3- DESCRIPCIÓN DE LA...

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN CONTROL REMOTO SUPERVISOR DE UNA COLUMNA DE PLATOS PARA DESTILACIÓN BINARIA

3- DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN

3.1 – Planta piloto de destilación

En la parte trasera del Laboratorio de Ingeniería Química y Ambiental de la ETSI se hallan ubicadas diversas plantas piloto dentro de una nave industrial anexa. La columna de destilación se encuentra situada en la esquina noreste de dicha nave, soportada por una estructura metálica independiente, de tres pisos y unos 8 metros de altura, accesibles mediante una escalera y transitables gracias a un enrejado metálico tipo tramex. Dicha estructura sirve además de soporte para una columna de relleno, una columna de desulfuración, varios armarios eléctricos de control y equipos auxiliares.

La columna de destilación ocupa desde la planta baja a la tercera, es totalmente accesible y funciona de manera independiente del resto de equipos. Sobre la estructura metálica principal y en el suelo, se apoyan una serie de perfiles tubulares de sección circular metálicos, unidos entre sí, bien mediante soldadura o mediante bridas, formando el armazón que sustenta la columna. Se utilizan como auxiliares el vapor procedente de una caldera de gasóleo, cuyo uso es compartido por otros equipos, y agua potable de la red de distribución como refrigerante. Los efluentes del proceso se arrojan a un canal que conecta directamente con el alcantarillado público.

Adicionalmente, se utilizan una serie de equipos tales como una bomba centrífuga, un rotámetro, un electroimán junto con su control de temporización y diversos termopares conectados a un lector de temperaturas.

El cuerpo de la columna está compuesto de vidrio borosilicato transparente de los fabricantes QVF (actualmente perteneciente a De Dietrich Process Systems GmbH) y Afora (parte de Thermo Fisher Scientific). Se puede dividir en diez bloques funcionales: matraz de fondos, hervidor, columna de platos, distribuidor de reflujo, condensador, precalentador de la alimentación, línea de alimentación, toma de muestras, línea de destilado y bomba de alimentación. Cada uno de ellos se describe a continuación con mayor detalle:

a) Matraz de fondos (Fig 3.1)

Se trata de un depósito esférico de vidrio borosilicato soportado por un casquete metálico y con capacidad total de unos 300 litros (aunque sólo se llena hasta los 200 como máximo). Está ubicado en la planta baja. Presenta diversas aberturas de las cuales las más importantes son la superior que conecta con la columna de platos, la inferior para vaciado y circulación del hervidor a través de una tubería de vidrio y la lateral de entrada del hervidor. Dispone de una abertura adicional que está debidamente taponada para acceso del operador. Además de la tubería de circulación, en la base del matraz se dispone de una salida lateral que conecta con una tubería de vidrio vertical abierta a la atmósfera para garantizar que no se producen sobrepresiones (venteo).


b) Hervidor (Fig. 3.1)

Al lado del matraz de fondos se sitúa un cilindro de vidrio con un serpentín interior y codos de vidrio conectados con la tubería de circulación y con el matraz de fondos. El serpentín está conectado con la línea de vapor circulando éste por su interior. La salida va directamente a la rejilla de desagüe. La circulación se produce por diferencia de densidad y de nivel entre el líquido que hay en el hervidor y el del matraz. Parte del mismo pasa a fase gas, en función de la apertura de la válvula de vapor.

Figura 3.1 – Matraz de fondos, hervidor y tubería de circulación

c) Columna de platos (Fig. 3.2)

Sobre el matraz de fondos se dispone la columna de platos, compuesta por dieciséis platos individuales de 25 cm de diámetro y 23 cm de separación entre plato y plato. Los platos son placas planas circulares de acero inoxidable de 5 mm de espesor, con agujeros de 3 mm de diámetro en la franja central y un orificio mayor en uno de los laterales al cual está atornillado el bajante. Se mantienen en contacto con los


cilindros de vidrio que componen cada etapa a través de juntas de goma y apretados mediante bridas, formando un cuerpo compacto que alcanza desde la planta baja hasta la segunda. Cada uno de los cilindros dispone de cuatro tubuladuras laterales, tres de ellas de 1 cm de diámetro y la cuarta de unos 5 cm, separadas 90°. Las aberturas laterales sirven como alojamiento para los termopares, para extracción de muestras y también como posible entrada de alimentación (la de mayor diámetro).

a. b.

Figura 3.2 – Vista lateral (a) y en detalle (b) de un plato

d) Distribuidor de reflujo (Fig. 3.3)

En la segunda planta, sobre la columna de platos, se encuentra situado un distribuidor de reflujo enteramente de vidrio. Se compone de un cilindro en donde uno de los extremos es una campana con varios agujeros por los que asciende el gas al interior del cilindro. Sobre la campana caen las gotas de destilado que deslizan por la misma y se concentran en el borde entre la campana y el cilindro exterior. Los agujeros presentan unas protuberancias que evitan que el líquido entre a través de ellos. En la parte inferior del borde de la campana existe un pequeño conducto que vierte el destilado al embudo de distribución. Dicho embudo está colocado sobre un par de muescas que permiten el giro y dispone de una varilla con una placa metálica en uno de sus laterales. Al activarse un electroimán exterior, el embudo cambia de posición y vierte el líquido que circula en ese momento en un conducto conectado con el exterior de la torre.

Cuando el electroimán se encuentra desactivado, el embudo está en su posición de reposo y vierte el líquido en el plato superior de la columna como puede observarse en el dibujo anterior.


Figura 3.3 – Esquema del distribuidor de reflujo (Catálogo QVF) y detalle del distribuidor

e) Condensador (Fig. 3.4)

El condensador está colocado sobre el distribuidor de reflujo, en la tercera planta. Al igual que el hervidor, se compone de un cuerpo cilíndrico de vidrio con un serpentín en su interior. En la parte superior dispone de un cap de vidrio con una tubuladura lateral abierta a la atmósfera (venteo). Por el interior del serpentín circula agua fría provocando la condensación de los vapores que en forma de gotas caen sobre la campana del distribuidor de reflujo.

Figura 3.4 – Condensador de cabeza


f) Precalentador de la alimentación (Fig. 3.5)

Situado en la segunda planta, a un lado de la columna de platos, se encuentra el precalentador de la alimentación a la torre. Está compuesto por tres cuerpos: el inferior que funciona como calefacción, una T intermedia de admisión y el superior que funciona como condensador. Se trata de tres cilindros de vidrio con serpentines interiores en el superior e inferior. En la T intermedia se introduce la alimentación procedente de la bomba centrífuga que se encuentra situada en la planta baja, cayendo por gravedad y atravesando el cuerpo de calefacción. Por el interior del serpentín circula vapor procedente de la caldera. El cuerpo superior abierto a la atmósfera sirve para condensar los posibles vapores que se produzcan y evitar pérdidas de vapor y sobrepresiones en la torre. La salida del cuerpo inferior está conectada a una tubería de vidrio que compone el distribuidor de la alimentación.

a. b. Figura 3.5 – Precalentador de la alimentación (a) y condensador (b)

g) Línea de alimentación (Fig. 3.6)

Junto a la columna de platos desde la primera a la segunda planta y a la salida del precalentador de alimentación, se sitúa una tubería de vidrio a través de la cual se


reparte la alimentación. Dispone de una serie de salidas laterales con válvulas de asiento en vidrio, cada dos platos del 4 al 14. Dependiendo de la válvula que esté abierta, se introducirá la alimentación al plato en cuestión a través de los orificios laterales. Esto se utiliza en destilación continua o en el arranque de la destilación por cargas para precalentar la torre.

h) Toma de muestras (Fig 3.6)

En cada uno de los platos en los que se introduce la alimentación hay colocadas unas válvulas para realizar extracciones de toma de muestras. Se trata de válvulas de vidrio conectadas a un pequeño intercambiador de calor realizado en vidrio para enfriar la muestra. La salida del intercambiador se vierte directamente en los recipientes de toma de muestras. Como refrigeración se utiliza agua proveniente del mismo circuito que alimenta el condensador.

a. b.

Figura 3.6 – Válvula en la tubería de alimentación (a) y dispositivo de toma de muestras (b)

i) Línea de destilado (Fig. 3.7)

La descarga al exterior del distribuidor de reflujo va al depósito de destilado atravesando varios aparatos de vidrio. El primero de ellos es un sello hidráulico con una válvula para realizar la purga. De ahí, el destilado pasa por un serpentín de refrigeración y cae por una tubería aforada que se utiliza para conocer el caudal y la cantidad de destilado. La salida de la misma está conectada en la primera planta a una tubería por la que se introduce manualmente la carga del matraz de fondos antes de iniciar la destilación. A la salida de esta tubería, se dispone de varias válvulas de asiento que conducen el destilado bien al matraz de destilado, de vidrio, con unos 10 litros de capacidad y ubicado al lado del matraz de fondos, o bien al propio matraz de fondos a través de la tubería de circulación. En la base del matraz de destilado hay una válvula que permite su vaciado.


a. b.

Figura 3.7 – Sello hidráulico (a) y refrigeración del destilado (b)

j) Bomba de alimentación (Fig. 3.8)

La bomba de alimentación se encuentra en la planta baja y está anclada al suelo. Conecta con tres tuberías: tubería de vaciado, tubería de circulación y tubería de alimentación al precalentador. Se trata de una bomba centrífuga conectada a un motor asíncrono trifásico de 250W, accionado manualmente desde un cuadro en la primera planta. Si está cerrada la válvula de la tubería de vaciado y abierta la válvula V5 (ver Fig. 3.9), la bomba funciona elevando los fondos al precalentador. Si la situación es la opuesta, la bomba aspiraría de la tubería de vaciado (debería conectarse previamente a un depósito o matraz de alimentación) con lo que se introduciría alimentación fresca a la torre. La salida de la bomba dispone de un rotámetro que da una medida aproximada del caudal instantáneo.

Figura 3.8 – Bomba de alimentación

Como resumen de todo lo anterior, en la Figura 3.9 puede observarse un esquema completo de la planta.


Figura 3.9 – Diagrama general de la planta piloto de destilación

V-4

Mat

raz d

e fo

ndos

M

atra

z de

fond

os


3.2 – Cuadro eléctrico, instrumentación y autómata

Aparte de los dispositivos de actuación y supervisión manual como es el caso de las válvulas o del rotámetro, la torre cuenta con varios elementos de control automático, así como instrumentación electrónica que se describirán a continuación.

a) Cuadro de control de bombas

En la primera planta, al lado de la escalera, se encuentra situado un cuadro eléctrico que controla la bomba de la torre de destilación, la bomba y la soplante de la torre de relleno y un agitador. Este cuadro está alimentado desde el cuadro de distribución situado en la planta baja por una línea trifásica más neutro de 400VAC 50Hz, y toma de tierra. Dispone de un seccionador en primer lugar y, a continuación, un interruptor diferencial de corte omnipolar desde el cual se distribuye la electricidad necesaria en el cuadro. Aguas abajo de dicho interruptor se encuentra conectada la línea de alimentación para el cuadro del autómata que se encuentra en la segunda planta, la cual presenta las mismas características que la alimentación del cuadro del que procede, así como el resto de dispositivos del cuadro de control de bombas.

Del esquema eléctrico del cuadro de las bombas sólo es necesario conocer la parte que tiene que ver con la bomba de alimentación. Se distinguen dos circuitos que son el circuito de mando y el circuito de potencia. El primero se alimenta a través de un transformador con salida a 24VAC y el segundo directamente de la salida del diferencial según las necesidades de cada aparato conectado. La bomba de alimentación es accionada a través de un contactor dispuesto a continuación de una protección térmica contra sobrecargas de disparo regulable (guardamotor).

El circuito de mando de dicho contactor se compone de un par de pulsadores, marcha y paro, ubicados en la puerta del cuadro de mando. Utilizando los contactos normalmente abiertos (“normally open”, NO) y normalmente cerrados (“normally closed”, NC) de los que dispone el contactor se cablea el sistema de forma que el contacto NO del botón de marcha se cierre al pulsarlo, alimentando la bobina que cerrará sus contactos NO y arrancará la bomba. Uno de esos contactos auxiliares NO se conecta en paralelo al botón de marcha de forma que al soltar dicho botón la bobina permanecerá alimentada y la bomba en funcionamiento. A esto se le denomina enclavamiento. Al pulsar el botón de paro se abrirá su contacto NC, en serie con el contacto NO del botón de marcha y con el enclavamiento del contactor, lo que cortará la alimentación a la bobina del contactor, provocando la parada de la bomba. Adicionalmente, se puede utilizar un contacto auxiliar en la protección térmica para que al dispararse inhabilite el arranque de la bomba cortando la alimentación a la bobina, aunque normalmente esto se suele realizar mecánicamente.

Esta configuración de marcha-paro con enclavamiento sirve para evitar que la bomba arranque accidentalmente en el caso de que haya algún corte en la alimentación. Cuando hay algún problema el sistema vuelve al estado de reposo o estado seguro, evitando posibles accidentes que se puedan derivar.


Como nota adicional sobre este cuadro, cabe destacar que no dispone de espacio adicional en los carriles DIN para añadir ningún tipo de dispositivo, por lo que habrán de ser ubicados en el cuadro del autómata.

b) Temporizador del electroimán de reflujo

El electroimán de reflujo situado en la segunda planta, en el exterior del distribuidor de reflujo, está compuesto por una barra metálica en U con dos bobinas en serie, una en cada extremo. Es alimentado desde un pequeño cuadro de control, situado en la planta baja junto al matraz de fondos, que sirve a la vez como temporizador de conexión y desconexión del electroimán. Dicho temporizador es alimentado desde una toma de corriente de 230VAC 50Hz, y dispone de un circuito interno que genera los valores de temporización de conexión y desconexión, controlando así la relación entre el caudal de destilado que se extrae de la torre y el que se devuelve a la misma (relación de reflujo), en función del valor de una resistencia que se selecciona mediante un mando giratorio. El circuito del temporizador activa un relé interno que conecta y desconecta la alimentación del electroimán.

c) Instrumentación

La única instrumentación disponible por el momento en la planta se compone esencialmente de una serie de termopares de tipo K distribuidos a lo largo de la torre, conectados mediante cables de compensación a un lector de temperaturas situado delante del matraz de destilado en la planta baja. La distribución de los termopares es la siguiente:

Designación del termopar Ubicación T1 Distribuidor de reflujo T2 Plato 4 T3 Plato 6 T4 Plato 8 T5 Plato 10 T6 Plato 12 T7 Plato 14 T8 Matraz de fondos

TPR Salida del precalentador de la alimentación

d) Autómata (Fig. 3.10)

En la segunda planta se dispone de un cuadro eléctrico alimentado desde el cuadro de la primera planta como se comentó anteriormente. En el interior se encuentran instalados las protecciones necesarias y el autómata.


Figura 3.10 – Protecciones, autómata industrial y módulos instalados

Se trata de un autómata programable industrial o API con las siguientes características:

Fabricante SIEMENS Serie SIMATIC S7 300

Modelo CPU 315-2DP Alimentación 120 / 230VAC 50Hz

Interfaces MPI y PROFIBUS DP

En el cuadro se encuentra instalada la siguiente configuración:

Dispositivo Referencia Descripción Ubicación PS 307 10A 307-1KA00-0AA0 Fuente de alimentación Bast. 0 – Slot 0 CPU 315-2DP 315-2AG10-0AB0 CPU Bast. 0 – Slot 1 MMC 4MB 953-8LM00-0AA0 Tarjeta de memoria 4MB En ranura CPU IM 360 360-3AA01-0AA0 Interfaz de ampliación de bastidores Bast. 0 – Slot 2 SM 322 322-1BL00-0AA0 Salidas digitales 32 x 24V DC 0,5A Bast. 0 – Slot 3 SM 321 321-1BL00-0AA0 Entradas digitales 32 x 24V DC Bast. 0 – Slot 4 SM 331 331-7KF02-0AB0 Entradas analógicas 8 x 12 bit Bast. 0 – Slot 5 SM 331 331-7KF02-0AB0 Entradas analógicas 8 x 12 bit Bast. 0 – Slot 6

Las entradas analógicas están conectadas a cables de compensación de la siguiente forma:

Designación Conexión Canal T1 Slot 5 0 T2 Slot 5 1 T3 Slot 5 2 T4 Slot 5 3 T5 Slot 5 4 T6 Slot 5 5 T7 Slot 5 6 T8 Slot 5 7

TPR Slot 6 0


Dichos cables de compensación salen del cuadro del autómata y bajan agrupados hasta la primera planta donde terminan en conectores hembra para termopares.

3.3 – Auxiliares de la planta

Los auxiliares de la planta son el circuito de agua de refrigeración y el circuito de vapor. Ambos circuitos tienen un origen común en la red de distribución de agua potable que en Sevilla es propiedad de la empresa EMASESA.

a) Circuito de agua de refrigeración

Partiendo de una tubería común situada en una de las paredes de la nave, se disponen tres circuitos diferentes. Uno de ellos es el agua de refrigeración del condensador que incluye el precalentador de la alimentación, cuya salida va al desagüe. El segundo es el circuito que se utiliza para la refrigeración en la toma de muestras. Este segundo circuito alimenta en primer lugar el refrigerante que está más arriba en la torre, el del plato 4, ya que es el que menor temperatura tiene. Su salida está conectada en serie con el del plato 6 y así sucesivamente hasta el plato 14 cuya salida va al desagüe. El tercer circuito, el circuito del condensador de la columna, es el más importante de todos y el que más caudal precisa. Dispone de dos circuitos internos que se alimentan de la misma tubería. En verano, al subir la temperatura tanto en el interior de la nave como en el agua de red sucede que dicha refrigeración se vuelve insuficiente y se producen fugas de vapores a través de la tubuladura lateral que hay en la campana del condensador. Esto se debe a que la misma tubería es compartida por los tres circuitos.

b) Circuito de vapor (Fig 3.11)

El vapor necesario en la torre se genera in-situ a partir de agua potable en una caldera de gasóleo anexa. El agua es tratada previamente haciéndola pasar a través de un filtro de carbón activo y resinas de intercambio iónico para prevenir que aparezcan incrustaciones de cal en la tubería de vapor. El agua tratada se almacena en un depósito de polietileno de unos 1000 litros de capacidad desde el cual se alimenta la caldera, a través de una bomba. El circuito dispone de varias válvulas de accionamiento manual, tanto a la entrada como a la salida y algunas de accionamiento automático de tipo solenoide.

El circuito de gasóleo está compuesto por un depósito de unos 1000 litros de capacidad, las conducciones hasta la bomba de gasóleo y un circuito de retorno hacia el depósito para el exceso de caudal. Igualmente, presenta varias válvulas de accionamiento manual y algunas de accionamiento automático para la alimentación de gasoil al quemador. La bomba de gasóleo está conectada directamente al ventilador de aire, accionándose simultáneamente ambos equipos.


Figura 3.11 – Caldera de vapor alimentada con gasóleo

La caldera se controla manualmente a través del cuadro eléctrico anexo a la misma en cuyo frontal se encuentran dispuestos los mandos y la señalización, como puede verse en la Figura 3.11. La alimentación eléctrica del equipo parte del cuadro de distribución situado en la parte posterior de la caldera y se compone de una línea trifásica más neutro y tierra, de 400VAC 50Hz. Dispone de un disyuntor y protección mediante fusibles. El resto de la configuración está determinada por el controlador de quemadores de gasóleo utilizado, modelo LOA44.252A27 de SIEMENS (Landys & Gyr). Dicho controlador está conectado a las válvulas de dosificación de combustible, dispositivos de alarma (sirena), sensor de presencia de llama, transformador de ignición, motor del ventilador y bomba de combustible, así como a termostatos y presostatos de seguridad, bien directamente o bien a través de relés y contactores.

La salida de vapor de la caldera dispone de un aislante para evitar pérdidas así como prevenir quemaduras por contacto directo. Los datos sobre el vapor según se indica en la placa de características y en el limitador de temperatura máxima son:


Caudal máx. 270 kg/h

Presión máx. 11,76 bar

Temperatura máx. 250º C

La línea de vapor dispone de un regulador de presión que evita que exista un escape libre además de asegurar una presión de servicio más estable. En ambos extremos del regulador se encuentran instalados manómetros que permiten comprobar la presión existente en la línea además de un circuito de purga del vapor condensado. Aguas debajo de dicho regulador se encuentra una bifurcación que alimenta al circuito de vapor de la torre de destilación. A la entrada de dicho circuito se disponen las válvulas V3 (de asiento) y V4 (de bola) para regular el caudal (Fig 3.9). El exceso de vapor, que no es consumido en las diversas plantas, se vierte al alcantarillado directamente.

3.4 – Modificaciones realizadas

Para abordar el presente proyecto, se realizaron una serie de modificaciones en la instalación, principalmente relacionadas con la instalación eléctrica y la instrumentación que se resumen en lo siguiente:

- Duplicación de las señales de los termopares para poder conservar el lector actual de temperaturas

- Alimentación eléctrica del autómata

- Diseño y cableado del control de paso del modo de accionamiento manual al modo de accionamiento remoto de los dispositivos

- Configuración de los módulos y conexión al API de las diferentes señales de E/S analógicas y digitales: termopares, electroimán de reflujo, contactores, selector de modo manual/remoto y señales diversas de la caldera

- Montaje y conexión del cable de comunicaciones RS-485 para el bus Profibus DP

- Instalación y configuración de un PC de sobremesa que será utilizado como HMI/SCADA y estará situado en el centro de la nave, conectado al bus de comunicaciones

En el futuro se podrán añadir otras modificaciones que permitan, por ejemplo, el arranque remoto automático de la caldera o funcionamiento en continuo. Algunas de ellas serán propuestas en el capítulo correspondiente de este proyecto.

3- DESCRIPCIÓN DE LA...

Documents

Transcript of 3- DESCRIPCIÓN DE LA...