Manuales PROYECTO EDITORIAL CIENCIAS QUÍMICAS. Director: Guillermo Calleja Pardo. Áreas de publicación:

Transcripción

1

2 Manuales de químicas PROYECTO EDITORIAL CIENCIAS QUÍMICAS Director: Guillermo Calleja Pardo Áreas de publicación: QUÍMICA BÁSICA Coordinador: Carlos Seoane Prado INGENIERÍA QUÍMICA Coordinador: José Luis Sotelo Sancho TECNOLOGÍA BIOQUÍMICA Y DE LOS ALIMENTOS Coordinador: José Aguado Alonso QUÍMICA AMBIENTAL Y CONTAMINACIÓN Coordinador: Fernando Miranda Coronel

3 Pedro Ollero de Castro Catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Sevilla Eduardo Fernández Camacho Catedrático de Sistemas y Automática de la Universidad de Sevilla

4 Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S.A. Pedro Ollero de Castro y Eduardo Fernández Camacho EDITORIAL SÍNTESIS, S.A. Vallehermoso, Madrid Teléf.: (91) Depósito Legal: M ISBN: Impresión: Impreso en España - Printed in Spain

5 Índice PRÓLOGO INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS Introducción Un ejemplo simple de control Control por realimentación Control anticipativo Definiciones y conceptos básicos relativos a los sistemas de control de procesos Variable de proceso a controlar Punto de consigna o referencia Variable manipulada o variable (señal) de control Variable de perturbación Señales e instrumentos de un sistema de control de procesos Sensor Transmisor o transductor Controlador Actuador o elemento final de control Técnicas y niveles de control de procesos Control regulatorio básico Técnicas avanzadas de control y control supervisor Control multivariable Optimización en línea Diseño del sistema de control para plantas de proceso (plantwide control) Referencias bibliográficas MODELIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE PROCESOS QUÍMICOS Introducción Consideraciones generales acerca del modelado matemático de procesos químicos Principios fisicoquímicos involucrados Grado de detalle del modelo Consistencia del modelo Régimen nominal de operación Ecuaciones de conservación y tipos de modelos... 47

6 6 Instrumentación y control de plantas químicas 2.4. Las ecuaciones de conservación en la formulación de modelos de parámetros globalizados Ecuación de conservación de la masa total Ecuaciones de conservación de la masa de componentes individuales Ecuación de conservación de la energía Ecuación de conservación de la cantidad de movimiento Las ecuaciones de conservación en la formulación de modelos de parámetros distribuidos Conservación de la masa total Ecuaciones de conservación de la masa de componentes individuales Ecuación de conservación de la energía Ejemplos de modelos dinámicos de procesos químicos Modelo de un reactor presurizado que opera en fase gas Modelo matemático de un destilador simple Modelo matemático de una columna de destilación ideal Modelo matemático de un reactor gas-líquido Modelo matemático de un intercambiador tubular con vapor a condensación Integración del modelo matemático del proceso en la descripción matemática del sistema de control Problemas propuestos ANÁLISIS DE LA DINÁMICA DE PROCESOS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Introducción Linealización de modelos dinámicos de procesos químicos Linealización de términos no lineales Linealización de modelos dinámicos de procesos Variables de desviación Sistemas lineales de primer orden Análisis cualitativo de la respuesta de un sistema lineal de primer orden Ganancia estática y constante de tiempo de un sistema no lineal de primer orden Análisis general de la dinámica de un sistema lineal de primer orden Respuesta de un sistema lineal de primer orden no autorregulado Respuesta de sistemas lineales de primer orden a otro tipo de entradas Sistemas de segundo orden Sistemas de segundo orden constituidos por dos capacidades en serie Sistemas intrínsecamente de segundo orden Sistemas de orden superior Procesos multicapacitivos Procesos con tiempo muerto Procesos con respuesta inversa Uso de MATLAB para generar y representar funciones del tiempo Problemas propuestos

7 Índice 7 4. ANÁLISIS DINÁMICO EN EL DOMINIO DE LAPLACE: FUNCIONES DE TRANSFERENCIA Introducción La transformada de Laplace Propiedades de la transformada de Laplace Teoremas de la transformada de Laplace Transformada de Laplace de funciones importantes Transformada inversa o antitransformada Resolución de ecuaciones diferenciales lineales Respuesta a un escalón de algunos sistemas dinámicos simples Funciones de transferencia y modelos entrada-salida Propiedades de la función de transferencia Funciones de transferencia de algunos sistemas simples Respuesta a un escalón y a un impulso de sistemas representados por funciones de transferencia Funciones de transferencia de sistemas de parámetros distribuidos Análisis cualitativo del comportamiento dinámico de un sistema y concepto de estabilidad Diagramas de bloques Diagramas de bloques en lazos de control Reducción de modelos de función de transferencia Referencias bibliográficas Problemas propuestos ANÁLISIS DINÁMICO EN EL DOMINIO DE LA FRECUENCIA: RESPUESTA FRECUENCIAL Introducción Respuesta en frecuencia Representación gráfica de la respuesta en frecuencia Respuesta en frecuencia de sistemas constituidos por varias funciones de transferencia en serie Sistemas de fase no mínima Problemas propuestos MODELOS DINÁMICOS EMPÍRICOS PARA CONTROL DE PROCESOS Introducción Metodología general El método de la curva de reacción Determinación de los parámetros del modelo Uso práctico del método de la curva de reacción Identificación de procesos Uso de MATLAB para obtener la función de transferencia de un proceso

8 8 Instrumentación y control de plantas químicas Determinación de los parámetros de un modelo de primer orden con tiempo muerto usando una hoja de cálculo Consideraciones prácticas sobre identificación de procesos Observaciones finales y conclusiones Problemas propuestos CONTROL POR REALIMENTACIÓN: CONTROLADORES PID Introducción Instrumentación de un lazo simple de control Sensores y transmisores Válvulas de control Líneas de transmisión Controladores Controladores analógicos PID Acción proporcional y controladores P Acción integral y controladores PI Acción derivativa y controladores PID Modificaciones al algoritmo PID convencional Algunas características adicionales de los controladores PID Controladores digitales Selección del intervalo de muestreo Selección de las acciones de control ANÁLISIS DINÁMICO DE LAZOS DE REALIMENTACIÓN Y CONTROLABILIDAD DE PROCESOS Introducción Justificación del control por realimentación Criterios de estabilidad en lazo cerrado Criterio de estabilidad de Bode Márgenes de fase y de ganancia Ganancia y frecuencia última Diseño de controladores de realimentación Análisis de controlabilidad de procesos Escalado de procesos Controlabilidad frente a perturbaciones Controlabilidad frente a cambios en la referencia Características de un proceso que limitan la controlabilidad Referencias bibliográficas Problemas propuestos SINTONIZACIÓN DE CONTROLADORES PID Introducción Sintonización de controladores de realimentación

9 Índice Criterios de calidad de respuesta Criterios basados en una característica puntual de la respuesta Criterios basados en la integral del error Selección del tipo de controlador y su sintonización Métodos empíricos de sintonización de controladores Método de ajuste de Ziegler-Nichols de lazo cerrado Método de ajuste de Ziegler-Nichols de lazo abierto Métodos de ajuste basados en la integral del error Métodos analíticos de sintonización basados en modelos Sintonización automática de controladores Referencias bibliográficas Problemas propuestos CONTROL REGULATORIO AVANZADO Introducción Control en cascada Estructura de un sistema de control en cascada Sintonización de controladores en cascada Control anticipativo Control anticipativo incremental Análisis de controlabilidad de control anticipativo y de realimentación combinados Control anticipativo no lineal con modelos basados en principios físicos Control de relación (ratio control) Control anticipativo de relación aplicado a una columna de destilación Control selectivo o control con restricciones Control de gama partida Problemas propuestos CONTROL BASADO EN MODELOS Introducción Control IMC (Internal Model Control) Diseño de un controlador IMC Uso práctico de controladores IMC Compensador de tiempos muertos o Predictor de Smith El Predictor de Smith y los errores de modelado Sintonización IMC de controladores PI o PID de realimentación Referencias bibliográficas Problemas propuestos CONTROL DE PROCESOS MULTIVARIABLES Introducción Descripción de un sistema multivariable

10 10 Instrumentación y control de plantas químicas Efectos estático y dinámico de las interacciones Evaluación de las interacciones Emparejamiento entre variables controladas y manipuladas La ganancia relativa de perturbación Sintonización de los controladores en un sistema multivariable descentralizado Desacoplamiento Desacoplamiento parcial Desacoplamiento por inversión del modelo Referencias bibliográficas Problemas propuestos CONTROL PREDICTIVO BASADO EN MODELO (MPC) Introducción Características básicas del Control Predictivo Basado en Modelos Modelo de predicción del comportamiento del proceso Control DMC Control DMC monovariable Control DMC con realimentación de la salida El esfuerzo de control en un controlador DMC Extensión a sistemas multivariables Implementación y sintonización de un controlador DMC Gestión de restricciones Control MPC de una columna de fraccionamiento Sistemas comerciales de control predictivo Referencias bibliográficas CONTROL A ESCALA DE PLANTA Introducción Descripción del problema de control a escala de planta Control del inventario en plantas químicas Control de inventario en unidades en serie Control de inventario en unidades en un lazo de recirculación Control de inventario en unidades de un sistema cerrado Control del inventario de componentes El efecto snow ball y las reglas de Luyben Metodologías de diseño de sistemas de control a escala de planta Metodología de Price y Georgakis Metodología de Luyben Metodología de Skogestad Control de una planta de producción de acetato de vinilo Referencias bibliográficas Problemas propuestos

11 Índice CONTROL POR COMPUTADOR Introducción Ventajas e inconvenientes del control por computador Funciones de los computadores en el control y la supervisión de procesos Instrumentación específica para el control por computador Conversión digital-analógica Conversión analógica-digital Mantenedores Multiplexores Señales diferenciales Características del software de los sistemas de control por computador Estructuras de los sistemas de control por computador Señales muestreadas Elección del periodo de muestreo El fenómeno del aliasing CONTROL SECUENCIAL DE PROCESOS Introducción Ejemplo ilustrativo Ecuaciones lógicas Algunas propiedades de las operaciones lógicas Lógica de contactos Puertas lógicas Sistemas lógicos combinacionales y secuenciales Diagramas de contactos Autómatas programables Programación GRAFCET Problemas propuestos INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS Introducción El proceso de medida Clasificación de los instrumentos de medida Instrumentos de monitorización y control Instrumentos activos o pasivos Instrumentos de medida por comparación y por desplazamiento Medidores analógicos y digitales Definiciones y conceptos básicos La transmisión de la medida Transmisión neumática Transmisión eléctrica Convertidores presión-intensidad Codificación de la información Instrumentación inteligente

12 12 Instrumentación y control de plantas químicas Calibrado Diagramas de tuberías e instrumentos MEDIDORES DE TEMPERATURA Introducción Factores involucrados en la medición de la temperatura Medida de la temperatura de sólidos Medida de la temperatura de fluidos Clasificación de los sensores de temperatura Termopares Descripción básica Hilos de extensión Compensación de temperatura Características constructivas Termopilas Termorresistencias (sondas de resistencia) Descripción básica Termistores Pirómetros de radiación Descripción básica Tipos de pirómetros de radiación Componentes de un pirómetro Selección del sensor de temperatura Rango de temperatura Precisión Velocidad de respuesta Tipos de fallos Interferencia eléctrica Coste Referencias bibliográficas MEDIDORES DE PRESIÓN Y DE NIVEL Introducción Conversión mecánica-eléctrica Galgas extensiométricas Potenciómetros Transductores capacitivos Transductores inductivos Transductores piezoeléctricos Elementos primarios para la medida de presión Columna de líquido Elementos elásticos Medidores de nivel Lecturas de nivel todo-nada

13 Índice Lecturas proporcionales Medida del nivel de sólidos MEDIDORES DE CAUDAL Introducción Caudalímetro de presión diferencial Teoría básica de los caudalímetros de presión diferencial Tipos de caudalímetros de presión diferencial Ecuación de diseño de un caudalímetro de presión diferencial Dimensionamiento de un caudalímetro de presión diferencial Instalación de caudalímetros de presión diferencial Pérdida de carga en caudalímetros de presión diferencial Caudalímetro de impacto Caudalímetros lineales Caudalímetros de ultrasonidos Caudalímetros electromagnéticos Caudalímetros de turbina Caudalímetros de torbellino (vórtex) Rotámetros Caudalímetros de inserción Tubo Pitot Otros caudalímetros de inserción Medida del caudal másico con caudalímetros volumétricos Medidores de caudal másico Caudalímetros de momento angular Caudalímetros térmicos de caudal másico Selección de medidores de caual Referencias bibliográficas Problemas propuestos ANALIZADORES DE PROCESO Introducción Análisis en línea o en tiempo real Características básicas de los analizadores Selectividad Velocidad de respuesta Precisión Rango Linealidad Repetitividad Analizadores en línea Espectrómetros Espectrómetros de masas Cromatógrafos

14 14 Instrumentación y control de plantas químicas Analizadores electroquímicos Analizadores de conductividad térmica Analizadores de conductividad eléctrica Analizadores ópticos y sónicos Analizadores basados en la combustión Sistemas de muestreo y acondicionamiento Toma de la muestra Transporte de la muestra Acondicionamiento de la muestra Referencias bibliográficas ELEMENTOS FINALES DE CONTROL: VÁLVULAS DE REGULACIÓN AUTOMÁTICA Introducción Válvulas de control Tipos de válvulas de control Componentes de una válvula de control Cuerpo y elementos internos Materiales constructivos Actuadores Accesorios de válvulas de control Características de caudal de las válvulas de regulación Característica instalada de caudal Selección de la característica inherente de una válvula Dimensionamiento de válvulas de control Ecuaciones de flujo a través de válvulas para líquidos y gases Fórmulas de cálculo de K v y C v Correcciones por viscosidad Mezclas líquido-gas Mezclas líquido-vapor Cavitación y flashing Criterios de dimensionamiento de una válvula de regulación Otros elementos finales de control Referencias bibliográficas Problemas propuestos