2. FUNCION DE TRANSFERENCIA

Transcripción

1 2. FUNCION DE TRANSFERENCIA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario y dinámico, un proceso de mezclado asistido por HYSYS 1.2. Diseñar el tanque, las válvulas y la bomba instaladas para controlar el flujo de alimento, el nivel de líquido y la presión en el separador de fases 1.3. Sintonizador un controlador de composición de acuerdo a las reglas de HYSYS 1.4. Utilizar el botón de función de transferencia de HYSYS para considerar un atraso por transporte en la dinámica de un lazo de control 2. PROCESO ESTUDIADO El proceso consiste en un tanque de mezclado de 1000 galones de capacidad con dos corrientes de alimentación. Una corriente con 95 % en peso de etanol y el resto de agua, 90 F y 150 psia se transporta con un flujo de 100 lbmoles/h que se mezcla con una segunda corriente que contiene agua pura y se transporta a 90 F y 150 psia y 600 lbmol/h. Este flujo se controla mediante la manipulación de la válvula V3. Se desea que la mezcla líquida que sale por el fondo tenga una concentración de % molar de etanol, para lo cual se instala un control de concentración manipulando el flujo de la corriente de alimento de etanol a través de la válvula V1. El tanque de mezclado opera a 110 psia y se controla su nivel de líquido en un 50% de la altura del tanque, mediante la manipulación del flujo a través de la válvula V5. Se alimenta un pequeño flujo de nitrógeno de 7 lbmol/h para efectos de controlar la presión en el tanque, lo que se realiza mediante la manipulación del flujo a través de la válvula V4 colocada en la corriente de venteo del tanque. Las válvulas V1, V2, V3 y V5 se diseñan para estar 50 % abiertas con caídas de presión de 40 psia. La válvula de venteo V4 se diseña para estar un 20 % abierta a las condiciones de diseño y descarga a una línea de venteo a 20 psia PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Agua, Nitrógeno y Etanol ECUACIONES: Fase líquida: Wilson Fase gaseosa: Peng Robinson REACCIONES: No hay. No es un proceso con reacción SISTEMA DE UNIDADES : Field 2.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 2.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de mezclado terminada la simulación en estado estacionario

2 3. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO A continuación se instalan, en forma secuencial las corrientes y válvulas de entrada y salida, además de la bomba encargada de impulsar la fase líquida que emerge por el fondo del separador de fases. Instalación de corrientes Etanol: especificaciones de 150 psia, 90 F, 100 lbmol/h, 95 % en peso de etanol, 5 % en peso de agua. Conecte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente Salida_V1 con una caída de presión de 40 psia. Nitrógeno: especificaciones de 150 psia, 90 F, 7 lbmol/h y 100 % nitrógeno. Conecte esta corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Salida_V2 con una caída de presión de 40 psia. Agua: especificaciones de 150 psia, 90 F y 600 lbmol/h. Conecte esta corriente a la válvula V3 que descarga a la corriente Salida_V3 con una caída de presión de 40 psia. Tanque Mezclador: Instale un separador de fases con el nombre de Mezclador, conéctelo con las corrientes de entrada Salida_V1, Salida_V2 y Salida_V3; corrientes de salida Venteo y Líquido. Conecte estas corrientes a las válvulas V4 y V5 con caídas de presión de 90 psia y 40 psia, respectivamente. En la página Parameters de la pestaña Design seleccione en el cuadro Type la opción Tank 4. DISEÑO DE LOS EQUIPOS Dimensionamiento del Separador de fases El volumen del tanque se estima en 1000 galones. 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. Diseño de las válvulas de control Las válvulas de V1, V2, V3 y V5 se diseñan para estar 50 % abiertas con caídas de presión de 40 psia. La válvula de venteo V4 se diseña para estar 20 % abierta con una caída de presión de 90 psia. Abra la página Dynamics de cada una de las válvulas de control para encontrar el correspondiente coeficiente, C V, de ellas. Para cada una de estas válvulas active la opción Check Valve (Prevents BackFlow) para prevenir retroflujo. 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 MezcladorEstacionario y añadir un nuevo PFD con el nombre de MezcladorDinamico. Al activar el simulador al mode dinámico se despliega una ventana que sugiere algunos Mach 16

3 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. Figura 2.1. Diagrama de flujo del Mezclador en estado estacionario 6. LAZOS DE CONTROL Se controlan la concentración de etanol en la corriente líquida producto, el nivel de líquido y la presión en el tanque y el flujo de entrada de agua manipulando las válvulas V1, V5, V4 y V3, respectivamente Control de Concentración de Etanol Muchas medidas de composición se obtienen por medio de analizadores cromatográficos. Estos aparatos tienen tiempos muertos inherentes, que afectan significativamente el desempeño de los controladores. En este ejemplo se supondrá un tiempo muerto de 3 minutos en el analizador pero en algunos casos difíciles de medir, el tiempo muerto puede ser mucho mayor. El tiempo muerto se introduce en HYSYS mediante el bloque Función de Transferencia que se encuentra en la paleta de objetos Función de Transferencia El procedimiento para instalar una función de transferencia es el mismo utilizado para la instalación de los controladores: 1. Seleccione el bloque Función de Transferencia de la paleta de objetos y colóquelo en el diagrama de flujo del proceso 2. Despliegue la ventana de propiedades de la Función de Transferencia y en la pestaña Connections introduzca la variable de entrada solamente. La variable de proceso PV es Component Mole Frac del componente etanol en el objeto corriente Salida_V5. La variable de salida, OP, de este bloque se debe instalar Mach 17

4 desde el bloque controlador de concentración como su variable de entrada. La Figura 2.2 muestra las conexiones del botón Función de Transferencia después de conectado completamente Figura 2.2. Conexiones de la Función de Transferencia Tiempo Muerto 3. Despliegue la pestaña Parameters de la Función de Transferencia y en la página Configuration especifique los valores mínimo y máximo de PV como 0 y 0.25 para la fracción molar de etanol. La fracción molar en el estado estacionario es de Después de instalado y sintonizado el controlador especifique los valores mínimo y máximo del OP como 0% y 100%, respectivamente. Observe Figura Para la instalación de una Función de Transferencia de Tiempo Muerto seleccione la página Delay de la página Parameters y a haga clic en el cuadro de verificación de la opción Delay dentro de la sección Active Transfer Functions. En la sección Delay Parameters especifique una ganancia de 1.0 y un tiempo muerto de 3 minutos como se observa en la Figura 2.4 Las condiciones iniciales de estos bloques de Función de Transferencia no se muestran inmediatamente en la carátula. Primero hay que arrancar el integrador. Es una muy buena idea dejar el controlador de composición en manual cuando se arranca por primera vez el integrador. HYSYS tiene una falla en el elemento Delay. Si se reajusta el tiempo a cero, el elemento Delay se desactiva (su señal de salida no cambia). Por consiguiente, no cambie el tiempo a cero. Esto es inconveniente para obtener gráficas. Para obviar este problema la simulación se debe copiar en archivos históricos para usar otro software de gráficas y luego se debe restar el tiempo inicial para obtener gráficos que comiencen en cero. Mach 18

5 Figura 2.3. Parámetros de la Función de Transferencia Figura 2.4. Función de Transferencia de Ganancia y Tiempo Muerto Surge otro problema en HYSYS cuando se colocan funciones de transferencia en serie. Algunas veces funciona y otras no. Por ejemplo, si se instalan dos atrasos dinámicos (Lags) en serie, el primer atraso parece funcionar correctamente, obteniéndose las señales esperadas de entrada y salida. Sin embargo, la señal que el segundo atraso ve no es la señal de salida del primer atraso. Este problema dificulta colocar múltiples elementos en serie en un circuito de control. Por ejemplo, no se puede poner un bloque sumador o un bloque selector en serie con un atraso dinámico. Mach 19

6 Controlador de Concentración de Etanol 5. Presione el icono Control Ops que se encuentra en la paleta de objetos y, a continuación seleccione el bloque PID Controller que se encuentra en la pequeña ventana desplegada 6. Despliegue la ventana de propiedades del controlador y en la página Connections introduzca sus conexiones como lo muestra la Figura 2.5. Debe hacerse esto primero, porque la conexión entre la variable de salida de la Función de Transferencia y la entrada al controlador de composición se debe hacer en la ventana Connections del controlador. Ahora, observe la ventana de especificaciones de la función de transferencia y notará que se ha insertado su variable de salida como aparece en la Figura 2.2. Figura 2.5. Conexiones del controlador de composición de etanol 7. Despliegue la ventana de propiedades del controlador de composición y especifique en la página Parameters los valores mínimo y máximo para las fracciones molares de etanol de 0 y 0.25 en la corriente Salida_V5 (Sección Range). Especifique además como ganancia el valor Instale la carta registradora de las variables PV, OP y SP para el controlador de concentración de etanol Autosintonización A continuación se debe sintonizar el controlador de composición. Una de las características mas convenientes de HYSYS para la evaluación del desempeño de controladores es el Mach 20

7 Autotuner. Este método implementa automáticamente la prueba Retroalimentación- Relé. Para ello: 9. Despliegue la página Autotuner de la pestaña Parameters. 10. Con el simulador en Modo Inactivo haga clic sobre el botón Start Autotuner 11. Presione el icono Mode Active para empezar la simulación. La autosintonización se realiza en un tiempo muy corto y se puede observar la variación de PV y OP en la carta registradora 12. Los parámetros de sintonización para un controlador aparecerán en la ventana de propiedades como se observa en la Figura 2.6 Figura 2.6. Sintonización de HYSYS para el controlador de composición 13. Haga clic en el botón Accept para aceptar dichos parámetros como los de sintonización del controlador de composición de etanol 14. Coloque el controlador en Modo Automático desde el botón desplegable de su carátula y espere un tiempo muy breve para observar la estabilidad del control. 15. Coloque el simulador en Modo Inactivo para instalar el controlador de nivel de líquido en el mezclador Mach 21

8 Control de Nivel de Líquido en el Mezclador 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 controlador 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 V5. 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 5. Detenga el simulador para instalar el control de presión en el tanque Control de presión en el tanque 1. Instale un controlador con variable de proceso o PV, la presión de la corriente Venteo y la variable a manipular el flujo de la corriente a través de la válvula V4. 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 V4 3. Asigne 100 bares y 120 bares a los valores mínimo y máximo de la presión en el tanque 4. Despliegue la página Autotuner de la pestaña Parameters, seleccione la acción PID, 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. 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 Mach 22

9 9. Detenga el simulador para instalar el control de flujo de agua Control de Flujo de Agua 10. Instale un controlador con variable de proceso o PV, el flujo molar de la corriente Agua y la variable a manipular el flujo de la corriente a través de la válvula V Despliegue la pestaña Parameters y seleccione la acción inversa porque para un aumento en el flujo de agua o PV se debe disminuir la abertura de la válvula V3 12. Asigne 500 lbmol/h y 700 lbmol/h a los valores mínimo y máximo del flujo molar de la corriente Agua 13. Despliegue la página Autotuner de la pestaña Parameters, seleccione la acción PID, presione el botón Start Autotuner como también el botón Face Plate para desplegar la carátula correspondiente 14. Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonización sugeridos por HYSYS 15. Presione el botón Accept para aceptar los valores de sintonización 16. Cambie el controlador a Modo Automático y observe el control durante un tiempo 17. 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 La figura 2.7 muestra el diagrama de flujo del proceso con el simulador en modo activo en estado dinámico. Se incluyen las carátulas de cada una de los controladores y la función de transferencia y se observan en ellos la estabilidad del controlador Ejecución de la simulación Con todos los elementos listos, se puede iniciar la simulación presionando el botón semáforo verde en la barra de herramientas. Antes de iniciar vaya al menú Simulación y luego a Integrator y disminuya la aceleración a 0.05 para que el despliegue de la simulación sea mas lenta. En esta ventana también se puede especificar el valor actual del tiempo y el valor final del tiempo. 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. La Figura 6 muestra el diagrama de flujo final del proceso de mezclado incluyendo las carátulas de cada uno de los controladores e incluyendo la de la Mach 23

10 función de transferencia. Observe que el simulador se encuentra Activo en Modo dinámico y la estabilidad de los controladores 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 2.7. Diagrama de flujo en estado dinámico 8. BIBLIOGRAFIA Luyben W. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel Dekker Inc HYSYS 2.4 Update. AEA TECHNOLOGY Mach 24