MANUAL CONTROL DE TEMPERATURA EN UN REACTOR ENDOTÉRMICO

Transcripción

1 MANUAL CONTROL DE TEMPERATURA EN UN REACTOR ENDOTÉRMICO Simulation Control & Automation Solutions

2 1. Descripción del sistema Un ejemplo de reactor endotérmico se tiene en las unidades de Reformado Catalítico, en donde las reacciones son muy endotérmicas. La figura siguiente muestra un diagrama simplificado del proceso a simular en el que existe un conjunto de precalentador y reactor. En las unidades de proceso industriales de Reformado Catalítico existen varios conjuntos de precalentador (horno) y reactor para completar la reacción. El objetivo del sistema es la eliminación de un compuesto de una corriente de alimentación. La eliminación de este compuesto se obtiene mediante su reacción química en un reactor. Esta reacción química es favorecida trabajando a temperaturas altas. Para ello, la corriente de alimentación es precalentada con un intercambiador de calor alimentado con vapor. La reacción que tiene lugar en el reactor es endotérmica. Es decir, es consumidora de calor. De forma que la temperatura de salida del reactor, TI3, es menor que la temperatura de entrada en el reactor, TC2. La concentración de entrada es medida en el indicador AI1, y la concentración final es medida en el controlador AC2, que lógicamente debe de ser menor. Debido a que la temperatura alta favorece la reacción química, un incremento en la temperatura de entrada al reactor, TC2, conduce a una disminución de la concentración en AC2. 2

3 Por otro lado, un aumento en el flujo de alimentación, supone un menor tiempo residencia en el reactor. Es decir, un menor tiempo para que pueda ocurrir la reacción. De forma que se produce un aumento en la concentración de salida. Cuando se trabaja en lazo cerrado, para evitar este aumento de concentración, el controlador AC2 aumenta la temperatura de entrada al reactor, TC2. La conversión es una forma de medir la cantidad de reactivo que ha reaccionado. La conversión se calcula a partir de la ecuación siguiente: conversión = cantidad de compuestoque reacciona (kmol/s) cantidad de compuestoque entra en el reactor (kmol/s) La conversión es visualizada en un bloque específico del módulo. El objetivo final del control es controlar la concentración de la corriente de salida. El controlador TC2 controla la temperatura de entrada al reactor. Para ello modifica la abertura de la válvula de vapor. El controlador TC2 es un controlador PID tipo C, con respuesta inversa. Por otro lado, el controlador AC2 controla la concentración de salida del reactor, modificando el setpoint del controlador TC2. El controlador AC2 es un controlador diferencial. Un controlador diferencial funciona de la siguiente manera. Cada un determinado periodo de tiempo, t, se calcula el error entre la variable controlada y el setpoint. Si el error supera una cierta valor, gap, la variable de salida es aumentada o disminuida un determinado incremento, u. Esto es: cada t periodo de muestreo si error > gap entonces u = u + u si error < gap entonces u = u - u si error < gap entonces u = u El controlador TC2 posee dos bloques que muestran si la variable manipulada ha alcanzado el valor máximo o el mínimo permitido. En ese caso, el bloque 3 3

4 correspondiente pasa de color verde a color rojo. De esta forma el usuario puede detectar fácilmente si el control funciona correctamente. 2. Variables modificables en el módulo El usuario puede modificar las condiciones de entrada: - flujo de entrada de alimentación, FI1, m 3 /h - concentración del componente a eliminar en la alimentación, AI1, kmol/m 3 - temperatura de la alimentación, TI1, ºC También se puede modificar la presión del vapor del intercambiador de calor, PI1, bar Y por supuesto, todas las variables de sintonía de los controladores TC2 y AC2 - k, Ti y Td para el controlador TC2 - periodo de muestreo, incremento y gap, para el controlador AC2 Las variables pueden ser modificadas en dos bloques distintos. Como se muestra en la siguiente figura. En el bloque gris, el usuario fija un valor constante. Mientras que el bloque rojo es un generador de funciones. Aquí es interesante tener en cuenta lo siguiente. El bloque gris está limitado en un determinado rango. Pero el bloque rojo, no está limitado, todo depende de las funciones generadas por el usuario. Si el usuario no tiene el suficiente cuidado, las variables pueden alcanzar valores para los que la simulación no está preparada. Por ejemplo, podría alcanzarse un valor de -5 bar. Para evitar esta situación, existe un limitador interno en el módulo (que limita el valor final entre los mismos límites del bloque gris). La variable que aparece sobre el indicador, es la limitada. Como se puede ver en la siguiente figura. 4

5 Existen por tanto dos variables, la variable sin limitar, PI1_in, y la variable limitada, PI1. El usuario tiene que tener en cuenta la existencia de estas dos variables, a la hora de las representaciones gráficas. El tiempo de asentamiento del sistema es largo. De forma que se recomienda trabajar con un factor de aceleración alto. Para ello se hace clic en el icono del factor de aceleración: Y se aumenta el factor de aceleración a un valor superior, por ejemplo 50, veces el tiempo real. 3. Variables que aparecen en la simulación AC2.MV: variable manipulada del controlador AC2, (setpoint del controlador TC2), ºC AC2.PV: variable controlada del controlador AC2, kmol/m 3 AC2.SP: setpoint del controlador AC2, kmol/m 3 AC2_alarma_max: 0 si AC2.MV alcanza el valor máximo, 1 en el caso contrario AC2_alarma_min: 0 si AC2.MV alcanza el valor mínimo, 1 en el caso contrario AI1: concentración de alimentación limitada, kmol/m 3 AI1_in: concentración de alimentación sin limitar, kmol/m 3 FI1: flujo de alimentación limitado m 3 /h FI1_in: flujo de alimentación sin limitar, m 3 /h 5 5

6 PI1: presión de vapor limitada, bar PI1_in: presión de vapor sin limitar, bar PI2: presión a la entrada del reactor, bar PI3: presión a la salida del reactor, bar TC2.MV: variable manipulada del controlador TC2, (abertura de la válvula de la corriente de vapor), % TC2.PV: variable controlada del controlador TC2, ºC TC2.SP: setpoint del controlador TC2, ºC TC2_alarma_max: 0 si TC2.MV alcanza el valor máximo, 1 en el caso contrario TC2_alarma_min: 0 si TC2.MV alcanza el valor mínimo, 1 en el caso contrario TI1: temperatura de alimentación limitada, ºC TI1_in: temperatura de alimentación sin limitar, ºC TI3: temperatura de salida del reactor, ºC X: conversión, - 6