CONTROL DE REACTORES. ! Reactores de tanque agitado. ! Reactores de flujo pistón! Reactores batch

Transcripción

1 1/61 CONTROL DE REACTORES! Reactores de tanque agitado! Grados de libertad! Control de presión! Control de temperatura! Control de calidad! Reactores de flujo pistón! Reactores batch

2 2/61 grados de libertad?

3 3/61 Variables CV s y MV s

4 CSTR: Control de presión 4/61 Si existe equilibrio normalmente no se controla la presión y se controla únicamente la temperatura. Por qué?

5 Con salida de gases 5/61 Reactivo B Reactivo A F 2 PIC Producto ( F 1 G CWR C Producto (l) CWS

6 Sin salida de gases 6/61 F1 Reactivos (g) PIC F2 Reactivos (l) CWR C Productos (l) CWS

7 CSTR: Control de temperatura 7/61 Cuáles son las variables manipuladas más efectivas para el control de la temperatura? A+ B C A reactivo limitante Volumen de reacción constante

8 Reacciones exotérmicas 8/61 Cinética según la expresión de Arrhenius r = k e 0 E RT a k 0 Constante preexponencial E a energía activación R constante universal de los gases T temperatura de la reacción Reacción exotérmica desprende calor Fenómeno de RUNAWAY

9 Calor generado en el reactor Qgenerado = HreacFxA 9/61 = r = f() r f( T) Q = generado f ( T ) Calor eliminado en el reactor Q = U A T T eliminado lm = lm ( T Tref, in) ( T Tref, out ) T Tref, in ln T T ref, out Tomando T ref constante: Q = U A ( T T ) eliminado ref

10 10/61 Balance de entalpía al reactor Fh + Fh + Q = F h + Q 1 F 2 F generado C F eliminado 1 2 C Si queremos T constante (controlada) E n t a l p i a r e a c t i v o s E n t a l p i a p r o d u c t o s Q generado = Q eliminado

11 Balance entálpico (gráficamente) 11/61 CALOR GENERADO / ELIMINADO G-G1 G-G2 E1 E2 Punto F. Estable P1 Calor generado con y sin disparo Calor eliminado con distintos U*A Punto de control PC E1 E2 G1 G2 Punto F. Estable P2 G U*A U*A TEMPERATURA T refrigerante T refrigerante Un mejor control parte de un mejor diseño

12 Horquilla de estabilidad 12/61 CALOR GENERADO / ELIMINADO G-G2 Calor generado E1: Tangente a la curva en el punto de control E2: Pendiente máxima (T=T R ) Punto de control E2 G2 G E1 TEMPERATURA T R 1 T R2

13 13/61 Control actuando sobre el calor generado Actuar sobre la carga, es decir, sobre la capacidad de producción. PIC CALOR GENERADO / ELIMINADO Recta de calor eliminado E G3 G1 G2 Calor generado manipulando la carga tª controlada Reactivos LIC Producto (l) TIC Producto (g) CWR CWS TEMPERATURA T refrigerante

14 Control actuando sobre el calor eliminado Se puede actuar sobre uno de los 3 factores: U A T lm 14/61 Actuación sobre U (coef. Global de transmisión de calor) CALOR GENERADO / ELIMINADO G E1 E2 E3 Calor generado Calor eliminado manipulando U*A G E1 E2 U*A tª controlada E3 1 1 U + h h i o TEMPERATURA T refrigerante

15 15/61 Manipular la velocidad de agitación FIC TIC Reactivos M LIC CWR Producto (l) CWS

16 Manipular caudal de refrigerante 16/61 Reactivos CWR Producto (l) CWS

17 17/61 Problemas en la variación del caudal de refrigerante

18 18/61 Variación muy no lineal Rango limitado de aplicación (ganancia)

19 Manipular caudal de refrigerante: lazo en cascada 19/61 Producto (g) Reactivos CWR LIC SP Producto (l) CWS

20 20/61 Respuesta ante un escalón en la temperatura de entrada del refrigerante a) Control SIN cascada b) Control CON cascada

21 21/61 Respuesta ante un cambio en la entrada de reactivos a) Control SIN cascada b) Control CON cascada

22 22/61 Lazos en cascada Técnica de control que emplea DOS controladores con un lazo de control dentro del otro. El lazo interior se denomina lazo secundario (o esclavo) y es el que actúa sobre el elemento final (válvula de control). El lazo exterior se denomina lazo primario (o maestro) y su labor es fijar el set-point del lazo secundario. Es importante la respuesta de los lazos para que fucione?

23 23/61

24 24/61 Actuación sobre A (área de transferencia) Esto no es posible para un reactor dado. Sólo es posible actuar sobre este parámetro en la fase de diseño del reactor. Actuación sobre ΔT (diferencia de temperaturas) CALOR GENERADO / ELIMINADO G E1 E2 E3 Calor generado Calor eliminado manipulando la tª de refrigerante E1 G E2 tª controlada E3 T refrigerante TEMPERATURA

25 25/61 Recirculación con bomba (manipulación del aporte) TIC Producto (g) Reactivos CWS R T R salida Producto (l) T R entrada R CWS

26 26/61 Dibuja el esquema de recirculación con control en cascada.

27 Ganancias ppal y secundaria 27/61

28 Ganancia con manipulación del aporte 28/61 TEMPERATURA DEL REACTOR F1, F2: Caudales de alimentración al reactor (Carga) F1 F2 CAUDAL DE REFRIGERANTE Funcionamiento similar al visto sin recirculación pero permite menor caudal de refrigerante.

29 29/61 Circulación a través de cambiador de carcasa-tubos externo FIC TIC Reactivos CWR LIC CWS Producto (l)

30 Circulación a través de cambiador externo y by-pass 30/61 PIC Producto (g) Reactivos Producto (l)

31 Control mediante fluido en evaporación 31/61 por qué es necesario el lazo de nivel en el refrigerante? Se podría controlar con la ebullición de un reactivo? Dibuja un esquema de control

32 32/61 Reactivo en evaporación

33 33/61 Reactivo en evaporación

34 34/61 FIC TIC Reactivos CWR T Refrigerante SP Producto (l) CWS

35 Reacciones endotérmicas 35/61 G: Curva de demanda CALOR DEMANDADO / APORTADO E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la tª de F. calefactor tªcontrolada E1 E2 G Punto F. siempre Estable G U*A TEMPERATURA T fluido calefactor Siempre hay un único punto de corte: control estable y más sencillo.

36 Manipulación de U*A 36/61 G: Curva de demanda CALOR DEMANDADO / APORTADO E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la pendiente U*A G tªcontrolada E2 G Punto F. siempre Estable E1 U*A TEMPERATURA Se aplican los mismos principios que los explicados para reacciones exotérmicas. Si se controla por condensación de un vapor hay que tener en cuenta que al actuar sobre el caudal se actúa sobre la presión y por tanto la temperatura. T fluido calefactor

37 CSTR: Control de calidad 37/61 El control de la carga (capacidad de producción) se fija mediante un lazo FIC sobre una corriente de entrada (reactivo limitante) o sobre la salida (producto). El nivel se controla con la salida (o una entrada). El control de calidad se hará ajustando la relación entre los reactivos

38 Reactor de paso único 38/61 Cuando hay altas conversiones en el reactor Inconvenientes?

39 39/61 Ratio control

40 40/61 Control de relación (ratio control)! Busca mantener fija la relación entre dos variables.! Dos configuraciones:! Dividir las señales y obtener el ratio como variable a controlar (el set-point es un ratio)! Multiplicar una señal por el ratio, este es el set-point que se compara con la otra señal de proceso.

41 Ratio control 41/61 Configuración 1 PV = PV 1 / PV 2 SP = ratio PV 1 PV 2 PV SP FIC FT FT PV 1 ratio K Configuración 2 SP = ratio * PV 1 = = consigna PV 2 SP FIC PV 2 FT FT

42 42/61 Cuál puede ser el esquema de control si un reactivo está en una fase distinta al otro reactivo y a los productos?

43 43/61 Carga SP

44 44/61 Carga SP

45 Reactor con reciclo de reactivos 45/61 Cuando la conversión por paso en el reactor es baja es necesario reciclar para aprovechar el reactivo no consumido. es posible?

46 Ctrl. Calidad. Reciclo 1 reactivo 46/61 Carga SP Reactivo A Reactor Reactivo B Depósito de B Producto + Reactivo B no reaccionado Producto C Operación de separación Alimentación fresca de B

47 Reactor con reciclo de inertes 47/61 Carga SP Reactivo B Reactivo A Disolvente Aporte Disolvente Disolvente Operación de separación Producto C

48 b) 48/61 Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos Carga SP Carga SP Reactivos A+B Reactivos A+B Reactivo A Reactivo A Algún Balance no garantizado problema? Reactor Reactivos A+B Depósito de A+B Reactor Reactivo s A+B Depósito de A+B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Producto C Operación de separación LIC Alimentación fresca de B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Producto C Operación de separación AIC Alimentación fresca de B a)

49 49/61 Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos Carga SP Reactivos A+B Reactivo s A+B Reactivo A Reactivo A AIC Reactivo B Reactor Algún problema? Puede presentar el efecto bola de nieve AIC Reactivo B Reactor Reactivos A+B Carga SP Reactivos A+B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Producto C Operación de separación Depósito de A+B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Producto C Operación de separación Depósito de A+B c) d)

50 Reactor de flujo pistón 50/61

51 51/61

52 Problemas de funcionamiento 52/61 Hot Spot Zona de temperatura máxima dentro del reactor tubular. Hay que controlarlo para evitar runaway. Respuesta inversa Calentamiento ante un enfriamiento de los reactivos a la entrada, debido a las diferentes velocidades de propagación de las perturbaciones de concentración y temperatura.

53 53/61 Este esquema funcionaría en estado estacionario, pero ante una perturbación y debido al problema de respuesta inversa no funcionaría de forma adecuada. Si la temperatura de la alimentación baja y hay respuesta inversa la temperatura sube por lo que la acción de control es enfriar más lo cual va en contra de la perturbación.

54 54/61 Control selectivo por temperatura máxima

55 55/61 Control selectivo Surge cuando hay especificaciones en más variables controladas que las que pueden satisfacerse con las variables manipuladas. Debido a esto es necesario hacer una selección entre las variables controladas. Hay selectores de alta y de baja. Tienen básicamente 4 áreas de aplicación: Selección entre múltiples entradas (auctioneering) Redundancia de instrumentación Seguridad, protección de equipos y personal Satisfacción de restricciones > < Selector de alta Selector de baja

56 56/61 Control por enfriamientos intermedios

57 57/61 Control por inyección directa de reactivo

58 Reactor batch 58/61 Procesos discontinuos (farmacia, plásticos) Con operaciones de puesta en marcha y parada diarias (el control tiene que intentar minimizar su duración). No se dispone de las variables de los caudales para actuar, tan sólo de la corriente de energía. Normalmente se lleva el reactor a la temperatura de reacción y luego se añade (el o los reactivos) según si es catalizada o no. Son procesos que necesitan tanto calentamiento (para llevar el reactor a la temperatura de reacción) como enfriamiento (para disipar el calor en reacciones exotérmicas).

59 59/61 Reactor semi batch

60 60/61 Control por rango partido 100 Apertura de válvula % V 2 V 1 0 V 1 V Salida del Controlador (OP) en psi