control de reactores

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CONTROL DE REACTORES
Plantas Químicas
! Reactores de tanque agitado
!
!
!
!
Grados de libertad
Control de presión
Control de temperatura
Control de calidad
! Reactores de flujo pistón
! Reactores batch
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
¿grados de libertad?
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Variables CV’s y MV’s
Tema 6: Control de reactores químicos
CSTR: Control de presión
Plantas Químicas
Si existe equilibrio normalmente
no se controla la presión y se
controla únicamente la
temperatura.
¿Por qué?
Tema 6: Control de reactores químicos
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Con salida de gases
Reactivo B
Reactivo A
F2
PIC
F1
Producto (g)
Plantas Químicas
G
CWR
C
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
CWS
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Sin salida de gases
PIC
F1
F2
Reactivos (l)
Plantas Químicas
Reactivos (g)
CWR
C
Productos (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
CWS
CSTR: Control de temperatura
Plantas Químicas
¿Cuáles son las variables
manipuladas más efectivas para
el control de la temperatura?
A+ BAC
A reactivo limitante
Volumen de reacción constante
Tema 6: Control de reactores químicos
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Reacciones exotérmicas
Cinética según la expresión de Arrhenius
Plantas Químicas
r = k0 e
< Ea
RT
k0 Constante preexponencial
Ea energía activación
R constante universal de los gases
T temperatura de la reacción
Reacción exotérmica desprende calor
Fenómeno de RUNAWAY
Tema 6: Control de reactores químicos
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Calor generado en el reactor
Qgenerado = 6H reac Fx A_
Qgenerado = f (T )
_ = f (r )
Plantas Químicas
r = f (T )
Calor eliminado en el reactor
Qeliminado = U u A u 6Tlm
(T < Tref ,in ) < (T < Tref ,out )
6Tlm =
T < Tref ,in
ln
T < Tref ,out
Tema 6: Control de reactores químicos
Tomando Tref constante:
Qeliminado = U u A u (T < Tref )
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Balance de entalpía al reactor
F1hF1 + F2 hF2 + Qgenerado = FC hFC + Qeliminado
Si queremos T constante (controlada)
Plantas Químicas
Entalpiareactivos ≈ Entalpia productos
Qgenerado = Qeliminado
Tema 6: Control de reactores químicos
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Balance entálpico (gráficamente)
CALOR GENERADO / ELIMINADO
Plantas Químicas
G1
G-G1
G-G2
E1
E2
Calor generado con y sin
disparo
Calor eliminado con
distintos U*A
G2
Punto F. Estable
P2
Punto de control
PC
E1
E2
Punto F. Estable
P1
G
U*A
U*A
TEMPERATURA
T refrigerante
T refrigerante
Un mejor control parte de un mejor diseño
Tema 6: Control de reactores químicos
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CALOR GENERADO / ELIMINADO
Plantas Químicas
Horquilla de estabilidad
G-G2 Calor generado
E1: Tangente a la curva en el punto de control
E2: Pendiente máxima (T=TR)
Punto de control
E2
G
E1
TEMPERATURA
T R1
T R2
Tema 6: Control de reactores químicos
G2
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Control actuando sobre el calor generado
Actuar sobre la carga, es decir, sobre la capacidad de producción.
PIC
CALOR GENERADO / ELIMINADO
Plantas Químicas
TIC
G2
Producto (g)
Reactivos
G1
Recta de calor
eliminado
Calor generado
manipulando la
carga
CWR
LIC
CWS
E
tª controlada
G3
TEMPERATURA
T refrigerante
Tema 6: Control de reactores químicos
Producto (l)
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Control actuando sobre el calor eliminado
Se puede actuar sobre uno de los 3 factores:
U
A 6Tlm
CALOR GENERADO / ELIMINADO
Plantas Químicas
Actuación sobre U (coef. Global de transmisión de calor)
G
E1
E2
E3
Calor generado
Calor eliminado
manipulando U*A
E3
E2
U*A
E1
U
tª controlada
G
TEMPERATURA
T refrigerante
Tema 6: Control de reactores químicos
1 1
+
hi ho
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Manipular la velocidad de agitación
TIC
FIC
M
Plantas Químicas
Reactivos
CWR
LIC
Producto (l)
CWS
Tema 6: Control de reactores químicos
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Manipular caudal de refrigerante
Plantas Químicas
Reactivos
CWR
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
CWS
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Plantas Químicas
Problemas en la variación del caudal de refrigerante
Tema 6: Control de reactores químicos
Plantas Químicas
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• Variación muy no lineal
• Rango limitado de aplicación (ganancia)
Tema 6: Control de reactores químicos
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Manipular caudal de refrigerante: lazo en cascada
Producto (g)
Plantas Químicas
Reactivos
CWR
SP
LIC
Producto (l)
CWS
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Respuesta ante un escalón en la temperatura de entrada del refrigerante
a) Control SIN cascada
b) Control CON cascada
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Respuesta ante un cambio en la entrada de reactivos
a) Control SIN cascada
b) Control CON cascada
Tema 6: Control de reactores químicos
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Lazos en cascada
Técnica de control que emplea DOS controladores con un lazo
de control dentro del otro.
Plantas Químicas
El lazo interior se denomina lazo secundario (o esclavo) y es
el que actúa sobre el elemento final (válvula de control).
El lazo exterior se denomina lazo primario (o maestro) y su
labor es fijar el set-point del lazo secundario.
¿Es importante la respuesta de los lazos para que fucione?
Tema 6: Control de reactores químicos
Plantas Químicas
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Tema 6: Control de reactores químicos
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Actuación sobre A (área de transferencia)
Esto no es posible para un reactor dado. Sólo es posible actuar
sobre este parámetro en la fase de diseño del reactor.
CALOR GENERADO / ELIMINADO
Plantas Químicas
Actuación sobre ΔT (diferencia de temperaturas)
G
E1
E2
E3
Calor generado
Calor eliminado
manipulando la tª de
refrigerante
E3
E2
E1
tª controlada
G
T refrigerante
TEMPERATURA
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Recirculación con bomba (manipulación del aporte)
TIC
Producto (g)
Reactivos
CWS R
T R salida
T R entrada
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
R
CWS
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Plantas Químicas
Dibuja el esquema de recirculación con control en cascada.
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Ganancias ppal y secundaria
Tema 6: Control de reactores químicos
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TEMPERATURA DEL REACTOR
Plantas Químicas
Ganancia con manipulación del aporte
F1, F2: Caudales de alimentración al reactor
(Carga)
F2
F1
CAUDAL DE REFRIGERANTE
Funcionamiento similar al visto sin recirculación pero
permite menor caudal de refrigerante.
Tema 6: Control de reactores químicos
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Circulación a través de cambiador de carcasa-tubos externo
FIC
TIC
Plantas Químicas
Reactivos
CWR
LIC
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
CWS
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Circulación a través de cambiador externo y by-pass
PIC
Producto (g)
Plantas Químicas
Reactivos
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Control mediante fluido en evaporación
¿por qué es necesario el lazo de nivel en el refrigerante?
¿Se podría controlar con la ebullición de un reactivo? Dibuja un esquema de control
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Reactivo en evaporación
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Reactivo en evaporación
Tema 6: Control de reactores químicos
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FIC
TIC
Plantas Químicas
Reactivos
CWR
T Refrigerante
Producto (l)
Tema 6: Control de reactores químicos
SP
CWS
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Reacciones endotérmicas
CALOR DEMANDADO / APORTADO
Plantas Químicas
G: Curva de demanda
G
E1, E2: Rectas de aporte
de calor manipulando la
tª de F. calefactor
Punto F. siempre Estable
E1
tªcontrolada
E2
G
U*A
TEMPERATURA
T fluido calefactor
Siempre hay un único punto de corte: control estable y más sencillo.
Tema 6: Control de reactores químicos
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Manipulación de U*A
CALOR DEMANDADO / APORTADO
Plantas Químicas
G: Curva de demanda
G
E1, E2: Rectas de aporte
de calor manipulando la
pendiente U*A
Punto F. siempre Estable
E1
tªcontrolada
E2
G
U*A
TEMPERATURA
T fluido calefactor
Se aplican los mismos principios que los explicados para reacciones
exotérmicas.
Si se controla por condensación de un vapor hay que tener en
cuenta que al actuar sobre el caudal se actúa sobre la presión y por
tanto la temperatura.
Tema 6: Control de reactores químicos
CSTR: Control de calidad
Plantas Químicas
El control de la carga (capacidad de producción) se fija
mediante un lazo FIC sobre una corriente de entrada (reactivo
limitante) o sobre la salida (producto). El nivel se controla con
la salida (o una entrada).
_
_
_
_
El control de calidad se hará ajustando la relación entre los reactivos
Tema 6: Control de reactores químicos
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Reactor de paso único
Plantas Químicas
Cuando hay altas conversiones en el reactor
¿Inconvenientes?
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Ratio control
Tema 6: Control de reactores químicos
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Control de relación (ratio control)
! Busca mantener fija la relación entre dos variables.
! Dos configuraciones:
Plantas Químicas
! Dividir las señales y obtener el ratio como variable a
controlar (el set-point es un ratio)
! Multiplicar una señal por el ratio, este es el set-point que
se compara con la otra señal de proceso.
Tema 6: Control de reactores químicos
Ratio control
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PV1
PV2
PV
Configuración 1
PV = PV1 / PV2
SP = ratio
SP
FIC
FT
Plantas Químicas
FT
ratio
K
PV1
SP
Configuración 2
SP = ratio * PV1 =
= consigna PV2
FIC
PV2
FT
FT
Tema 6: Control de reactores químicos
Plantas Químicas
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¿Cuál puede ser el esquema de control si un reactivo está en
una fase distinta al otro reactivo y a los productos?
Tema 6: Control de reactores químicos
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Carga
Plantas Químicas
SP
Tema 6: Control de reactores químicos
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Carga
Plantas Químicas
SP
Tema 6: Control de reactores químicos
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Reactor con reciclo de reactivos
Plantas Químicas
Cuando la conversión por paso en el reactor es baja es necesario
reciclar para aprovechar el reactivo no consumido.
¿es posible?
Tema 6: Control de reactores químicos
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Ctrl. Calidad. Reciclo 1 reactivo
Carga
SP
Plantas Químicas
Reactivo A
Reactor
Reactivo B
Producto
+ Reactivo B
no reaccionado
Depósito de B
Operación
de
separación
Alimentación
fresca de B
Producto C
Tema 6: Control de reactores químicos
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Reactor con reciclo de inertes
Carga
SP
Reactivo B
Reactivo A
Plantas Químicas
Disolvente
Aporte
Disolvente
Disolvente
Operación
de
separación
Producto C
Tema 6: Control de reactores químicos
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Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos
Carga
SP
Carga
SP
Reactivos A+B
Reactivos A+B
Reactivo A
Reactivo A
Plantas Químicas
Balance no
¿Algún
garantizado
problema?
Reactor
Reactor
Reactivos A+B
Producto
+ Reactivos A y B
no reaccionados
Operación
de
separación
Depósito de A+B
Reactivo s A+B
LIC
Producto
+ Reactivos A y B
no reaccionados
Alimentación
fresca de B
Operación
de
separación
b)
a)
Tema 6: Control de reactores químicos
AIC
Alimentación
fresca de B
Producto C
Producto C
Depósito de A+B
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Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos
Carga
SP
Reactivo s A+B
Reactivos A+B
Reactivo A
Reactivo A
Plantas Químicas
AIC
Puede presentar el efecto
¿Algún
bola de nieve
problema?
Reactor
AIC
Reactivo B
Reactivo B
Carga
SP
Reactivos A+B
Producto
+ Reactivos A y B
no reaccionados
Operación
de
separación
Producto C
c)
Reactor
Producto
+ Reactivos A y B
no reaccionados
Depósito
de A+B
Reactivos A+B
Operación
de
separación
Producto C
d)
Tema 6: Control de reactores químicos
Depósito
de A+B
Plantas Químicas
Reactor de flujo pistón
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
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Tema 6: Control de reactores químicos
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Problemas de funcionamiento
Hot Spot
Plantas Químicas
Zona de temperatura máxima dentro del reactor
tubular. Hay que controlarlo para evitar runaway.
Respuesta inversa
Calentamiento ante un enfriamiento de los reactivos
a la entrada, debido a las diferentes velocidades de
propagación de las perturbaciones de concentración
y temperatura.
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Este esquema funcionaría en estado estacionario, pero ante una
perturbación y debido al problema de respuesta inversa no
funcionaría de forma adecuada.
Si la temperatura de la alimentación baja y hay respuesta inversa la
temperatura sube por lo que la acción de control es enfriar más lo
cual va en contra de la perturbación.
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Control selectivo por temperatura máxima
Tema 6: Control de reactores químicos
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Control selectivo
Plantas Químicas
• Surge cuando hay especificaciones en más variables controladas
que las que pueden satisfacerse con las variables manipuladas.
• Debido a esto es necesario hacer una selección entre las variables
controladas.
• Hay selectores de alta y de baja.
• Tienen básicamente 4 áreas de aplicación:
• Selección entre múltiples entradas (auctioneering)
• Redundancia de instrumentación
• Seguridad, protección de equipos y personal
• Satisfacción de restricciones
>
<
Selector de alta
Selector de baja
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Control por enfriamientos intermedios
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Control por inyección directa de reactivo
Tema 6: Control de reactores químicos
Reactor batch
Procesos discontinuos (farmacia, plásticos)
Con operaciones de puesta en marcha y parada
diarias (el control tiene que intentar minimizar
su duración).
Plantas Químicas
No se dispone de las variables de los caudales para
actuar, tan sólo de la corriente de energía.
Normalmente se lleva el reactor a la
temperatura de reacción y luego se añade (el o
los reactivos) según si es catalizada o no.
Son procesos que necesitan tanto calentamiento
(para llevar el reactor a la temperatura de
reacción) como enfriamiento (para disipar el
calor en reacciones exotérmicas).
Tema 6: Control de reactores químicos
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Plantas Químicas
Reactor semi batch
Tema 6: Control de reactores químicos
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Control por rango partido
100
Apertura de válvula %
V2
0
V1
Plantas Químicas
3
Tema 6: Control de reactores químicos
V1
V2
9
Salida del Controlador (OP) en psi
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