Libro Blanco Óptimo control de tem- peratura de reactores

Libro Blanco
Control de Temperatura Económico
Óptimo control de temperatura de reactores
El control de temperatura en laboratorios químicos
y farmacéuticos así como en plantas piloto y procesos industriales requiere de sistemas dinámicos
de control de temperatura. Al controlar los reactores, se debe de compensar las reacciones exotérmicas y endotérmicas con extrema rapidez y fiabilidad. Cuando se especifica el sistema de control
de temperatura más adecuado se deben considerar
una serie de condiciones y factores. Este artículo
proporciona criterios y consejos para la elección
de la solución más eficaz y más eficiente para sus
aplicaciones.
Índice
Control de temperatura de reactores .........................
Estabilidad de procesos ..............................................
Protección de la inversión ............................................
Seguridad de operación ..............................................
Listas de control
Lista de control 1: Estabilidad de proceso ..............
Lista de control 2: Protección de la inversión .........
Lista de control 3: Seguridad de operación ............
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Control de temperatura de reactores
La mayoría de aplicaciones de control de temperatura involucran reactores hechos de vidrio o acero. Los reactores de acero son más robustos
y duraderos mientras que los reactores de vidrio permiten al químico
ver los procesos dentro del reactor. Sin embargo, los reactores de vidrio
requieren extensas medidas de seguridad para un uso seguro.
Generalmente, los reactores tienen un recipiente interno que contiene las muestras que requieren control de temperatura. El recipiente interno está rodeado por una camisa que contiene fluido
térmico. El sistema de control de temperatura está conectado a la
camisa del reactor.
Para controlar la temperatura de un reactor, el sistema de control de
temperatura bombea de forma continua el fluido térmico a través de la
camisa del reactor. Los cambios bruscos de temperatura dentro del reactor son dinámicamente equilibrados gracias al rápido calentamiento
o enfriamiento. El líquido es calentado o enfriado dentro del sistema de
control de temperatura. A la derecha se muestra un sistema de control
de temperatura simplificado.
Ejemplos para aplicaciones de reactores
•Mini plantas, plantas piloto (por ejemplo, industrias
farmacéuticas y químicas)
•Pruebas de resistencia de materiales (por ejemplo,
industrias automotriz y aeronáutica, exploración
espacial)
Libro Blanco “Óptimo Control de Temperatura“
Vista funcional del control de
temperatura del reactor
Reactor
Sistema de control
de temperatura
Muestras
Electrónica
de control
Sonda de
temperatura
externa
Recipiente de
expansión interno
Bomba
Reactor
encamisado
Circuito
cerrado
Calefacción
Refrigeración
Fluido térmico
Intercambiador de calor
1
Al elegir un sistema dinámico de control de temperatura, se deben considerar una variedad de condiciones y factores influyentes. El objetivo
debe ser encontrar el control de temperatura más eficaz y eficiente para
la aplicación deseada a la vez de asegurar una óptima funcionalidad. La
siguiente gráfica muestra el rango de posibles resultados.
Funcionalidad y Eficiencia
Estabilidad de Proceso
Los materiales y el diseño del reactor tienen una gran influencia en el
control de temperatura de sistemas de reactores altamente dinámicos.
Un recipiente de paredes de vidrio transferirá calor de manera diferente
que uno con paredes de acero. El área de la superficie y el grosor de la
pared también tienen una gran influencia en la precisión.
La mezcla eficaz de los materiales iniciales dentro del reactor es muy
importante para alcanzar una buena homogeneidad, que a su vez
garantiza un óptimo intercambio de calor.
Las especificaciones establecidas en la Directiva de Equipos a Presión 97/23/EG y por los fabricantes de reactores proporcionan valores
de presión máxima para todo tipo de reactores. Cualquiera que sea la
aplicación de control de temperatura elegida, estos valores de límite
no pueden ser excedidos durante el funcionamiento bajo ninguna circunstancia. Los límites aplicables deben ser programados en la unidad
de control de temperatura antes de poner en marcha una aplicación de
control de temperatura.
¿Cómo podemos evaluar las soluciones de control de temperatura?
Para establecer un sistema de evaluación adecuado, la seguridad
debe ser un factor primordial. Cualquier decisión debe garantizar
la seguridad en muchos aspectos. No hace falta decir que la máxima prioridad es la seguridad del personal de servicio. Sin embargo,
la deci-sión final debe reflejar la consideración de tres aspectos adicionales: 1) la estabilidad del proceso, es vital para lograr una ejecución perfecta. 2) la protección de la inversión, que tiene dos aspectos: encontrar una solución que mantendrá su valor a largo plazo y
proteger los costosos equipos del reactor. 3) la seguridad de operación
de todo el sistema es esencial.
En resumen, la mejor solución de control dinámico de temperatura para
una aplicación combina tres factores clave: estabilidad de proceso, protección de la inversión y seguridad de operación. La siguiente figura
muestra la intersección máxima de estos criterios.
Aspectos de seguridad
Otro de los criterios específicos de reactores es la máxima diferencia de
temperatura permisible (Delta-T límite). Esto define la máxima diferencia entre la temperatura actual del fluido térmico y la temperatura de
los objetos dentro del reactor. Los reactores de vidrio son más sensibles
al estrés térmico que los reactores de acero. Cualquier equipo de control de temperatura le debería permitir programar valores específicos
del reactor para el límite Delta-T por unidad de tiempo.
Los siguientes tres componentes influyen en gran medida la estabilidad
del proceso dentro del sistema de control de temperatura:
• Intercambiador de calor
• Bomba
• Electrónica de control
Una solución de control de temperatura debe poseer una potencia calorífica y enfriante adecuada. Estas potencias influyen en gran medida
la velocidad para alcanzar las temperaturas deseadas. Para determinar
la potencia calorífica/enfriante requerida, el usuario debe considerar
la masa de las muestras, los tiempos de calentamiento y enfriamiento
deseados así como la capacidad térmica específica del medio de control
de temperatura.
Los sistemas dinámicos de control de temperatura están disponibles
con enfriamiento por aire o agua. Las unidades enfriadas con aire
pueden ser usadas en cualquier lugar donda haya un flujo de aire
adecuado. El calor retirado del reactor se transfiere al aire ambiente.
Las unidades enfriadas con agua deben estar conectadas a un suministro de agua refrigerante. Estas unidades son más silenciosas y no
añaden calor al laboratorio. Si la aplicación lo requiere, los sistemas
enfriados con agua pueden ser completamente cerrados.
La bomba integrada en el sistema de control de temperatura debe ser
lo suficientemente potente para alcanzar los caudales requeridos a
presión constante. La bomba debe proporcionar la presión necesaria
Determinación de la potencia de
refrigeración y calefacción
Ahora discutiremos cada uno de estos factores en detalle.
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Q =(m * c* dT) / t
Q =potencia enfriante/calorífica requerida en kW
m =masa del material en kg
c =potencia de calefacción específica
(agua = 4,2/ etanol = 2,5/ aceite de silicona = 1,8)
dT=diferencia de temperatura requerida en °C
t =tiempo deseado de enfriamiento/calentamiento
2
de forma rápida y con máximo control para evitar superar los valores
límites de presión mencionados anteriormente. La regulación de la potencia de la bomba debe de realizarse en segmentos o estableciendo
un límite de valor. Deben considerarse siempre las especificaciones de
presión y condiciones de operación del reactor. Los avanzados sistemas
de control de temperatura disponen de bombas que equilibran de manera automática y dinámica los cambios de viscosidad del fluido térmico para asegurar el mantenimiento continuo de la eficiencia energética,
ya que la viscosidad afecta el flujo y la transferencia de calor. Bombas
acopladas magnéticamente proporcionan una ventaja adicional ya que
crean un circuito termal sellado hidráulicamente. Las bombas autolubricantes también son beneficiosas porque prácticamente no necesitan
mantenimiento.
El circuito debe ser cerrado para evitar el contacto entre el fluido
térmico y el aire ambiente. Esto evita la penetración de la humedad
y oxidación e impide el escape de vapores de aceite al ambiente de
trabajo. Los cambios de volumen inducidos por la temperatura dentro
del intercambiador de calor deben ser absorbidos de forma permanente
por un recipiente de expansión interno de tamaño adecuado. Además,
el enfriamiento separado del recipiente de expansión garantiza que el
sistema de control de temperatura no se recalentará y no presentará un
riesgo al operador.
Un sistema de control de temperatura debe ser sólido y funcionar de
forma fiable incluso a altas temperaturas ambiente. En muchos casos
la temperatura ambiente de trabajo real se desviará de la temperatura
ideal de 20°C. Incluso el uso de una mini planta impone mayores demandas sobre el sistema de control de temperatura. Además, durante
los calientes meses de verano los sistemas de control de temperatura
están expuestos a situaciones críticas. La temperatura ambiente en laboratorios es generalmente más alta debido a las medidas de ahorro de
energía. Estos ejemplos ilustran la ventaja de los sistemas de control de
temperatura que trabajan de manera fiable a temperaturas ambiente
de +35 °C.
El control de temperatura altamente preciso es de suma importancia.
La sofisticada electrónica de control de un sistema de control de temperatura monitorea y controla permanentemente el proceso dentro del
reactor y el proceso interno del sistema. Cada vez que una variable de
control cambia, el sistema ajusta rápidamente la variable al setpoint
sin sobrepasarlo.
Se requiere una electrónica de control precisa para mantener la estabilidad de una aplicación de control de temperatura. Una forma de
evaluar la electrónica de control es examinar el esfuerzo requerido para
establecer los parámetros. Idealmente, un sistema de control de temperatura requerirá solamente que el usuario ingrese un setpoint. Durante
el proceso de control de temperatura, la electrónica de control debe
de ser auto-optimizante para obtener los mejores resultados posibles.
En resumen, podemos afirmar que la estabilidad del proceso y la seguridad durante el control de temperatura del reactor dependen del tipo
del reactor, la efectividad de transferencia de calor y la eficiencia de los
Características ideales de calentamiento y enfriamiento
componentes en el sistema de control de temperatura.
Aplicación de un sistema dinámico de control de
temperatura
Protección de la Inversión
Un sistema dinámico de control de temperatura es una inversión importante. En muchos casos, los costos para el sistema del reactor y materias primas son muy altos. Por esta razón, un sistema de control de temperatura no sólo debe ofrecer un alto retorno sobre la inversión (ROI)
sino que también proporcionar una protección fiable para el sistema de
reacción y materiales. Por lo tanto, se deben considerar los siguientes
factores a la hora de seleccionar un sistema de control de temperatura.
La bomba integrada en el sistema de control debe generar la presión
adecuada y proporcionar un control de usuario continuo protegiendo
la aplicación y preservando el valor de la inversión. Si la bomba se configura para ser autolubricante, ésta operará prácticamente sin desgaste
lo que minimiza el mantenimiento, el tiempo de inactividad y los costos.
Otro factor importante es el rango de temperatura de trabajo del sistema. Entre más amplio sea el rango, tendrá una mayor flexibilidad y
aumentará el valor de la inversión. Una unidad de control de temperatura ideal es capaz de cubrir un amplio rango de temperatura de trabajo
y de manejar varias aplicaciones diferentes en distintas temperaturas
y en cortos intervalos de tiempo. Estas situaciones son frecuentes en
laboratorios atareados.
Si decide que una unidad enfriada con agua es la más apropiada para
su situación, asegúrese de que tenga un condensador robusto y libre de
desgaste integrado en la unidad. Esto evitará que el agua refrigerante
sucia obstruya el intercambiador de calor.
Una unidad enfriada con aire eliminará los gastos en agua refrigerante.
Incluso “pequeños” factores pueden influir en su inversión. Por ejemplo,
tener un circuito cerrado de control de temperatura extenderá la vida
útil del fluido térmico.
Por supuesto no todo puede ser expresado en términos financieros.
Cualquier persona que trabaja en un laboratorio sabe que el espacio
es valioso. Entre menos superficie ocupe la unidad, habrá más espacio
para realizar el experimento. En muchos casos, hasta una pequeña cantidad de espacio puede hacer una gran diferencia en el laboratorio. Sin
embargo, para evaluar adecuadamente el tamaño del sistema de control de temperatura se debe mirar más alla de la superficie que ocupa.
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Es esencial tomar en cuenta cuanto espacio requieren las conexiones
y el flujo de aire apropiado. Un sistema de control de temperatura que
ahorra espacio tendrá tantas conexiones y rejillas de ventilación en la
parte frontal y trasera como sea posible. Las unidades diseñadas de
esta manera ahorran valioso espacio ya que permiten colocar aparatos
adicionales de laboratorio justo al lado del sistema de control de temperatura. Las unidades mal diseñadas requerirán espacio adicional que
debe mantenerse libre para conexiones y/o flujo de aire.
Por último, un sistema de control de temperatura con una larga vida útil
extenderá el valor de su inversión. Aquí los usuarios deben de contribuir
Sistema de control de temperatura convencional
Sistema de control
de temperatura
espacio de suelo
espacio adicional requerido
vista desde
arriba
vista frontal
vista lateral
Requiere espacio adicional en cada lado para conexiones y flujo
de aire.
Sistema de control de temperatura optimizador
de espacio
Sistema de control de temperatura
pruebas asegurando su valor a largo plazo.
Seguridad de Operación
El operador del sistema es el principal responsable de garantizar la
seguridad operacional del sistema el cual incorpora la unidad dinámica de control de temperatura. La Directiva de Maquinaria 98/37/EC
establece que el operador debe proporcionar a los usuarios con las
instrucciónes y asegurar que poseen las habilidades y conocimientos
necesarios. Sin embargo, los fabricantes meticulosos de sistemas de
control de temperatura van más allá. En particular, hacen esfuerzos
continuos para integrar mejoras en sus productos que apoyan al usuario durante la instalación, puesta en funcionamiento y trabajo diario del
laboratorio. En otras palabras, vale la pena considerar qué pasos serán
necesarios para la instalación y puesta en funcionamiento. Entre más
sencillos sean estos pasos, más rápido se puede comenzar a utilizar el
sistema.
Los sistemas de control de temperatura de vanguardia ofrecen una
presentación clara y organizada de toda la información importante
en forma de valores numéricos, gráficos y noticias en texto. Disponer
de información de fácil acceso sin necesitar decodificación ahorra una
enorme cantidad de tiempo. Es por esto que la información siempre
debe mostrarse en pantallas grandes. Tener una pantalla táctil integrada incrementa la facilidad de uso del sistema de control de temperatura. Las interfaces de usuario de vanguardia tienen la capacidad de
administrar diferentes categorias de ususarios, cada una protegida con
contraseña. El administrador también tiene la posibilidad de establecer
los parámetros de uso común con antelación. A otros empleados se les
concede acceso limitado que les permite recuperar estos ajustes. Esto
puede simplificar en gran medida los procedimientos en el laboratorio
y prevenir cambios de parámetros no deseados y fallos de operación.
espacio de suelo
espacio adicional requerido
vista desde
arriba
vista frontal
vista lateral
Espacio para las conexiones y el flujo de aire necesarios sólo en
la parte frontal y trasera.
realizando mantenimiento preventivo tal como limpiar el condensador
de las unidades enfriadas con aire. La calidad del servicio y soporte
brindada por el fabricante también juega un papel importante. Además
de brindar un asesoramiento y servicio competente, un fabricante de
renombre brinda soporte al consumidor durante la instalación y calibración y también ofrece acceso a cualquier documentación necesaria
para calificar la unidad en el lugar de operación.
Para que esto vaya de la mejor manera posible, asegúrese siempre que
todos los requisitos técnicos y todas las condiciones se cumplan en el
lugar de instalación, tal como una conexión de energía adecuada.
En resumen: los componentes eficientes dentro del sistema también
ayudarán a preservar el valor de su inversión. La unidad de control de
temperatura debe reflejar estándares de alta calidad. La certificación
de acorde al mundialmente reconocido estándar DIN EN ISO 9001 es
una clara indicación de calidad. La etiqueta “Made in Germany” sirve
como un fuerte indicio que el producto ha sido sometido a exhaustivas
Libro Blanco “Óptimo Control de Temperatura“
Visualización y operación a través del panel táctil de color
industrial
Otro criterio para la mejora de la seguridad del usuario es la disponibilidad de interfaces extensas que permitan el control a distancia del
sistema de control de temperatura a través de una red o un centro de
control. La operación directa de un sistema de control de temperatura
no siempre es deseado o posible. Estándares de interfaz moderno como
Ethernet o USB proporcionan las condiciones ideales para acceder a
todas las funciones del sistema de manera remota. El trabajo del usuario se hace mucho más fácil cuando la interfaz de usuario basada en la
red tiene la misma funcionalidad que la interfaz de la unidad de control
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de temperatura. Esto ayuda a disminuir la curva de aprendizaje y evita
errores del operador.
Llevar a cabo una serie de experimentos bajo condiciones de temperatura idénticas es una práctica común en los laboratorios. Incluso experimentos fallidos deben ser repetidos, por lo general bajo, los mismos
parámetros de control. El sistema de control de temperatura debe tener
funciones que permitan la reproducibilidad precisa en estas situaciones.
Estas funciones disminuyen simultáneamente el gasto de generar documentación para el experimento.
Aunque los sistemas de control de temperatura están cada vez más
equipados con funciones de mando intuitivos, se recomienda preguntar
sobre la formación de usuarios al fabricante del sistema. Los usuarios
deben ser muy bien capacitados para manejar complejos sistemas de
manera competente y cumplir con requisitos cada vez más exigentes
para ejecutar correctamente los experimentos.
La seguridad operacional depende a menudo de factores que parecen
tener muy poca importancia. Por ejemplo, vale la pena confirmar los
rangos de temperatura de trabajo cubiertos por fluidos térmicos específicos. Algunos sistemas de control de temperatura pueden usar un
sólo fluido térmico a través de todo el rango de temperatura de trabajo,
evitando al usuario la molestia y el costo de cambiar el fluido. Esto también hace más sencillos los inventarios. Los laboratorios pueden llevar
a cabo una serie de pruebas a bajas y altas temperaturas sin detenerse
a drenar el fluido, limpiar la unidad y rellenar con un fluido diferente.
Esto mejora en gran medida la flexibilidad del sistema de control de
temperatura mientras ahorra una gran cantidad de tiempo.
Si el sistema de control de temperatura está ubicado en la misma habitación que los trabajadores, el ruido del sistema es otro criterio importante a tomar en cuenta. Afortunadamente, existen sistemas de control
de temperatura que emiten poco más que un susurro mientras está en
funcionamiento resultando en un beneficio ergonómico significativo.
No se debe subestimar la importancia de un puerto de llenado de fácil
acceso. La ubicación de la abertura de llenado debe hacer el llenado de
la unidad lo más fácil posible.
Intercambiado de datos a través de la interfaz USB
Si el sistema de control de temperatura será usado en distintos lugares,
se debe considerar de antemano la transportabilidad. ¿Se necesita de
varias personas para tranportar la unidad o puede una sola persona
moverla fácilmente?
Por último, la seguridad operacional depende de todo factor que juegue
un papel en el uso diario de la solución de control de temperatura.
La solución de control de temperatura ideal le permitirá una rápida
instalación y puesta en funcionamiento, tendrá operaciones de procedimientos fáciles de aprender y detalles útiles que hacen que la operación
sea más cómoda, ergonómica y segura.
Control remoto de sistemas dinámicos de control de
temperatura vía Ethernet con una interfaz de usuario
1:1 en la PC
Listas de control
Las siguientes listas de control resumen los hallazgos discutidos en el texto.
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Lista de Control 1: Estabilidad de proceso
Aspectos relacionados con el usuario
Calcular la potencia calorífica/enfriante requerida
 Consejo: Pedir al fabricante que calcule la potencia calorífica/enfriante correcta!
Comparar las temperaturas de trabajo requeridas con el rango de temperatura de trabajo
de la solución de control de temperatura
 Consejo: Pedir al fabricante que le brinde asistencia!
Observar los valores de presión y las condiciones de operación del reactor
Garantizar una buena mezcla en el reactor




Criterios para una solución de control de temperatura optimizada
––
Relevancia
–
+
++
Criterios de Evaluación
Cumplen




Capacidad de introducir valores de presión máxima
permisible





Capacidad de introducir diferencias de temperatura
entre el reactor y fuente de alimentación





Capacidad de introducir diferencias de temperatura
entre el reactor y el interior de la camisa





Altas potencias de calefacción/refrigeración





Amplio rango de temperatura de trabajo













Potente bomba





Valor de presión ajustado en etapas o en especificación
de presión





Bomba con compensación dinámica de la viscosidad





Bomba con acoplamiento magnético para circuito de
refrigeración sellado hidráulicamente





Bomba auto-lubricante, poco mantenimiento


Enfriado con aire
 instalación flexible
 ahorra agua refrigerante
Enfriado con agua
 puede ser completamente cerrado
 requiere conexión de agua






Recipiente de expansión interno con refrigeración
suplementaria
 evita el sobrecalentamiento del sistema de control
de temperatura, reduciendo el riesgo de lesiones




Sistema de control de temperatura robusto incluso en
temperatura ambiente superior a +35°C





Electrónica de control de alta precisión que requiere un
mínimo esfuerzo para establecer los parámetros

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Lista de Control 2: Protección de la inversión
Aspectos relacionados con el usuario
Tareas de mantenimiento preventivo
Limpieza programada regularmente
 Consejo: Revise las ofertas de servicio y soporte del fabricante!
Considerar las condiciones y requerimientos técnicos necesarios en el lugar de
instalación, por ej., conexión de energía



Criterios para una solución de control de temperature optimizada
––
Relevancia
–
+
++
Criterios de Evaluación
Cumplen




Presión se construye de manera rápida y controlada,
protegiendo la aplicación





Bomba de poco mantenimiento (auto-lubricante)
 Evita costos secundarios y tiempo de inactividad





Amplio rango de temperatura de trabajo
 para repetir experimentos en cortos intervalos de
tiempo con diferentes temperaturas






Intercambiador de calor sin desgaste (en unidades
enfriadas con agua)
 evita contaminar el agua refrigerante y obstruir el
sistema




Unidad de control de temperatura enfriada con aire
 ahorra costosa agua enfriante





Circuito cerrado de control de temperatura
 vida útil del fluido térmico más larga


Espacio requerido para la unidad de control de
temperatura
 MÁS espacio necesario para conexiones y para
entrada/salida de aire




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Lista de Control 3: Seguridad de Operación
Aspectos relacionados con el usuario
El operador debe observar la Directiva de Máquinas
El usuario debe ser capacitado y poseer las habilidades y conocimientos necesarios
 Consejo: Pregunte al fabricante sobre la capacitación de usuarios!


Criterios para una solución de control de temperature optimizada
––
Relevancia
–
+
++
Criterios de Evaluación
Cumplen




Procedimientos de instalación y de operación inicial
son rápidos y directos
 posible soporte por parte del fabricante





La pantalla está bien organizada y muestra toda la
información relevante





La pantalla muestra valores y gráficos





Avisos y mensajes de error aparecen en texto





Función táctil integrada
 mayor conveniencia para el usuario






Múltiples niveles de usuario (protegidos con
contraseña)
 el administrador puede establecer parámetros
 otros usuarios recuperan los ajustes
predeterminados
 evita cambios no deseados y el uso inadecuado




Extensas interfaces
 interfaces estándar como Ethernet y USB





Integración en los sistemas de control






Control remoto basado en la red
 acceso completo a todas las funciones
 interfaz de usuario en la PC de control es idéntica
a la pantalla en la unidad




Datos son almacenados para la documentación del
experimento





Reproducción rápida y simple de una serie de
experimentos






Fluido térmico cubre todo el rango de temperatura de
trabajo
 reduce la necesidad de cambiar el fluido
 simplifica el inventario
 sin interrupción cuando se cambia entre los
experimentos con altas y bajas temperaturas




Nivel de ruido de funcionamiento
 unidades silenciosas son más ergonómicas





Abertura de llenado de líquido de fácil acceso





Fácil portabilidad
 idealmente por una sola persona

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