1. SINTONIZACION DE CONTROLADORES MEDIANTE HYSYS

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1 1. SINTONIZACION DE CONTROLADORES MEDIANTE HYSYS 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario y dinámico, la separación de fases adiabática de una mezcla de hidrocarburos 1.2. Diseñar el separador, las válvulas instaladas para controlar el flujo de alimento, el nivel de líquido y la presión en el separador de fases 1.3. Sintonizar los controladores mediante la herramienta Autotuner de HYSYS 2. DESCRIPCION DEL PROCESO ESTUDIADO En esta práctica se estudiará la separación adiabática de una mezcla de dos fases líquido vapor compuesta de etano, propano, isobutano y n-butano. Este tipo de separación es importante porque es el fundamento para la comprensión de procedimientos de separación más complejos como, por ejemplo, la destilación 2.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Etano, Propano, Isobutano y n-butano ECUACION: Peng Robinson REACCIONES: No hay. No es un proceso con reacción SISTEMA DE UNIDADES : EuroSI 2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO Una corriente de hidrocarburos saturados en estado líquido, que contiene etano, propano, i-butano y n-butano, se evapora parcialmente al pasar por la válvula V1, donde experimenta una caída de presión de 15 bares, y es alimentada a un tanque separador de fases que opera en forma adiabática a una presión de 5 bares. Las corrientes de líquido y vapor en equilibrio que salen del separador se hacen pasar a través de las válvulas V2 y V3. Los flujos a través de dichas válvulas disminuyen su presión en 2 bares y son manipulados para controlar el nivel de líquido y la presión en el tanque, respectivamente. Se estima el tamaño del tanque para mantener un volumen de líquido igual al 50 % del total durante un tiempo de residencia de 10 minutos. Las válvulas de control se seleccionan del tipo lineal y se estima su coeficiente con la opción Size Valve disponible en HYSYS. Se controla el flujo de alimento y la presión en el tanque con acciones proporcional integral sintonizados con la herramienta autotuner de HYSYS y el controlador de nivel se instala desde la opción disponible en la ventana de propiedades del tanque. La Figura 1.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de separación de fases terminada la simulación en estado estacionario

2 3. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO A continuación se describe la instalación, en forma secuencial, de las corrientes de entrada y salida al separador de fases y las válvulas respectivas Alimentación: Instale la corriente Alimento y asígnele como especificaciones 20 bares, 70 C, 100 kgmol/h, 10 % molar de etano, 20 % molar de propano, 30 % molar de isobutano y 40 % molar de n-butano. Conecte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente Salida_V1 con una caída de presión de 15 bares. Separador de fases: Instale un separador de fases con el nombre de Separador, conéctelo con la corriente de entrada Salida_V1 y corrientes de salida Vapor y Líquido. Instale las válvulas V2 y V3 como se observan en la Figura 1.1. En la página Parámetros de la pestaña Diseño de las ventanas de propiedades de cada una de ellas asigne una caída de presión de 2 bares. El separador opera adiabáticamente a una presión de 5 bares Figura 1.1. Diagrama de flujo del Separador de fases en estado estacionario 4. DISEÑO DE LOS EQUIPOS Diseño del Separador de fases El separador de fases se diseña para suministrar un volumen de líquido equivalente a 10 minutos del flujo volumétrico de líquido de salida, con el separador lleno hasta la mitad. El volumen del tanque se calcula de la siguiente manera: Flujo másico de la corriente líquida que sale del tanque kg/h Densidad de la corriente líquida 548 kg/m 3 Flujo volumétrico m 3 /min Mach 2

3 Un volumen equivalente a 10 minutos de esta corriente es m 3, esto equivale a 50 % del tanque y, por lo tanto, el 100 % del tanque es 2.13 m 3. Para calcular las dimensiones del tanque hay que encontrar la velocidad superficial del vapor lo suficientemente baja para que se produzca la separación entre el líquido y el vapor de modo que no haya arrastre de líquido. La velocidad máxima para que no se produzca arrastre está dada por la siguiente expresión: F Vmax = (1.1) ρ v Siendo F un factor valor de Siendo la densidad del vapor de 10.6 kg/m 3, al aplicar la ecuación (1.1) se estima que la velocidad máxima es de m/s El flujo volumétrico del vapor es de: 1752 kg h 3 m 10.6 kg h 3600 s m = s 3 El área seccional recta del tanque vertical está dada por: 3 m s m s = m 2 Esto equivale a que el diámetro mínimo del tanque debe ser metros. Para el volumen calculado de 2.13 m 3, y suponiendo una relación de altura a diámetro de 2, el diámetro puede calcularse que es 1.1 metros y, por lo tanto, su altura es de 2.25 metros. Las especificaciones sobre el tamaño del tanque se realizan en la página Specs de la pestaña Dynamics como se observa en la Figura 1.2. Deben introducirse la altura y el diámetro del tanque y el simulador calcula el volumen. Figura 1.2. Ventana para el dimensionamiento del tanque separador de fases Mach 3

4 Diseño de las válvulas de control Para diseñar las válvulas de control se recomienda el siguiente procedimiento: 1. Seleccione el icono correspondiente a la válvula que se quiere diseñar 2. Para su diseño utilice uno de los siguientes procedimientos: a. Haga clic sobre la pestaña Rating y ahora puede seleccionar entre los valores en estado estacionario o Current y la opción User Input que indica que el usuario debe asignar los valores de la apertura de la válvula (Valve Opening) y caída de presión (Delta P). Después de esto presione el botón Size Valve para encontrar el tamaño de la válvula. Observe que hay tres opciones para el método de diseño: C v para líquidos, C g para gases y el método k que se basa en ecuaciones de resistencia del tipo k. También se puede escoger entre tres tipos de válvula: Linear, Quick Opening y Equal Porcentaje. Tenga en cuenta que el porcentaje de apertura realmente debe entenderse como la posición del vástago de la válvula. La Figura 1.3 muestra la ventana de especificaciones del tamaño de la válvula V1 Figura 1.3. Tamaño de la válvula de control V1 (Rating) b. El otro método consiste en abrir la pestaña Dynamics de la válvula de control y seleccionar el botón Size Valve. Observe que en esta ventana se puede agregar una válvula Check para prevenir que el flujo se devuelva y que también se puede escoger una de las dos especificaciones dinámicas Total Delta P, que indica que la caída de presión a través de la válvula es constante, lo cual no es real, y la opción Pressure Flow Relation que permite que la presión a través de la válvula sea variable, lo que es mas realista y que se muestra en la Figura 1.4. Mach 4

5 5. 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 SeparadorEstacionario y añadir un nuevo PFD con el nombre de SeparadorDinamico. Figura 1.4. Tamaño de la válvula de control V1 (Dynamics) Al activar al modo dinámico es posible que aparezca una ventana como la mostrada en la Figura 1.5. Léala y presione el botón Si para que el simulador resuelva las consideraciones que el asistente dinámico ha encontrado que necesitan atención antes de ingresar al modo dinámico Figura 1.5. Ingreso al modo dinámico Seguidamente, aparece la ventana Dynamics Assistant mostrando algunas consideraciones que es necesario cambiar como la que muestra la Figura 1.6. Léala y presione el botón Make Changes para que se efectúen los cambios señalados Después de realizados los cambios la ventana del asistente dinámico cambia a como se observa en la Figura 1.7. Presione el botón Finísh para ingresar al modo dinámico Mach 5

6 Se hace necesario presionar nuevamente el icono de activación del modo dinámico y presionar el botón Si de la ventana desplegada y que pregunta sobre la seguridad de cambiar del modo estacionario al modo dinámico. Observe en la barra de HYSYS que ahora el simulador se encuentra en el modo dinámico pero inactivo (semáforo rojo). A continuación se instalan los lazos de control definidos por el usuario Figura 1.6 Asistente dinámico 6. LAZOS DE CONTROL Figura 1.7. Asistente dinámico Se controlan el flujo de la corriente de alimento, el nivel de líquido y la presión en el tanque manipulando las válvulas V1, V2 y V3, respectivamente Mach 6

7 Control de Flujo de Alimento El procedimiento que se describe a continuación es el que se sigue para la instalación de un controlador: 1. Presione en el icono del controlador en la paleta y arrástrelo hasta el PFD Conexiones 2. Haga doble clic en el icono del controlador para desplegar su ventana de propiedades. La pestaña que aparece desplegada es la denominada Connections y se muestra en la Figura 1.8 Figura 1.8. Conexiones del controlador de flujo de alimento 3. Presione el botón Select PV para especificar el objeto o corriente y la variable de proceso que se va a controlar. Esta selección se realiza a través de una ventana Navegador de variables como el que aparece en la Figura 1.9. Por ejemplo, para seleccionar la variable de proceso PV para el controlador de flujo de alimento se selecciona el objeto Alimento y la variable Molar Flow y se hace clic sobre el botón OK 4. Presione el botón Select OP para especificar el objeto o lugar a donde se envía la señal de salida del controlador. Esta selección se realiza a través de una ventana como la que aparece en la Figura Se muestra que la señal OP se transmite a la válvula V1. Mach 7

8 Figura 1.9. Selección de la variable Molar Flow de la corriente Alimento Parámetros Figura Selección de la válvula que va a manipular el control de flujo 5. Presione la pestaña Parameters y se desplegará una ventana como la que muestra la Figura Esta parte es la más importante de las especificaciones del controlador. Primero hay que seleccionar la acción del controlador (directa o inversa). Para el controlador de flujo la acción es inversa ya que un aumento en el flujo resulta en un movimiento de la válvula a la posición cerrada (un aumento en PV se traduce en una disminución de OP). 6. Especifique la escala del sensor/transmisor. Para el controlador de flujo de alimento la escala, especifique en el cuadro de título Range los valores mínimo y máximo para la variable de proceso, PV. La Figura 1.11 muestra la página de parámetros para el controlador de flujo. Se han introducido flujos de 90 kgmole/h y 110 kgmole/h como mínimo y máximo. HYSYS completa las especificaciones que se observan en dicha figura Mach 8

9 Figura Parámetros del controlador de flujo de alimento 7. Verifique los valores de las variables del proceso, PV, señal de referencia, SP, y porcentaje de apertura, OP. En algunos casos, la variable de proceso no se inicializa adecuadamente hasta que arranca el integrador. Esto pasa con algunos circuitos de nivel. Cuando pasa esto, deje el controlador en manual hasta que haya arrancado el integrador. Por defecto se especifica un controlador proporcional con ganancia de uno Autosintonización 8. Despliegue la página Autotuner que se encuentra en la lista colocada a la izquierda de la pestaña Parameters. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura En el cuadro Autotuner Parameters seleccione la opción PI para que HYSYS estime la ganancia y la constante de tiempo integral del controlador proporcional integral Figura Página Autotuner de la pestaña Parameters Mach 9

10 9. Presione el botón Start Autotuner para que HYSYS realice la autosintonización en modo dinámico activo y presione el botón Face Plate (Carátula) para desplegar una ventana como la observada en la Figura 1.13, inicialmente haciendo el control el Modo Manual 10. Active el modo dinámico del simulador y observe que en un tiempo muy corto HYSYS ha estimado los valores de la ganancia y la constante de tiempo integral como se muestra en la ventana de la Figura Presione el botón Accept para aceptar los valores estimados Figura Carátula del controlador de flujo de alimento Figura Autosintonización del control de flujo de alimento 11. El paso final cambiar a Modo Automático en el botón desplegable que se observa en la carátula. Esta sirve para visualizar los valores de la señal de referencia, SP, variable del proceso, PV y el porcentaje de abertura de la válvula de control, OP. Al presionar la flecha roja permite ver la señal de referencia y al mover esta flecha se puede cambiar el valor de la señal de referencia si el controlador está en automático. Si el controlador está en Manual se puede cambiar el porcentaje de apertura OP escribiendo un valor en Mach 10

11 la casilla correspondiente a OP o haga doble clic en esta misma casilla. La carátula también indica si el controlador está en Automático o Manual, y el controlador puede cambiarse de un modo a otro por medio de la lista desplegable, tal como se muestra en la Figura Si se presiona el botón Tuning en la carátula se abre la ventana Parameters del controlador lo que permite cambiar sus parámetros, el modo, la señal de referencia si el controlador está en automático o la apertura de la válvula si el controlador está en Manual. Instalación de los Registradores Es necesario e instructivo observar cómo las variables cambian con el tiempo y para esto se pueden instalar registradores en cada controlador. Además, se puede grabar en un archivo la historia de una simulación para graficarla por medio de Matlab o Excel. El procedimiento para instalar registradores de SP, PV y OP es el siguiente: A. Abra la pestaña Stripchart del controlador B. En la lista desplegable Variable Set seleccione la opción SP, PV, OP Only C. Presione el botón Create Stripchart. Las gráficas de los registros en HYSYS tienen una característica muy útil. Si se mueve el cursor a un punto de una curva, se muestran los valores de las variables y el valor del tiempo en el punto. Esto es particularmente útil cuando se está haciendo una prueba de autosintonía. Se facilita estimar el período crítico y la amplitud de la señal PV (la mitad de la diferencia entre los valores máximos y mínimos de esa variable). La Figura 1.15 muestra la carta registradora de SP, PV y OP para el control de flujo de alimento Figura Registrador de SP, PV Y OP para el control de flujo de alimento Mach 11

12 12. Detenga el simulador colocándolo en modo inactivo para la instalación del control de nivel de líquido en el tanque Control de nivel de líquido en el tanque Para la instalación del control de nivel de líquido en el tanque se utiliza la opción Add/Configure Level Controller que se encuentra en la pestaña Dynamics de la ventana de propiedades del tanque separador 1. Despliegue la ventana de propiedades del tanque separador y presione la pestaña Dynamics. 2. Seguidamente presione el botón Add/Configure Level Controller y observe que HYSYS ha instalado un controlador de nivel manipulando la válvula V3. 3. Despliegue la ventana de propiedades del controlador instalado y observe que se encuentra completamente especificado incluyendo su sintonización para un controlador proporcional integral, su acción (directa) y los valores mínimo y máximo de la variable de proceso. 4. Presione el botón Face Plate para desplegar la carátula correspondiente y coloque el simulador en modo activo. Observe que HYSYS coloca al controlador en Modo Automático Control de presión en el tanque 1. Instale un controlador con variable de proceso o PV, la presión de la corriente Vapor y la variable a manipular el flujo de la corriente a través de la válvula V2. 2. Despliegue la pestaña Parameters y seleccione la acción directa porque para un aumento en presión o PV se debe aumentar la abertura de la válvula V2 3. Asigne 4 bares y 6 bares los valores mínimo y máximo de la presión en el tanque 4. Despliegue la página Autotuner de la pestaña Parameters, seleccione la acción PI, presione el botón Start Autotuner como también el botón Face Plate para desplegar la carátula correspondiente 5. Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonización sugeridos por HYSYS 6. Presione el botón Accept para aceptar los valores de sintonización 7. Cambie el controlador a Modo Automático y observe el control durante un tiempo 8. Detenga la simulación para mostrar las tres carátulas de los controladores funcionando simultáneamente Mach 12

13 9. Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Face Plates. Seleccione los tres controladores que aparecen en el cuadro Operations with Face Plate y presione el botón Open Se observan las carátulas de los tres controladores estabilizadas en sus valores de variable de proceso, PV, y de abertura de válvula, OP. La Figura 1.15 muestra el diagrama de flujo final con las carátulas incluidas y con el simulador en Modo Activo Ejecución de la simulación El procedimiento normal es arrancar el integrador y observar cuidadosamente, en sus respectivas carátulas, qué están haciendo los controladores. Si todo está bien en el estado estacionario y correctamente conectado, los valores de todas las variables debieran permanecer constantes. Después de tener el proceso en forma estable guarde el archivo y cambie de nombre al archivo de trabajo, si se daña el archivo de trabajo se tiene un archivo de respaldo para volver a empezar. No olvide cambiar el nombre cada vez que abra el archivo de respaldo. Una vez se estabiliza el proceso se pueden hacer cambios para observar y verificar el buen funcionamiento de la estrategia. Por ejemplo, se pueden cambiar la presión, la temperatura o la presión en la corriente de entrada. También pueden cambiarse los valores de referencia del nivel y de la presión. Figura Diagrama de flujo en estado dinámico Mach 13

14 7. CASOS DE ESTUDIO Qué opinión le merece la estrategia de control? Qué concepto puede dar sobre el manejo del HYSYS de las válvulas de control y de los controladores? Considere al control de nivel como un controlador proporcional puro con ganancia igual a 2. Cuál es el controlador con mejores resultados? Considere el control de flujo como de acción proporcional integral con ganancia igual a 0.5 y tiempo integral de 0.3 minutos Cuál es el controlador con mejores resultados? 8. BIBLIOGRAFIA Luyben W. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel Dekker Inc HYSYS 2.4 Update. AEA TECHNOLOGY Mach 14