Diseño Conceptual de la Implementación del Control Industrial del Reactor Principal de una Planta...
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Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo R E S U M E N I N F O I N G E N I E R Í A Q U Í M I C A U n i v e r s i d a d d e P a m p l o n a * [email protected] - Student of Chemical Engineering Control, lazo cerrado , instrumentación, automatización, proceso, Biodiesel, diagrama de flujo, reactor, medición. Key words Control, Closed Loop, instrumentation, automation, process, Biodiesel, flowchart, reactor, measurement. A B S T R A C T In this academic workshop worked on the conceptual design of automatic control of the main reactor of a plant to produce Biodiesel. This production process requires strict monitoring temperature, level, flow and other variables. In that sense, includes a brief description of how it works in general in addition to the process and raw materials used in the process; therefore, an emphasis was made on the diagram of the process and instrumentation required for its control. Finally description of the temperature sensors, level and flow rate in the main reactor process (transesterification reactor) was performed. Diseño Conceptual de la Implementación del Control Industrial del Reactor Principal de una Planta de Biodiesel Yorman Zambrano Silva* Control de Procesos Departamento de Ingeniería Química Universidad de Pamplona - Estudiante de Ingeniería Química Palabras claves. En el presente taller académico se trabajó en el diseño conceptual del control automático del reactor principal de una planta productora de Biodiesel. Este proceso productivo necesita un control estricto de temperatura, nivel, caudal y otras variables. En ese sentido, comprende una breve descripción de cómo funciona en general en proceso y además de las materias primas usadas en el proceso; por consiguiente, se realizó un énfasis en el diagrama del proceso y de la instrumentación requerida para su control. Finalmente se realizó una breve intervención para la descripción de los sensores de temperatura, nivel y caudal del reactor principal del proceso (Reactor de Transesterificación).
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1 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
R E S U M E N
I N F O
I N G E N I E R Í A Q U Í M I C A
U n i v e r s i d a d d e P a m p l o n a
- Student of Chemical Engineering
Control, lazo cerrado ,
instrumentación, automatización,
proceso, Biodiesel, diagrama de
flujo, reactor, medición.
Key words
Control, Closed Loop,
instrumentation, automation,
process, Biodiesel, flowchart,
reactor, measurement.
A B S T R A C T
In this academic workshop worked on the conceptual design of automatic control
of the main reactor of a plant to produce Biodiesel. This production process
requires strict monitoring temperature, level, flow and other variables.
In that sense, includes a brief description of how it works in general in addition
to the process and raw materials used in the process; therefore, an emphasis was
made on the diagram of the process and instrumentation required for its control.
Finally description of the temperature sensors, level and flow rate in the main
reactor process (transesterification reactor) was performed.
Diseño Conceptual de la Implementación del Control
Industrial del Reactor Principal de una Planta de
Biodiesel
Yorman Zambrano Silva*
Control de Procesos
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de Pamplona
- Estudiante de Ingeniería Química
Palabras claves.
En el presente taller académico se trabajó en el diseño conceptual del
control automático del reactor principal de una planta productora de
Biodiesel. Este proceso productivo necesita un control estricto de
temperatura, nivel, caudal y otras variables.
En ese sentido, comprende una breve descripción de cómo funciona
en general en proceso y además de las materias primas usadas en el
proceso; por consiguiente, se realizó un énfasis en el diagrama del
proceso y de la instrumentación requerida para su control. Finalmente
se realizó una breve intervención para la descripción de los sensores
de temperatura, nivel y caudal del reactor principal del proceso
(Reactor de Transesterificación).
2 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
INTRODUCCIÓN.
A lo largo del presente siglo y en especial en
las últimas décadas, la tecnología de los
biocombustibles ha tenido un gran auge.
Estos sn producidos en procesos físico-
químicos conocidos por el hombre, como lo
son reacciones químicas y procesos de
separación de sustancias en diferentes fases y
estados de materia.
Estos procesos conllevan consigo un reto de
producción, ya que a gran escalas se necesita
de tecnología eficientes que faciliten y
mejoren cada vez más la producción misma;
en ese sentido, el controlar muy bien el
proceso cada vez cobra más importancia por
sus las implicaciones de seguridad,
economía, eficiencia y otros factores que se
tienen en cuenta en la producción de un
servicio. Es por ello que el proceso
productivo del Biodiesel se usa las últimas
tecnologías de control con el fin de asegurar
todos estos factores antes mencionados.
Para aclarar algunos conceptos, primero se
debe saber que el Biodiesel es un combustible
líquido sustituto del gasoil para motores
diésel que posee algunas ventajas
ambientales frente a este. Se obtiene por la
Transesterificación de triglicéridos (aceite) a
ésteres alquílicos de ácidos grasos. Este
proceso de transesterificación consiste en
combinar el aceite (normalmente aceite
vegetal) con un alcohol ligero, normalmente
metanol, y deja como residuo glicerina que
puede ser aprovechada por la industria
cosmética, entre otras.
La fuente de aceite vegetal suele ser aceite de
colza, pues es la planta con mayor
rendimiento de aceite por hectárea, aunque
también se pueden utilizar aceites usados (por
ejemplo, aceites de fritura), en cuyo caso, la
materia prima es muy barata y además se
reciclan lo que en otro no. (1)
El Biodiésel (Ésteres metílicos de ácidos
grasos) no daña el medio ambiente por ser un
combustible de origen vegetal en su estado
100% puro. Su uso en el referido estado sería
completamente inocuo con nuestro medio.
Para poder usarse se debería efectuar unas
pequeñas modificaciones técnicas en los
motores diésel, como sería modificar el
compuesto de la goma y/o cauchos de los
manguitos y latiguillos del circuito del
combustible. Ello es debido a que el biodiésel
100% tiene la particularidad de disolver la
goma. Desde los años 90, casi todos los
fabricantes de vehículos (principalmente
marcas alemanas), ya han sustituido dichos
conductos fabricados con materiales
plásticos o derivados, que el Biodiésel 100%
puro no los disuelve.
Teniendo en cuenta esto, se debe también
tener claros algunos conceptos claves en el
control en general de cualquier proceso. Para
este caso se necesita comprender algunas
variables que se deben controlar
Prácticamente casi todos los lazos de control
de procesos caen dentro de las siguientes
categorías:
3 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
Caudal: importante para conocer el balance
de materia. Raramente se mantiene constante,
generalmente fluctúa y es una variable
ruidosa cuando se mide.
Presión: es la única que puede ser a su vez
clasificada en tres categorías (líquido, gas y
vapores en equilibrio), cada una con
características bien diferenciadas.
Nivel: es la integral del caudal durante el
tiempo que esta dura y da una medida de la
acumulación de materia en el sistema
considerado.
Temperatura: es una propiedad intensiva
asociada al balance de energía.
Composición: determina la proporción de
cada componente en la mezcla. Está asociada
con el
Balance de Materia: No necesariamente se
mide directamente la composición, también
se la puede inferir a partir de medidas de
conductividad, viscosidad, etc. (2)
OBJETIVOS.
1. Objetivo General.
Proporcionar los fundamentos teóricos para
el control del Reactor Principal de una planta
de producción de Biodiesel.
2. Objetivos Específicos.
2.2 Realizar el Lazo de Control del
Reactor de Transesterificación del Biodiesel.
2.2 Considerar la Instrumentación
adecuada para el manejo de Temperatura,
caudal y nivel del proceso en general.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Las plantas productoras de Biodiesel son en
general muy parecidas a cualquier otra plata
industrial que produce cualquier bien para la
sociedad; por este motivo se puede decir que
poseen problemas en común relacionados
con la eficiencia del proceso, la seguridad en
cada una de las partes y equipos de la planta
y también en el continuo estudio de la
optimización de cada uno de los subprocesos
llevados a cabo en esta.
Es por esto, que se delimita (o al menos se
intenta) considerar algunos problemas que se
pueden tener en la planta sino se posee de un
buen sistema de control. La temperatura es
una de las variables mas importante dentro
del proceso ya que brinda un ambiente
adecuado para que la reacción de
transesterificación se lleve a cabo dentro del
reactor principal (Reactor de
Transesterificación). De igual modo, el
control del nivel y del caudal deben ser
variables tenidas en cuenta ya que de su pleno
manejo se evitaran fugas y se controlará el
flujo volumétrico de la planta por lote de
producción.
4 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
ANÁLISIS CONCEPTUAL DE
CONTROL.
1. Producción de Biodiesel.
Como ya se había mencionado anteriormente,
la parte principal de la producción de
biodiesel es la reacción de
Transesterificación que en donde se
transforman los triglicéridos en Ésteres
(Biodiesel) y glicerina. Antes de este paso se
realiza la producción del Metóxido o etóxido
de una base fuerte como lo son Hidróxido de
Sodio y Potasio. Este reactor se debe llevar a
una temperatura promedio de 40°C y debe
tener una agitación. Para estas dos
operaciones se necesita de sensores de
temperatura y motores programables para
controlar su velocidad (rpm). Posterior a esto
controlando el caudal se dirige el producto de
esta reaccion al reactor principal para
proceder con la reacción de
transesterificación y luego se pasa a un
reactor de decantación (o centrífuga) en
donde se realizará la respectiva separación.
Todos estos pasos se deben hacer aplicando
el control.
Se debe aclarar que hay que tener amplio
conocimiento del proceso de la planta ya que
esto permite saber qué instrumentación se
necesita y en donde deben ir ubicados.
A continuación se representa el diagrama
virtual del proceso en donde se denotan dos
elementos fundamentales: el gasto de energía
y el control del caudal
Imagen 1. Diagrama de proceso:
consideraciones de gasto de energía.
Imagen 2. Diagrama de proceso: Consideraciones
de ubicación de válvulas
5 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
Imagen 5. Control de nivel de Líquido
2. Reactor principal e instrumentación.
Las variables que se van a controlar a este
reactor es la temperatura, el caudal de
entrada y salida y el nivel (existen otras pero
no se tratarán).
Para la Temperatura os sensores de más
comunes en este tipo de procesos son
aquellos que miden la temperatura como una
señal eléctrica (Termopares). Este tipo de
sensores son muy utilizados para mediciones
de temperaturas bajas. Los termopares son
modelados siguiendo sistemas de primer
orden o sistemas de segundo orden sobre
amortiguados. Las condiciones de operación
más habituales
son a
temperaturas de
65ºC, aunque
rangos de
temperaturas
desde 25ºC a 85ºC Imagen 3. Termocupla
Para el caudal Este es un caso muy especial
ya que la variable manipulada es la
controlada y por lo tanto la ganancia del
proceso resulta igual a 1. Dos de las
configuraciones más difundidas se muestran
en las Figuras siguientes. La dinámica del
proceso puede modelarse como un elemento
de primer orden, haciendo un balance de
cantidad de movimiento (fuerzas) que
considere a la cantidad de fluido que hay en
la línea entre el sensor y elemento final de
control (válvula, bomba centrífuga o
ventilador) y que aparece rayado en los dos
esquemas.
Imagen 4. Configuraciones de control de
flujo.
El control del Nivel de reactor principal va de
la mano con el Control del caudal del sistema.
El Nivel indica finalmente el volumen (V(t)),
por lo general se calcula con la medición de
la altura entre la base del reactor. Este tiene
un problema, la perturbación llamada
Resonancia Hidráulica.
A través del paso de los años, la tecnología de
control ha ido aumentando la capacidad y la
forma de medición, aunque en la mayoría de
veces se usa para la medición de temperatura
Termocuplas también existen innumerables
6 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
Imagen 6. Diagrama de Proceso
medidores de este; asimismo, pasa con todas
las variables de control. A continuación se
presenta una tabla con algunas alternativas de
sensores de las variables antes mencionadas:
3. Válvulas. Elementos finales de control
muy importantes.
El elemento final de control más común es la
válvula. Una válvula se puede definir como
un aparato mecánico con el cual se puede
iniciar, detener o regular la circulación (paso)
de fluidos mediante una pieza movible que
abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o
más orificios o conductos.
Las Válvulas están compuestas de dos partes
principales:
1. Cuerpo.
2. Actuador.
4. Lazos de Control.
Se realizó en lazo de control del control de
temperatura y caudal. Ambos son
definitivamente muy parecidos ya que el
sistema a estudiar es el mismo (Reactor).
Ninguno de los lazos tiene información
adicional del proceso (flujo o SetPoint).
**Los Lazos de control están en anexo y
del diagrama de control del proceso
Finalmente se encuentra el diagrama
general del proceso en donde se encuentra
cada una de las variables a controlar.
5. Cuadro comparativo entre procesos
con y sin estrategias de control.
Variable Con Control Sin Control
°T
Controlando la
Temperatura es fácil
proveer un sistema
adecuado para que se dé
la reacción sin que suba
o baje de manera no
deseada
Aunque se controle
con un Termómetro
manual el mayor
inconveniente es
pasar la temperatura
de ebullición del
alcohol, por lo cual
se podría dañar la
eficiencia de la
reacción
Conociendo en tiempo
real el nivel del reactor
posee muchas ventajas
técnicas para el control
Al no poseer
sensores se puede
llegar al caso de no
saber qué tanto
7 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
Nivel del flujo y además para
el planteamiento de la
Ecuación de
Transferencia local.
volumen de materia
está entrando al
reactor, por ello
podría haber algún
tipo de derrame
Caudal
Junto al control del
nivel el control del
caudal es indispensable
para tener la
tranquilidad de saber
qué tanto volumen entra
al reactor. Controlar
caudal permite saber
que las proporciones
molares de la reacción
se conserven para no
dañar la reacción.
Al manejar de
manera manual las
válvulas se corre el
riesgo que no
brindar la suficiente
cantidad de
volumen de materia
para lo cual el
reactor fue
diseñado, por esto
se puede
sobrecalentar y
evaporar lo
compuestos
volátiles y viceversa
con el no suficiente
calentamiento.
CONCLUSIONES.
Implementar elementos de control en
una planta de Biodiesel aumentaría la
seguridad, eficiencia y seguridad de
los operarios de esta. Por ello se puede
decir que automatizar haría en
mediano plazo más rentable la planta
pero con una alta inversión inicial.
Se podría saber con más exactitud los
volúmenes netos de producción con
más exactitud que si no se controla el
proceso.
BIBLIOGRAFÍA
(1) http://www.biodieselspain.com/que-
es-el-biodiesel/
(2) http://www.biodiesel.org/pdf_files/fuel
factsheetsDonato, A.; Huerga, I. y
Hilbert, J. 2008. “Balance energético
de la producción de biodiesel a partir
de soja en la República Argentina”.
INTA. Argentina
REFERENCIA DE IMÁGENES.
(1) Autor
(2) Autor
(3)http://www.abengoa.es/web/es/negocio/e
nergia/biocombustibles/
(4)http://www.fyo.com/tags/biodiesel?page=
2
(5)http://www.solventia.net/portfolio-
view/planta-bio/
(6) Autor
8 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
ANEXO
9 Profesora: Ms. Tania Liseth Acevedo
