3. CONTROL DE UN REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

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1 3. CONTROL DE UN REACTOR DE MEZCLA COMPLETA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, un reactor continuo de mezcla completa exotérmico asistido por HYSYS 1.2. Controlar la temperatura del reactor de mezcla completa mediante la manipulación directa del flujo de calor de la corriente de enfriamiento 1.3. Auto sintonizar el controlador de temperatura y comparar los parámetros sugeridos por el simulador con los estimados de acuerdo a los ajustes de Tyreus -Luyben 1.4. Analizar los cambios en la operación dinámica del reactor ante perturbaciones en las condiciones de los alimentos como el flujo, la temperatura y la presión. 2. INTRODUCCION Los reactores constituyen el corazón de muchos procesos químicos. La simulación dinámica de estos equipos es esencial para la operación segura y eficiente de toda una planta. Hay un gran número de diferentes tipos de reactores comerciales. Algunos tienen una dinámica benigna pero otros presentan problemas de control muy serios. Los más problemáticos son los reactores donde se realizan reacciones exotérmicas e irreversibles por las posibilidades de un aumento sin control de la temperatura. Los reactores con una baja conversión por paso son los más propensos por la abundancia de reactivos sin reaccionar que pueden alimentar a una reacción descontrolada. Muchos de estos reactores son inestables en lazo abierto, de modo que se requiere de un controlador por retroalimentación para lograr una operación estable. La contaminación ambiental que resulta del venteo por válvulas de seguridad o por la ruptura de discos de seguridad debe minimizarse. Los riesgos potenciales de seguridad de explosiones, descomposiciones e incendios tienen que ser de alta prioridad para su consideración en el diseño y la operación de una planta química. Las industrias químicas y petroleras sufrieron por incendios devastadores, explosiones y emisiones de material tóxico en el siglo pasado debido a un mal funcionamiento de reactores químicos. Gran parte de ellos podrían haberse evitado con mejores diseños y operación. Por consiguiente, la dinámica de control de reactores constituyen la parte más vital de las simulaciones dinámicas. 3. PROCESO ESTUDIADO En esta práctica se simulará el control de un reactor continuo de mezcla completa donde se lleva a cabo la reacción de anilina e hidrógeno para producir ciclohexilamina (CHA) C 6 H 7 N + 3 H 2 C 6 H 13 N (4.1)

2 Las condiciones de operación del reactor son 600 psia y 250 F. La reacción en fase líquida ocurre en el recipiente vertical cilíndrico de 1200 pies cúbicos. El líquido ocupa el 80 % del volumen del tanque. La cinética de esta reacción (supuesta) se escoge para que la conversión de la anilina sea del 76 % y corresponde a la ecuación R CHA = V R kc A C H (4.2) Siendo V R el volumen del reactor en pies cúbicos. La Ecuación de Arrhenius para la constante específica de velocidad de reacción está dada por k = 10 8 exp (4.3) RT Siendo T, la temperatura en grados Rankine Los reactivos puros se alimentan al reactor en dos corrientes. La anilina se alimenta con un flujo de 100 lbmol/h a 630 psia y 100 F. La corriente de hidrógeno se alimenta con un flujo de 400 lbmol/h a 630 psia y 100 F. La conversión de la anilina es del 76 % por paso. La reacción es altamente exotérmica (82000 Btu/lbmol de CHA) de modo que el sistema tiene que diseñarse para que tenga una transferencia de calor adecuada. Esto se traduce en una gran área de transferencia de calor. La transferencia de calor es de 5.13 x 10 6 Btu/h. Desafortunadamente el manejo de la transferencia de calor en el HYSYS es algo superficial, lo que impide obtener resultados dinámicos reales. No hay consideración explícita a la posibilidad que la geometría del reactor no pueda suministrar el área de transferencia supuesta. Transferencia de calor en el modelo del CSTR de HYSYS El modelo del CSTR tienen dos opciones para manejar la transferencia de calor que consisten en usar o una transferencia de calor directa (Direct Q) o usar un fluido de enfriamiento (o calentamiento) con un área de transferencia de calor y un coeficiente de transferencia de calor dados. El modelo Direct Q es el más sencillo porque supone una manipulación directa de la transferencia de calor y se utiliza un controlador de temperatura para manipular la transferencia de calor. Por consiguiente, la salida del transmisor de temperatura no es un porcentaje de apertura sino un porcentaje de la velocidad de transferencia de calor. 26

3 En la segunda opción se supone que el medio de enfriamiento es una camisa de enfriamiento y además que el contenido de la camisa está perfectamente mezclado. Esta configuración se cumple en sistemas con recirculación del medio de enfriamiento y se caracteriza por tener un gran flujo del medio de enfriamiento que circula a través de los serpentines o de la camisa de enfriamiento, y esta corriente de recirculación se enfría en un intercambiador de calor externo o por la adición de agua de reposición fría. De esta manera la diferencia de temperatura para la transferencia de calor es la temperatura del reactor menos la temperatura del fluido de enfriamiento en la camisa que es igual a la temperatura del fluido de enfriamiento que sale de la camisa T = T Reactor - T SalidaFluidodeEnfriamiento 3.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Anilina, Hidrógeno y Ciclohexylamina ECUACIONES: Fase líquida: Wilson Fase gaseosa: Peng Robinson SISTEMA DE UNIDADES : Field REACCIONES: Reacción (4.1) UNIDADES BASICAS: lbmol/pie 3 UNIDADES DE VELOCIDAD: lbmol/pie 3 -h 3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 4.1 muestra el diagrama de flujo de este reactor continuo de mezcla completa terminada la simulación en estado estacionario 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO A continuación se instalan, en forma secuencial las corrientes y válvulas de entrada y salida, además del reactor continuo de mezcla completa. Alimentaciones: Instale las corrientes de materia Hidrógeno y Anilina y la corriente de energía QTrans con las siguientes especificaciones incluyendo las válvulas: Hidrógeno: especificaciones de 100 F, 630 psia, 400 lbmol/h, 100 % molar de hidrógeno. Instale una válvula con nombre V1 que se alimenta de la corriente Hidrogeno y descarga la corriente Salida_V1. Asigne a la válvula V1 una caída de presión de 30 psi. 27

4 Anilina: especificaciones de 100 F, 630 psia, 100 lbmol/h y 100 % molar de anilina. Conecte esta corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Salida_V2 con una caída de presión de 30 psi. QTrans: corriente de energía sin especificaciones. Reactor: Instale un reactor con el nombre de CSTR, conéctelo con las corrientes de entrada Salida_V1 y Salida_V2; corrientes de salida Vapor y Líquido. Especifique un volumen de 1200 pies cúbicos y un nivel de líquido del 80 % del volumen total del tanque. Asigne a la corriente Vapor una temperatura de 250 F e instale la válvula V3 con corriente de entrada la de nombre Vapor y corriente de salida la de nombre Salida_V3. En la página Parámetros de la pestaña Diseño asigne a la válvula V3 una caída de presión de 30 psi. Instale la válvula V4 con corriente de entrada Líquido y corriente de salida la de nombre Salida_V4. Asígnele a la válvula V4 una caída de presión de 30 psi 5. DISEÑO DE LOS EQUIPOS Dimensionamiento del Reactor El volumen del reactor se estima en 1200 pies cúbicos. 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 cilíndrico. El nivel de líquido en el reactor es del 80 % de la altura del tanque reactor Figura 4.1. Diagrama de flujo del Reactor CSTR en estado estacionario Diseño de las válvulas de control Las válvulas de V1, V2, V3 y V4 se diseñan para estar 50 % abiertas con caídas de presión de 30 psia.. Abra la página Dynamics de cada una de las válvulas de control para encontrar el correspondiente coeficiente, C V, de ellas. 28

5 6. 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 CstrEstacionario y guardar un nuevo PFD con el nombre de CstrDinamico. Al activar el simulador al modo dinámico se despliega una ventana que sugiere algunos 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. Estrategias de control Se introducirán las siguientes estrategias: 1. Control de la Temperatura en el reactor manipulando el flujo calórico a través de él 2. Control de presión en el reactor manipulando el flujo a través de la válvula V3 3. Control del nivel de líquido en el reactor manipulando el flujo a través de la válvula V4 4. Control del flujo de alimento de Hidrógeno y Anilina con las válvulas V1 y V2, respectivamente Control de Temperatura del Vapor Opción Direct Q Para el control de temperatura en el reactor por el método Direct Q : 1. Instale un controlador, seleccione como objeto el reactor CSTR-100 y como variable de proceso la temperatura del recipiente, es decir, Vessel Temperature y el objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la corriente de energía QTrans. En esta forma se manipula directamente la transferencia de calor y se utiliza un controlador de temperatura para manipular la transferencia de calor Figura 4.2 Conexiones Control de Temperatura (a) por el método Direct Q (b) 29

6 2. Presione el botón Contol Valve que se encuentra en la esquina inferior derecha de la ventana de propiedades del controlador como se muestra en la Figura 4.2 (a) para desplegar la ventana FCV For QTrans que se observa en la Figura 4.2 (b) para seleccionar la opción Direct Q que aparece en el cuadro Duty Source colocado en la esquina inferior dercha. 3. Observe en el cuadro Direct Q que el valor deseado o SP para el flujo de transferencia de calor es de x 10 6 Btu/h Especifique con un valor de cero el flujo mínimo disponible de transferencia de calor y con 2 x 10 7 Btu/h el flujo máximo disponible. La máxima velocidad de transferencia de calor se fija para que haya un exceso de transferencia de calor (enfriamiento) para evitar reacciones descontroladas. Cierre la ventana para continuar de especificar al controlador de temperatura 4. Es importante notar que se ha especificado Cooling en la configuración del CSTR. De esta manera, valores positivos de Q indican que el calor se elimina. Esto indica que el controlador de temperatura debe ser de acción directa. Para especificar esta acción se presiona la pestaña Parameters y se selecciona la opción Direct 5. En el cuadro Range especifique el rango de valores mínimo y máximo de temperatura entre 200 F y 300 F 6. Presione la pestaña Stripchart despliegue el cuadro Variable set y seleccione la opción SP, PV, OP Only y presione el botón Create Stripchart para desplegar la ventana registradora de la variable de proceso, su valor deseado y la abertura de la válvula. Haga a un lado dicha ventana para que pueda seguir manipulando la ventana de propiedades del controlador sin que se oculte 7. Presione, nuevamente, la pestaña Parameters y despliegue el parámetro Autotuner. Seleccione a PI como tipo de diseño y en el cuadro Autotuner Parameters especifique una Hysteresis de 1 % y mantenga una amplitud (h) de 5 % 8. Coloque en modo activo al simulador y presione inmediatamente el botón Start Autotuner. Permanezca atento a la aparición de los parámetros para presionar el botón Accept y seguidamente detener la simulación 9. Maximice la ventana registradora de los valores de SP, PV y OP y con la ayuda del Mouse posicione las gráficas para observar sus cambios durante el proceso de autosintonización como se muestra en la Figura Presione el clic derecho del Mouse dentro de la ventana y seleccione la opción Graph Control que aparece en el menú contextual desplegado y aparecerá una ventana con título Strip Chart Configuration - TIC DL 1 que sirve para editar los gráficos. 11. Presione la pestaña Axes y seleccione la opción Axis1 Temperature y especifique como mínimo y máximo de la escala de su eje los valores ºF y 30

7 251 ºF. Cierre la ventana y la nueva gráfica se observará como lo muestra la Figura 4.4 Figura 4.3. Registro de OP, PV y SP durante la autosintonización Figura 4.4. Registrador de SP, PV y OP con escala ampliada para SP 12. Determine el valor máximo de la onda sinusoidal correspondiente a PV. La diferencia con respecto al valor deseado corresponde al valor de a definido en las ecuaciones de sintonización de Tyreus Luyben. 31

8 13. Estime el valor de la ganancia para el controlador PI sintonizado y compare el resultado con el mostrado en la ventana de propiedades del controlador como se muestra en la Figura 4.5 K c K u = 3.2 = h = aπ (5%) = 3.8 (0.52%) π Figura 4.5. Parámetros de auto sintonización del controlador de temperatura 14. Determine el período de la onda sinusoidal correspondiente a PV que corresponde al valor último utilizado para estimar la constante de tiempo integral de acuerdo a los ajustes de sintonización de Tyreus Luyben, teniendo en cuenta que se asignó una histeresis de 1 % τ = u 2.2T = 2.2(3) = 6.6 min 15. Despliegue la carátula del controlador de temperatura y, nuevamente, coloque en modo activo al simulador. Observe, durante un tiempo muy breve, la variación de PV y OP y luego coloque al controlador en modo automático. Cuando se haya estabilizado, completamente, detenga el simulador Control de Presión en el reactor 1. Instale un controlador, seleccione como objeto el reactor CSTR-100 y como variable de proceso la presión del recipiente, es decir, Vessel Pressure y el objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la válvula V3. 32

9 2. Despliegue la ventana de propiedades de la corriente de vapor y tome nota del valor del flujo másico, lb/h y de la densidad, lb/pie 3. Considere, muy conservadoramente, que el volumen total del recipiente es el del gas y calcule la constante de tiempo del gas que se asignará al controlador proporcional integral de la siguiente manera τ = Volumen FlujoVolumétrico pie = (687.74lb / h)(1h / 60min)(1 pie 3 / lb) = 33min 3. Presione la pestaña Parameters, y especifique un controlador proporcional integral asignando acción directa, un valor de ganancia igual a 2.0, una constante de tiempo igual a 33 minutos y un rango de presiones entre 500 y 700 psia. 4. Presione el botón Face Plate para desplegar la carátula del controlador y coloque el simulador en modo activo. Observe durante un tiempo muy breve la variación de los valores de PV y OP y, finalmente, colóquelo en modo automático. Detenga el simulador para instalar el control de nivel de líquido en el reactor. Control de Nivel de Líquido en el Reactor 1. Instale un controlador, seleccione como objeto el reactor CSTR-100 y como variable de proceso el nivel de líquido en el recipiente en porcentaje, es decir, Liquid Percent Level y el objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la válvula V4. 2. Presione la pestaña Parameters y especifique un controlador proporcional asignando acción directa, un valor de ganancia igual a 10.0 y un rango de niveles de líquido entre 94 % y 96 % 3. Presione el botón Face Plate para desplegar la carátula del controlador y coloque el simulador en modo activo. Observe durante un tiempo muy breve la variación de los valores de PV y OP y, finalmente, colóquelo en modo automático. Despliegue las carátulas de los otros dos controladores instalados para observar su comportamiento. Detenga el simulador para instalar los controladores de flujo. Control de Flujo de Hidrógeno 1. Para el control de Flujo de Hidrógeno, el objeto es la corriente Hidrogeno y la variable de proceso Molar Flow, el objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la válvula V1. 2. Presione la pestaña Parameters, y especifique un controlador proporcional integral asignando acción inversa, un valor de ganancia igual a 0.1, una constante de tiempo igual a 0.4 minutos y un rango de flujos entre 300 lbmol/h y 500 lbmol/h. 33

10 3. Presione el botón Face Plate para desplegar la carátula del controlador y coloque el simulador en modo activo. Observe durante un tiempo muy breve la variación de los valores de PV y OP y, finalmente, colóquelo en modo automático. Despliegue las carátulas de los otros tres controladores instalados para observar su comportamiento. Detenga el simulador para instalar el controlador de flujo de anilina Control de Flujo de Anilina 1. Para el control de Flujo de Anilina, el objeto es la corriente Anilina y la variable de proceso Molar Flow, el objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la válvula V2. 2. Presione la pestaña Parameters, y especifique un controlador proporcional integral asignando acción inversa, un valor de ganancia igual a 0.1, una constante de tiempo igual a 0.4 minutos y un rango de flujos entre 50 lbmol/h y 150 lbmol/h. 3. Presione el botón Face Plate para desplegar la carátula del controlador y coloque el simulador en modo activo. Observe durante un tiempo muy breve la variación de los valores de PV y OP y, finalmente, colóquelo en modo automático. Despliegue las carátulas de los otros cuatro controladores instalados para observar su comportamiento. La Figura 4.6 muestra el diagrama de flujo final Figura 4.6. Diagrama de flujo en simulación dinámica 7. CASOS DE ESTUDIO Se considera que entre la medición y el controlador de temperatura existe un atraso dinámico de segundo orden que corresponde a dos atrasos dinámicos de primer orden. Se quiere estudiar el efecto de los valores de los atrasos dinámicos en los valores de los 34

11 parámetros de sintonización del controlador. Se incluirá, entonces, una función de transferencia que permita simular tales atrasos dinámicos de la siguiente manera: 1. Abra la copia guardada de la simulación del reactor en estado estacionario y guarde una nueva copia para una simulación dinámica similar a la anterior con la sola diferencia descrita con respecto al control de temperatura. 2. Coloque el simulador en modo dinámico siguiendo las instrucciones dadas en el caso anterior 3. A continuación instale una función de transferencia y seleccione como objeto el reactor y variable de proceso la temperatura del recipiente, es decir, Vessel Temperatura. Recuerde que la variable de salida se debe conectar desde el controlador 4. Presione la pestaña Parameters y especifique los valores mínimo y máximo de la variable de proceso o PV como 200 ºF y 300 ºF 5. Despliegue la página 2nd Order para especificar la dinámica de segundo orden. Verifique el cuadro 2nd Order y asigne un valor de 1 minuto para la ganancia, constante de tiempo y factor de amortiguamiento de uno. 6. Instale un controlador y seleccione como objeto la función de transferencia o TRF- 1 y como variable de proceso PV Value. El objeto a donde el controlador transmite su señal de salida es la corriente QTrans 7. Especifique la válvula de control con los mismos valores (0 y 2 x 10 7 Btu/h), en la pestaña Parameters del controlador especifique la acción directa, el rango de medición entre 200 ºF y 300 ºF 8. Despliegue, nuevamente, la ventana de propiedades de la función de transferencia dentro de la pestaña Parameters. En el cuadro Operacional Parameters seleccione la variable temperatura en el cuadro de nombre Output Variable Type y especifique el rango OP entre 200 ºF y 300 ºF. La función de transferencia debe aparecer completamente especificada 9. Despliegue, nuevamente, la ventana de propiedades del controlador de temperatura y presione la pestaña Stripchart para desplegar el registrador de PV, OP y SP. 10. Presione la pestaña Parameters y verifique que no han sido modificados los valores mínimo y máximo de medición. Despliegue la página Autotuner, seleccione la opción PI y coloque en modo activo el simulador. Inmediatamente, presione el botón Start Autotuner y espere la aparición de los parámetros de sintonización para presionar el botón Accept y detener el simulador. 11. Compare los resultados del ajuste de los parámetros de sintonización hechos por HYSYS con los estimados a partir de las mediciones realizadas y necesarias para estimarlas de acuerdo a las reglas de Tyreus Luyben 35

12 12. Cambie la función de transferencia de segundo orden por otra donde se especifiquen los atrasos dinámicos desplegando la página Lag y verificando los cuadros Lag 1 y Lag 2. Especifique las constantes de tiempo con valores de 1 y 2 minutos 13. Despliegue la ventana de propiedades del controlador, asígnele una ganancia de uno y borre las constantes de tiempo. Despliegue una nueva ventana registradora de PV y SP, coloque el modo activo el simulador, inicie la auto sintonización y detenga el simulador después de aceptar los parámetros estimados por HYSYS 14. Compare los resultados del ajuste de los parámetros de sintonización hechos por HYSYS con los estimados a partir de las mediciones realizadas y necesarias para estimarlas de acuerdo a las reglas de Tyreus Luyben 15. Repita el procedimiento seguido en los puntos 12 y 13 para atrasos de 2 minutos cada uno y haga las correspondientes comparaciones 7. BIBLIOGRAFIA Luyben W. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel Dekker Inc