Práctica de función de transferencia con Hysys

2. FUNCION DE TRANSFERENCIA
1. OBJETIVOS
1.1. Simular, en estado estacionario y dinámico, un proceso de mezclado asistido por
HYSYS
1.2. Diseñar el tanque, las válvulas y la bomba instaladas para controlar el flujo de
alimento, el nivel de líquido y la presión en el separador de fases
1.3. Sintonizador un controlador de composición de acuerdo a las reglas de HYSYS
1.4. Utilizar el botón de función de transferencia de HYSYS para considerar un atraso
por transporte en la dinámica de un lazo de control
2. PROCESO ESTUDIADO
El proceso consiste en un tanque de mezclado de 1000 galones de capacidad con dos
corrientes de alimentación. Una corriente con 95 % en peso de etanol y el resto de agua,
90°F y 150 psia se transporta con un flujo de 100 lbmoles/h que se mezcla con una
segunda corriente que contiene agua pura y se transporta a 90°F y 150 psia y 600
lbmol/h. Este flujo se controla mediante la manipulación de la válvula V3. Se desea que
la mezcla líquida que sale por el fondo tenga una concentración de 12.58 % molar de
etanol, para lo cual se instala un control de concentración manipulando el flujo de la
corriente de alimento de etanol a través de la válvula V1. El tanque de mezclado opera a
110 psia y se controla su nivel de líquido en un 50% de la altura del tanque, mediante la
manipulación del flujo a través de la válvula V5.
Se alimenta un pequeño flujo de nitrógeno de 7 lbmol/h para efectos de controlar la
presión en el tanque, lo que se realiza mediante la manipulación del flujo a través de la
válvula V4 colocada en la corriente de venteo del tanque. Las válvulas V1, V2, V3 y
V5 se diseñan para estar 50 % abiertas con caídas de presión de 40 psia. La válvula de
venteo V4 se diseña para estar un 20 % abierta a las condiciones de diseño y descarga a
una línea de venteo a 20 psia.
2.1. PAQUETE FLUIDO
2.1.1. COMPONENTES:
2.1.2. ECUACIONES:
2.1.3. REACCIONES:
2.1.4. SISTEMA DE UNIDADES :
Agua, Nitrógeno y Etanol
Fase líquida: Wilson
Fase gaseosa: Peng Robinson
No hay. No es un proceso con reacción
Field
2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 2.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de mezclado terminada
la simulación en estado estacionario
3. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO
A continuación se instalan, en forma secuencial las corrientes y válvulas de entrada y
salida, además de la bomba encargada de impulsar la fase líquida que emerge por el
fondo del separador de fases.
Instalación de corrientes
Etanol: especificaciones de 150 psia, 90°F, 100 lbmol/h, 95 % en peso de etanol, 5 %
en peso de agua. Conecte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente
Salida_V1 con una caída de presión de 40 psia.
Nitrógeno: especificaciones de 150 psia, 90°F, 7 lbmol/h y 100 % nitrógeno. Conecte
esta corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Salida_V2 con una caída de
presión de 40 psia.
Agua: especificaciones de 150 psia, 90°F y 600 lbmol/h. Conecte esta corriente a la
válvula V3 que descarga a la corriente Salida_V3 con una caída de presión de 40 psia.
Tanque Mezclador: Instale un separador de fases con el nombre de Mezclador,
conéctelo con las corrientes de entrada Salida_V1, Salida_V2 y Salida_V3; corrientes de
salida Venteo y Líquido. Conecte estas corrientes a las válvulas V4 y V5 con caídas de
presión de 90 psia y 40 psia, respectivamente. En la página “Parameters” de la pestaña
“Design” seleccione en el cuadro “Type” la opción “Tank”
4. DISEÑO DE LOS EQUIPOS
Dimensionamiento del Separador de fases
El volumen del tanque se estima en 1000 galones. Las especificaciones del
dimensionamiento del tanque se realizan en la página Sizing de la pestaña. Al digitar el
volumen inmediatamente HYSYS sugiere un diámetro y altura para el tanque.
Diseño de las válvulas de control
Las válvulas de V1, V2, V3 y V5 se diseñan para estar 50 % abiertas con caídas de
presión de 40 psia. La válvula de venteo V4 se diseña para estar 20 % abierta con una
caída de presión de 90 psia. Abra la página Dynamics de cada una de las válvulas de
control para encontrar el correspondiente coeficiente, CV, de ellas. Para cada una de
estas válvulas active la opción Check Valve (Prevents BackFlow) para prevenir
retroflujo.
5. ACTIVACION DEL HYSYS AL MODO DINAMICO
Antes de cambiar al estado dinámico es conveniente guardar el proceso que se ha
construido hasta este momento en el estado estacionario con el nombre de
MezcladorEstacionario y añadir un nuevo PFD con el nombre de MezcladorDinamico.
Al activar el simulador al mode dinámico se despliega una ventana que sugiere algunos
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cambios los cuales se harán haciendo clic sobre el botón “Make Changes”. Haga
nuevamente clic sobre el icono para activar el HYSYS al modo dinámico y haga clic en
el botón Aceptar que le pregunta por la seguridad de hacer dicho cambio.
Figura 2.1. Diagrama de flujo del Mezclador en estado estacionario
6. LAZOS DE CONTROL
Se controlan la concentración de etanol en la corriente líquida producto, el nivel de líquido
y la presión en el tanque y el flujo de entrada de agua manipulando las válvulas V1, V5, V4
y V3, respectivamente
Control de Concentración de Etanol
Muchas medidas de composición se obtienen por medio de analizadores cromatográficos.
Estos aparatos tienen tiempos muertos inherentes, que afectan significativamente el
desempeño de los controladores. En este ejemplo se supondrá un tiempo muerto de 3
minutos en el analizador pero en algunos casos difíciles de medir, el tiempo muerto puede
ser mucho mayor. El tiempo muerto se introduce en HYSYS mediante el bloque Función
de Transferencia que se encuentra en la paleta de objetos
Función de Transferencia
El procedimiento para instalar una función de transferencia es el mismo utilizado para la
instalación de los controladores:
1. Seleccione el bloque Función de Transferencia de la paleta de objetos y colóquelo
en el diagrama de flujo del proceso
2. Despliegue la ventana de propiedades de la Función de Transferencia y en la
pestaña “Connections” introduzca la variable de entrada solamente. La variable de
proceso PV es “Component Mole Frac” del componente etanol en el objeto
corriente “Salida_V5”. La variable de salida, OP, de este bloque se debe instalar
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desde el bloque controlador de concentración como su variable de entrada. La
Figura 2.2 muestra las conexiones del botón Función de Transferencia después de
conectado completamente
Figura 2.2. Conexiones de la Función de Transferencia Tiempo Muerto
3. Despliegue la pestaña “Parameters” de la Función de Transferencia y en la página
“Configuration” especifique los valores mínimo y máximo de PV como 0 y 0.25
para la fracción molar de etanol. La fracción molar en el estado estacionario es de
0.1258. Después de instalado y sintonizado el controlador especifique los valores
mínimo y máximo del OP como 0% y 100%, respectivamente. Observe Figura 2.3
4. Para la instalación de una Función de Transferencia de Tiempo Muerto seleccione la
página “Delay” de la página Parameters y a haga clic en el cuadro de verificación de
la opción “Delay” dentro de la sección “Active Transfer Functions”. En la sección
“Delay Parameters” especifique una ganancia de 1.0 y un tiempo muerto de 3
minutos como se observa en la Figura 2.4
Las condiciones iniciales de estos bloques de Función de Transferencia no se
muestran inmediatamente en la carátula. Primero hay que arrancar el integrador. Es
una muy buena idea dejar el controlador de composición en manual cuando se
arranca por primera vez el integrador.
HYSYS tiene una falla en el elemento Delay. Si se reajusta el tiempo a cero, el
elemento Delay se desactiva (su señal de salida no cambia). Por consiguiente, no
cambie el tiempo a cero. Esto es inconveniente para obtener gráficas. Para obviar
este problema la simulación se debe copiar en archivos históricos para usar otro
software de gráficas y luego se debe restar el tiempo inicial para obtener gráficos
que comiencen en cero.
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Figura 2.3. Parámetros de la Función de Transferencia
Figura 2.4. Función de Transferencia de Ganancia y Tiempo Muerto
Surge otro problema en HYSYS cuando se colocan funciones de transferencia en
serie. Algunas veces funciona y otras no. Por ejemplo, si se instalan dos atrasos
dinámicos (Lags) en serie, el primer atraso parece funcionar correctamente,
obteniéndose las señales esperadas de entrada y salida. Sin embargo, la señal que el
segundo atraso ve no es la señal de salida del primer atraso. Este problema dificulta
colocar múltiples elementos en serie en un circuito de control. Por ejemplo, no se
puede poner un bloque sumador o un bloque selector en serie con un atraso
dinámico.
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Controlador de Concentración de Etanol
5. Presione el icono “Control Ops” que se encuentra en la paleta de objetos y, a
continuación seleccione el bloque “PID Controller” que se encuentra en la pequeña
ventana desplegada
6. Despliegue la ventana de propiedades del controlador y en la página “Connections”
introduzca sus conexiones como lo muestra la Figura 2.5. Debe hacerse esto
primero, porque la conexión entre la variable de salida de la Función de
Transferencia y la entrada al controlador de composición se debe hacer en la
ventana “Connections” del controlador. Ahora, observe la ventana de
especificaciones de la función de transferencia y notará que se ha insertado su
variable de salida como aparece en la Figura 2.2.
Figura 2.5. Conexiones del controlador de composición de etanol
7. Despliegue la ventana de propiedades del controlador de composición y especifique
en la página “Parameters” los valores mínimo y máximo para las fracciones molares
de etanol de 0 y 0.25 en la corriente Salida_V5 (Sección Range). Especifique
además como ganancia el valor 1.0.
8. Instale la carta registradora de las variables PV, OP y SP para el controlador de
concentración de etanol
Autosintonización
A continuación se debe sintonizar el controlador de composición. Una de las características
mas convenientes de HYSYS para la evaluación del desempeño de controladores es el
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“Autotuner”. Este método implementa automáticamente la prueba “RetroalimentaciónRelé”. Para ello:
9. Despliegue la página “Autotuner” de la pestaña “Parameters”.
10. Con el simulador en Modo Inactivo haga clic sobre el botón “Start Autotuner”
11. Presione el icono “Mode Active” para empezar la simulación. La autosintonización
se realiza en un tiempo muy corto y se puede observar la variación de PV y OP en la
carta registradora
12. Los parámetros de sintonización para un controlador aparecerán en la ventana de
propiedades como se observa en la Figura 2.6
Figura 2.6. Sintonización de HYSYS para el controlador de composición
13. Haga clic en el botón “Accept” para aceptar dichos parámetros como los de
sintonización del controlador de composición de etanol
14. Coloque el controlador en Modo Automático desde el botón desplegable de su
carátula y espere un tiempo muy breve para observar la estabilidad del control.
15. Coloque el simulador en Modo Inactivo para instalar el controlador de nivel de
líquido en el mezclador
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Control de Nivel de Líquido en el Mezclador
Para la instalación del control de nivel de líquido en el tanque se utiliza la opción
“Add/Configure Level Controller” que se encuentra en la pestaña “Dynamics” de la
ventana de propiedades del controlador
1. Despliegue la ventana de propiedades del tanque separador y presione la pestaña
“Dynamics”.
2. Seguidamente presione el botón “Add/Configure Level Controller” y observe que
HYSYS ha instalado un controlador de nivel manipulando la válvula V5.
3. Despliegue la ventana de propiedades del controlador instalado y observe que se
encuentra completamente especificado incluyendo su sintonización para un
controlador proporcional – integral, su acción (directa) y los valores mínimo y
máximo de la variable de proceso.
4. Presione el botón “Face Plate” para desplegar la carátula correspondiente y coloque
el simulador en modo activo. Observe que HYSYS coloca al controlador en Modo
Automático
5. Detenga el simulador para instalar el control de presión en el tanque
Control de presión en el tanque
1. Instale un controlador con variable de proceso o PV, la presión de la corriente
“Venteo” y la variable a manipular el flujo de la corriente a través de la válvula V4.
2. Despliegue la pestaña “Parameters” y seleccione la acción directa porque para un
aumento en presión o PV se debe aumentar la abertura de la válvula V4
3. Asigne 100 bares y 120 bares a los valores mínimo y máximo de la presión en el
tanque
4. Despliegue la página “Autotuner” de la pestaña “Parameters”, seleccione la acción
PID, presione el botón “Start Autotuner” como también el botón “Face Plate” para
desplegar la carátula correspondiente
5. Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonización
sugeridos por HYSYS
6. Presione el botón “Accept” para aceptar los valores de sintonización
7. Cambie el controlador a Modo Automático y observe el control durante un tiempo
8. Despliegue el menú “Tools” y seleccione la opción “Face Plates”. Seleccione los
tres controladores que aparecen en el cuadro “Operations with Face Plate” y
presione el botón “Open”
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9. Detenga el simulador para instalar el control de flujo de agua
Control de Flujo de Agua
10. Instale un controlador con variable de proceso o PV, el flujo molar de la corriente
“Agua” y la variable a manipular el flujo de la corriente a través de la válvula V3.
11. Despliegue la pestaña “Parameters” y seleccione la acción inversa porque para un
aumento en el flujo de agua o PV se debe disminuir la abertura de la válvula V3
12. Asigne 500 lbmol/h y 700 lbmol/h a los valores mínimo y máximo del flujo molar
de la corriente “Agua”
13. Despliegue la página “Autotuner” de la pestaña “Parameters”, seleccione la acción
PID, presione el botón “Start Autotuner” como también el botón “Face Plate” para
desplegar la carátula correspondiente
14. Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonización
sugeridos por HYSYS
15. Presione el botón “Accept” para aceptar los valores de sintonización
16. Cambie el controlador a Modo Automático y observe el control durante un tiempo
17. Despliegue el menú “Tools” y seleccione la opción “Face Plates”. Seleccione los
tres controladores que aparecen en el cuadro “Operations with Face Plate” y
presione el botón “Open”
La figura 2.7 muestra el diagrama de flujo del proceso con el simulador en modo activo en
estado dinámico. Se incluyen las carátulas de cada una de los controladores y la función de
transferencia y se observan en ellos la estabilidad del controlador
Ejecución de la simulación
Con todos los elementos listos, se puede iniciar la simulación presionando el botón
semáforo verde en la barra de herramientas. Antes de iniciar vaya al menú Simulación y
luego a “Integrator” y disminuya la aceleración a 0.05 para que el despliegue de la
simulación sea mas lenta. En esta ventana también se puede especificar el valor actual del
tiempo y el valor final del tiempo.
El procedimiento normal es arrancar el integrador y observar cuidadosamente, en sus
respectivas carátulas, qué están haciendo los controladores. Si todo está bien en el estado
estacionario y correctamente conectado, los valores de todas las variables debieran
permanecer constantes. Después de tener el proceso en forma estable guarde el archivo y
cambie de nombre al archivo de trabajo, si se daña el archivo de trabajo se tiene un archivo
de respaldo para volver a empezar. No olvide cambiar el nombre cada vez que abra el
archivo de respaldo. La Figura 6 muestra el diagrama de flujo final del proceso de
mezclado incluyendo las carátulas de cada uno de los controladores e incluyendo la de la
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función de transferencia. Observe que el simulador se encuentra Activo en Modo dinámico
y la estabilidad de los controladores
Una vez se estabiliza el proceso se pueden hacer cambios para observar y verificar el
buen funcionamiento de la estrategia. Por ejemplo, se pueden cambiar la presión, la
temperatura o la presión en la corriente de entrada. También pueden cambiarse los
valores de referencia del nivel y de la presión.
Figura 2.7. Diagrama de flujo en estado dinámico
8. BIBLIOGRAFIA
Luyben W. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel
Dekker Inc. 2002
---------- HYSYS 2.4 Update. AEA TECHNOLOGY. 2001
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