestran las propiedades físicas de la lana mineral y las condiciones de
operación a las cuales va estar sometida a demás de las especificaciones.
CUADRO 5.8
ESPECIFICACIONES Y PROPIEDADES DEL AISLANTE DE LA TUBERÍA QUE
TRANSPORTA ACEITE TÉRMICO
PROPIEDADES FÍSICAS
TEMPERATURA MÁXIMA DE SERVICIO 750°C
TEMPERATURA MÍNIMA DE SERVICIO Ambiente
PUNTO DE FUNDICIÓN 1300°C
CAPILARIDAD Ninguna
CORROSIVIDAD No la causa ni la acelera
ABSORCIÓN AL SONIDO Excelente
CONDICIONES DE OPERACIÓN
TEMPERATURA MÁXIMA DE TRABAJO 250°C
TEMPERATURA MÍNIMA DE TRABAJO Ambiente
ESPECIFICACIONES:
Aislamiento térmico en lana mineral, de un espesor de 50mm con chaqueta de aluminio de
1,2mm de espesor, para tubería de cuatro (4) pulgadas de diámetro.
Costo estimado de la implantación del sistema de enfriamiento propuesto.
En el cuadro 5.9 se muestra el listado de los equipos del sistema de enfriamiento del
reactor, se pueden observar los precios de cada uno de ellos y el costo total de la
implementación.
CUADRO 5.9
LISTADO DE LOS EQUIPOS DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
DEL REACTOR R-1500
Obra: PROYECTO SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL REACTOR R-1500
Precio Descripción Unidad Cant
$/Unid. Total $
Tubo ∅ 4” de acero al carbono, SCH 40, ASTM A-106B m 34 39 * 1326
Aislamiento térmico en lana mineral espesor 50mm m2 11 13 + 143
Válvula de compuerta ∅ 4” en acero al carbono, SCH 40 PZA. 6 392 * 2351
Tanque de expansión, con capacidad para 50 gal. (marca
A.S.M.E) PZA. 1 1000 + 1000
Válvula de globo ∅ 4” en acero al carbono, SCH 40. PZA. 1 508 * 508
Bomba centrifuga Dean Pump Division serie R400 PZA. 1 2500 + 2500
Válvula check ∅ 4” en acero al carbono. Instalación
horizontal. PZA. 3 379 * 1137
Válvula de tres vías control on/off, ∅ 4” Honeywell S2003 PZA. 1 1500 + 1500
Válvula solenoide de 4” Jefferson serie 1342 PZA. 1 1000 + 1000
Tubo ∅ 2” de acero al carbono, SCH 40, ASTM A-106B m 19,5 17 * 332
Válvula de compuerta ∅ 2” en acero al carbono, SCH 40. PZA. 4 223 * 892
Válvula de globo ∅ 2” en acero al carbono, SCH 40 PZA. 1 300 * 300
Válvula de control PZA 1 1570 - 1570
TOTAL 14 599 $
Fuente: * TUVAL C.A / + DuPont de Venezuela C.A / - SAIN C.A.
Como puede observarse en el cuadro 5.9 el costo estimado de la inversión es de
aproximadamente 14 599 dólares lo cual es equivalente a Bs. 23 294 400, para Julio de
2003.
CAPITULO VI
Diseño de la estrategia de control
En el presente capítulo muestra el procedimiento utilizado en el diseño de la estrategia de
control, se halla las funciones de transferencia del proceso y se determinan los parámetros
del controlador que permitan obtener una respuesta que disminuya gradualmente a razón de
un cuarto.
Generalidades
Dado que el sistema del reactor se encuentra automatizado y cuenta con equipos de alta
tecnología, entre ellos un PLC, un sistema de adquisición de datos y un programa
supervisorio (IFIX), surge la necesidad de utilizar todos esos elementos para desarrollar e
implementar una estrategia de control.
Actualmente, el reactor cuenta con tarjetas PID programables que están desactivadas, ya
que hasta la fecha no se ha culminado con el proceso de automatización del reactor,
iniciado en enero del año 2001. Por esta razón se decide diseñar la estrategia de control
basada en controladores del tipo PID. Otra de las razones es que el diseño basado en los
equipos que se tienen actualmente no acarrearía gastos adicionales en compra de nuevos
equipos y en contratar mano de obra experta.
Obtención de las funciones de transferencia del intercambiador de calor
Para obtener las funciones de transferencia que describen el comportamiento del
intercambiador de calor se harán las siguientes consideraciones:
Los fluidos se consideran que están
perfectamente mezclado dentro del equipo de
intercambio térmico, y por consiguiente se le
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Tci(t), °Cqc = 3,3627*10-3 m3/s
Ti(t), °Cq(t), m3/s T(t), °C
Tc(t), °C
puede asignar una distribución de temperaturas homogénea.
Todos los intercambios de energía que ocurren debido a los fluidos toman lugar a través
del área común.
Todas las propiedades físicas son constantes
bajo variaciones de temperatura.
Ti(t): temperatura de entrada del agua.
Tci(t): temperatura de entrada del aceite.
T(t): temperatura de salida del agua.
Tc(t): temperatura de salida del aceite.
q(t): tasa de flujo de agua de enfriamiento.
qc: tasa de flujo de aceite.
Un balance de energía de estado dinámico para el fluido que circula por los tubos en el
intercambiador de calor es:
[ ]dt
)t(dTCpV)t(q)t(TCp)t(T)t(TAU)t(q)t(TCp ci ⋅ρ⋅=⋅⋅⋅ρ−−⋅⋅+⋅⋅⋅ρ (6.1)
donde:
U: coeficiente global de transferencia de calor, se supone constante, sCm
J2 ⋅°⋅
A: área de transferencia de calor, m2
V: volumen de agua que se almacena en los tubos, m3
Cp: capacidad calorífica del agua, Ckg
J°⋅
ρ: densidad del agua, kg/m3
Otra ecuación se puede obtener a partir del balance de energía de estado dinámico en la
coraza del equipo de intercambio térmico:
[ ]dt
)t(dTCpVq)t(TCp)t(T)t(TAUq)t(TCp cccccccccccicc ⋅ρ⋅=⋅⋅⋅ρ−−⋅⋅−⋅⋅⋅ρ (6.2)
donde:
FIGURA 6. 1 Esquema del intercambiador de
Cpc: capacidad calorífica del aceite, Ckg
J°⋅
Vc: volumen de aceite que se almacena en la coraza, m3
ρc: densidad del aceite, kg/m3
Las funciones de transferencia requeridas se pueden obtener a partir de las ecuaciones (6.1)
y (6.2); sin embargo, antes de hacerlo se debe linealizar ambas ecuaciones.
Linealización de la ecuación (6.1):
[ ]dt
dCpVTCpqCpAUqCpTCp iT(t)Q(t)T(t)T(t)(t)T(t)TQ(t) ci ⋅ρ⋅=⋅⋅⋅ρ−⋅⋅⋅ρ−−⋅⋅+⋅⋅⋅ρ+⋅⋅⋅ρ
(6.3)
qq(t) - =Q(t)
ii T)t(T −=(t)Ti
cc T)t(T −=(t)Tc
TT(t) −=T(t)
Linealización de la ecuación (6.2):
[ ]dt
dCpVqCpAUqCp ccccccccc(t)T(t)TT(t)(t)T(t)T c
ccci ⋅ρ⋅=⋅⋅⋅ρ−−⋅⋅−⋅⋅⋅ρ (6.4)
cici T)t(T −=(t)Tci
al ordenar la ecuación (6.3) y obtener la transformada de Laplace, se obtiene:
[ ])s(TK)s(TK)s(QK1S
1)s(T i3c211
⋅+⋅+⋅+⋅τ
= (6.5)
qCpAUCpV
1 ⋅⋅ρ+⋅⋅ρ⋅
=τ , segundo.
3i
1 msC ,
qCpAUTCpTCpK ⋅°
⋅⋅ρ+⋅⋅⋅ρ−⋅⋅ρ
= .
qCpAU
AUK2 ⋅⋅ρ+⋅⋅
= , adimensional.
qCpAU
qCpK3 ⋅⋅ρ+⋅⋅⋅ρ
= , adimensional.
Al ordenar la ecuación (6.4) y obtener la transformada de Laplace, se obtiene:
[ ])s(TK)s(TK1S
1)s(T ci542
c ⋅+⋅+⋅τ
= (6.6)
ccc
ccc2 qCpAU
CpV⋅⋅ρ+⋅
⋅ρ⋅=τ , segundo
qCpAU
AUKccc
4 ⋅⋅ρ+⋅⋅
= , adimensional
qCpAU
qCpKccc
ccc5 ⋅⋅ρ+⋅
⋅⋅ρ= , adimensional
Con las características del intercambiador de calor y propiedades físicas del agua y el aceite
térmico, se pueden obtener el valor numérico de los parámetros de las funciones de
transferencia, los cuales en muestran en el cuadro 6.1.
CUADRO 6.1
PARÁMETROS DE LAS FUNCIONES DE TRANSFERENCIA QUE DESCRIBEN
EL INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO DEL REACTOR R-1500
NOMBRE SÍMBOLO UNIDADES VALOR
NUMÉRICO
Constante de tiempo 1 τ1 s 11,239
Ganancia 1 K1 3msC ⋅° -2900,077
Ganancia 2 K2 Adim. 0,09282
Ganancia 3 K3 Adim. 1,5
Constante de tiempo 2 τ2 s 55,520
Ganancia 4 K4 Adim. 0,20063
Ganancia 5 K5 Adim. 0,79936
Al sustituir los valores mostrados en el cuadro 6.1 en las ecuaciones 6.5 y 6.6 obtenemos
las siguientes funciones:
[ ])s(T5,1)s(T09282,0)s(Q077,29001S239,11
1)s(T ic ⋅+⋅+⋅−+⋅
= (6.7)
[ ])s(T79936,0)s(T20063,01S520,55
1)s(T cic ⋅+⋅+⋅
= (6.8)
Sustituyendo la ecuación 6.8 en la ecuación 6.7, se obtiene una sola ecuación que relaciona
la temperatura de la salida del agua con las otras variables.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⋅+⋅
+⋅+⋅−
+⋅+⋅+⋅
= )s(T5,1)s(T1S520,55
07420,0)s(Q077,290098114,0S754,66S989,623
1S52,55)s(T ici2
(6.9)
En la figura 6.2 se muestra el diagrama de bloque del proceso, se puede observar todas las
variables que influyen o afectan el valor de salida (la temperatura de salida del agua).
98114,0S754,66S989,6231S52,55
2 +⋅+⋅+⋅
1S520,5507420,0
+⋅
077,2900−)s(Q
5,1
)s(T
)s(Tci
)s(Ti
++
+
FIGURA 6.2 . DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE INTERCAMBIO
TÉRMICO QUE SE LLEVA A CAVO EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL REACTOR R-1500.
Validación de las funciones de transferencia del equipo de intercambio térmico
Con la finalidad de verificar que las funciones de transferencia obtenidas en la sección
anterior se las correctas se simuló el diagrama de bloques mostrado en la figura 6.2. Para
ello se utilizó el programa MATLAB el cual posee una herramienta llamada Simulink que
permite al usuario realizar este trabajo de manera sencilla.
En primer lugar se creó el diagrama de bloques en Simulink (ver figura 6.3) luego se
seleccionó en figura 5.4 un punto de operación cualquiera en estado estable para ser
simulado,
Temperatura de entrada del aceite: 170 °C.
Temperatura de entrada del agua: 25°C
Caudal de aceite: 55 gpm.
Caudal de agua: 66,546 gpm.
Para estas condiciones los resultados obtenidos son mostrados en la figura 6.4, se puede
decir que la temperatura de salida del agua es 38,66°C, si se compara este valor con el
mostrado en la figura 5.4 (37°C) existe una diferencia de un 5% lo cual es bastante
aceptable. El lector puede verificar cualquier otro valor, para ello se anexa un CR-ROM
con la información suficiente para simular el proceso en MATLAB.
FIGURA 6.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO DE INTERCAMBIO
TÉRMICO QUE SE LLEVA A CAVO EN EL INTERCAMBIADOR DE CALOR
DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DEL REACTOR R-1500 CREADO EN
SIMULINK
FIGURA 6.4 RESPUESTA DE LA TEMPERATURA DE SALIDA DEL AGUA EN
INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA LAS CONDICIONES DE PROCESO
PRESENTADAS EN LA SECCIÓN 6.2
Lugar geométrico de las raíces
Una vez que se ha determinado las ecuaciones características que describen el
comportamiento del intercambiador de calor, se procede a estudiar el lugar geométrico de
las raíces, el cual constituye una técnica que consiste en graficar las raíces de la ecuación o
eigenvalores, cuando una ganancia o cualquier otro parámetro del circuito de control
cambia.
En la gráfica resultante se puede apreciar con una simple observación, que una raíz de la
ecuación característica cruza el eje imaginario del lado izquierdo del plano S al lado
derecho, lo cual indica la posibilidad de alguna inestabilidad en el circuito de control.
Para determinar el lugar geométrico de las raíces se empleo el programa MATLAB, el cual
posee un Toolbox especialmente creado para realizar este trabajo. En primer lugar, se
asignaron a variables cada una de las funciones de transferencia en el Workspace, en
segundo lugar, se utilizó el comando “rlocus”, el cual despliega una figura indicando el
lugar geométrico de las raíces para el sistema en estudio, como el que se observa en la 6.5.
FIGURA 6.5 LUGAR GEOMÉTRICO DE LAS RAÍCES DE LA FUNCIÓN DE
TRANSFERENCIA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR
El valor de la ganancia donde el lugar geométrico de las raíces cruza el eje imaginario, es
mostrado en la figura anterior, donde se tiene que, para el proceso la ganancia es 58,7. Este
valor representa el máximo valor de ganancia donde el sistema todavía es estable; para
valores mayores al señalado en la figura 6.5, se tiene lugares de raíz en el lado derecho del
eje imaginario, lo que ocasiona que el sistema de control se vuelva inestable.
El valor de ganancia máxima mostrado en la figura 6.5 es también conocido como
ganancia última, Kcu y su valor va a servir de punto de partida para determinar la razón de
asentamiento de un cuarto, en la entonación de los parámetros del controlador.
Respuesta de razón de asentamiento de un cuarto
Se ha determinado que un controlador por retroalimentación realiza un control óptimo si su
respuesta sufre un asentamiento progresivo de un cuarto. Para alcanzar esta condición
existen algunos métodos para hallar los parámetros del controlador que cumplen con esta
función.
En la investigación se empleó el método propuesto por Ziegler y Nichols, onocido como
método de cadena cerrada. En este método, los parámetros mediante el cual se representa
las características dinámicas del proceso son: la ganancia última de un controlador
proporcional y el período último de oscilación, Tu.
Frecuentemente, determinar las parámetros mencionados anteriormente se realiza de
manera experimental, a partir del sistema real. En el desarrollo de la investigación no
existía posibilidad de hacerlo sobre el sistema real del rector R-1500, razón por la cual se
simuló el sistema de control, con el uso, una vez más, del programa MATLAB haciendo
uso de la herramienta Simulink se puede crear y simular lazos de control de procesos reales.
El método aplicado consto, básicamente de los pasos que se señalan a continuación:
Crear en Simulink el lazo de control del sistema en estudio, donde se controla la
temperatura de salida del agua manipulando el caudal de agua, el cual se muestra en la
figura 6.6
FIGURA 6.6 LAZO DE CONTROL PARA EL SISTEMA EN ESTUDIO.
Se diseñó un consolador PID convencional, puesto que el que posee el programa no era
capaz de trabajar correctamente. El esquema del controlador PID utilizado para la
simulación se representa en la figura 6.7.
FIGURA 6.7 ESQUEMA DEL CONTROLADOR PID EMPLEADO EN LAS
SIMULACIONES
Se colocó el controlador en modo proporcional, se le dio el valor de la ganancia ultima
obtenida en sección anterior, se produjo una entrada tipo escalón y se simulo el
comportamiento del controlador; de forma tal de examinar si con el valor de ganancia
introducido se obtenía la respuesta del sistema que lo hace marginalmente estable, es decir,
que la amplitud de la oscilación permanece constante en el tiempo, como se observa en la
figura 6.8. Si no se tiene el comportamiento entonces se comienza a aumentar o disminuir
el valor de la ganancia según sea el caso. Hay que destacar que justo antes de alcanzar el
punto de inestabilidad marginal, el sistema oscila con una amplitud que tiende a decaer,
mientras que después de ese punto la amplitud de la oscilación se incrementa con el tiempo.
FIGURA 6.8 RESPUESTA DE LA VARIABLE DE CONTROL
MARGINALMENTE ESTABLE KU = 58,7
Una vez que se obtiene la condición de sistema marginalmente estable, se mide el periodo
último, que es el transcurrido entre un punto de las respuesta y el siguiente en alcanzar la
misma condición. Este valor se obtuvo haciendo un promedio entre un lapso determinado y
le número de periodos comprendidos en él, de manera de obtener un valor más preciso,
obteniéndose un valor del tiempo último de 4,16.
Haciendo uso del cuadro 2.1 y los valores obtenidos en los pasos anteriores, se determinan
los valores de los parámetros del controlador que logran la razón de disminución gradual de
un cuarto, los resultados son mostrados en el cuadro 6.2.
CUADRO 6.2
PARAMETROS DEL PID OBTENIDOS SEGÚN EL MÉTODO DE
ZIEGLER-NICHOLS DE LA GANANCIA ÚLTIMA
TIPO DE
CONTROLADOR
PARÁMETROS RESULTADO
Kc, (% apertura válvula/°C) 34,5294
Ti (min) 2,0800 PID
Td (min) 0,5200
Finalmente, se verifica que los parámetros hallados cumplen con el asentamiento de un
cuarto haciendo la simulación respectiva. Si no se alcanza la condición deseada, pero se
esta muy cerca, entonces se realizan los últimos ajustes por ensayo y error. Si por el
contrario el control es indeseable, entonces se debe recurrir a otros métodos. Los resultados
obtenidos se muestran en la figura 6.9.
FIGURA 6.9 RAZÓN DE ASENTAMIENTO DE UN CUARTO DE LA RESPUESTA
DE LA VARIABLE CONTROLADA PARA EL SISTEMA EN ESTUDIO
Es importante destacar que un controlador finalmente esta perfectamente ajustado, sólo
cuando éste ha sido probado y ajustado en el proceso real que va a controlar. Por lo cual los
resultados obtenidos constituyen una referencia para ajustar el controlador en el proceso
real.
Descripción del sistema de control del proceso de enfriamiento del reactor R-1500
En esta sección se describe proceso de control automático del sistema de enfriamiento en el
reactor R-1500 ( ver figura 6.10) y diagrama de flujo.
El operador cuando considere necesario activara el sistema de enfriamiento del reactor
dando inicio al proceso de enfriamiento. El PLC envía una señal eléctrica FY-3 y de el
sale una señal neumática que colocará la válvula VT-2 en posición adecuada para enviar el
flujo de aceite caliente al retorno. Luego envía otra señal al FY-4 ordenando cambiar la
posición de la válvula VT-1 desviando la línea de flujo hacia el tanque T-1.
El PLC continua su trabajo energizando la válvula solenoide VS-1, la cual es normalmente
abierta, en consecuencia al energizarse se cierra. Luego el PLC ordena encender bomba
centrifuga B-1, espera 20 segundos y luego se corta la energía a la válvula solenoide
permitiendo el paso de aceite al intercambiador de calor.
Una vez que comienza a circular el aceite por el equipo de intercambio térmico entra en
funcionamiento el lazo de control de temperatura del agua, el transmisor de temperatura
TT-1 envía la señal al PLC este la compara con el punto de control y envía una señal
eléctrica al FY-1 donde esta es convertida en una señal neumática y finalmente ajusta la
posición de la válvula de control TV-1, la cual es normalmente abierta. Este lazo tiene
como finalidad evitar que la temperatura del agua a la salida del intercambiador exceda los
37°C.
El proceso de enfriamiento continua operando con el lazo de control antes descrito mientras
transmisor TT-3 envía la señal al PLC donde se compara con el Set Point (70°C) cuando el
error sea aproximadamente cero entonces el controlador ordena cortar la energía eléctrica al
sistema en consecuencia el proceso de enfriamiento finaliza.
FIGURA 6.10 Diagrama de flujo del sistema de enfriamiento automatizado de reactor R-
1500
FIGURA 6.10 Diagrama de flujo del sistema de enfriamiento automatizado de reactor R-
1500 (Continuación)
Retorno
XCHG-1
T-1
V-1
VT-1
V-2
B-1
V-7
V-8
V-16 V-9
V-14
V-3
VT-2
V-17 TV-1 V-18
HV-1
V-19 V-20
V-12
V-11
V-10
V-15
TT-1
PLC
FS-3
Aceite caliente
Agua deenfriamiento
Hd
V-5HV-2V-4VS-2
S
PLCFS-2
PLCPLC
PLC FY-4
TY-1
I/P
FY-3
I/P
I/P
FIGURA 6.10
ESQUEMA DEL SISTEMA DE CONTROL DEL EQUIPO DE ENFRIAMIENTO
PROPUESTO
PARA EL REACTOR R-1500
CONCLUSIONES
A continuación se presentan las conclusiones a las que se llegaron al finalizar el trabajo de
investigación.
Los dos sistemas de enfriamiento existentes para el reactor R-1500 que son evaluados
presentan fallas fundamentalmente en el diseño de los equipos que lo integran y el sistema
de control esta en obsolescencia.
El rediseño el sistema de enfriamiento del reactor R-1500 esta basado en la evaluación de
las dos propuestas existentes y cumpliendo con los requerimientos de la empresa.
Se diseñaron los equipos necesarios para instalar el sistema de enfriamiento y se integraron
al sistema los que existían en planta en base a los requerimientos del proceso.
Se propusieron las características que deben tener los equipos, accesorios y tuberías que
integran el sistema de enfriamiento del reactor R-1500.
Se elaboró una propuesta de control automático para el proceso de enfriamiento del reactor
R-1500.
Los parámetros del controlador PID convencional definidos para el sistema de enfriamiento
del reactor, mediante el método de la ganancia última y período último, logran la
disminución gradual de la respuesta simulada de la variable de proceso a razón de un
cuarto.
Se seleccionaron los equipos necesarios para el montaje del sistema de control del equipo
de enfriamiento en base a la compatibilidad con el sistema de control del reactor R-1500.
La inversión inicial para la implementación del sistema de enfriamiento es de 14 599 $ para
Julio de 2003.
RECOMENDACIONES
A continuación se presentan las recomendaciones que se proponen a la empresa y para
futuras investigaciones:
Hacer un estudio del enfriamiento del reactor R-1500 una vez instalado a fin de mejorar las
condiciones de proceso en que debe operar el sistema.
Realizar los ajustes finales a los parámetros del controlador, haciendo la entonación del
controlador sobre el proceso real.
Estudiar la factibilidad de poner en servicio todas las chaquetas del reactor por lo menos
durante el enfriamiento.
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