6.1. Simbología CONTROL DE OPERACIONES TÍPICAS En la figura 6.1. se puede apreciar la simbología más utilizada para los elementos de control en los diagramas de flujos. La publicación N S 51.5 de la Instrument Society of America (ISA) está dedicada a la terminología de la instrumentación de procesos. Fig. 6.1. Símbolos para los elementos de control 6-1
6.2. Equipos de Transferencia de Calor Intercambiadores sin cambio de fase Fig. 6.2. Control Feedback de la temperatura de salida La figura 6.2 muestra el control hacia atrás de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un intercambiador de calor sin cambio de fase. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces ordena cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Fig. 6.3. Control Feedforward de la temperatura de salida La figura 6.3 muestra el control hacia adelante de la temperatura de salida (T2) del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un intercambiador de calor sin cambio de fase. Como se puede apreciar, en este tipo de control no interesa medir la temperatura T2 (salvo como un valor referencial), lo que interesa es medir las variables que afectan a esta temperatura. El Controlador predice la temperatura T2 utilizando la ecuación de transferencia de calor, y midiendo el flujo y la temperatura de entrada del fluido PF, si el controlador proyecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces mediante un balance térmico en torno al intercambiador, ordena cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM) y con ello la energía transferida al fluido PF, logrando con ello contrarrestar los efectos de un aumento de temperatura producto de una aumento en el flujo o temperatura de entrada del fluido PF. 6-2
Fig. 6.4. By-pass del fluido de proceso mediante válvula de tres vías La figura 6.4 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) mediante una válvula de tres vías, que permite el by-pass de todo o parte del fluido PF que pasa a través del intercambiador de calor sin cambio de fase. En este caso se requiere un controlador adicional (TC2), que ajuste la energía entregada por el fluido HTM en forma automática, al controlar su temperatura de salida, a diferencia de los dos casos anteriores donde se manipulaba la energía del fluido HTM al variar su flujo. Si el controlador de temperatura (TC1) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenará que la válvula de control de tres vías reduzca el flujo que pasa a través del intercambiador y aumente el flujo que pasa a través del by-pass, logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Sin embargo, lo anterior no es trivial, se requiere un balance térmico para demostrarlo. Trataremos de explicarlo en forma simple; 1) Al disminuir el flujo PF a través del intercambiador, el fluido HTM no puede entregar la misma energía anterior, por lo que su temperatura de salida se ve aumentada. El controlador TC2, al detectar este aumento de temperatura disminuye el flujo HTM al cerrar un poco la válvula de control asociada, disminuyendo con ello la energía que el fluido HTM debe entregar por lo que la temperatura del fluido PF a la salida del intercambiador no cambia significativamente. 2) Como el flujo que pasa por el intercambiador es menor y su temperatura de salida no ha variado significativamente, al mezclarse con el mayor flujo frío que pasa por el bypass se produce una flujo de mezcla que tiene una temperatura menor a la detectada originalmente por el controlador. 6-3
Fig. 6.5. Sistema de transferencia de calor mediante dos fluidos La figura 6.2 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un intercambiador de calor sin cambio de fase, mediante la utilización de dos fluidos térmicos. El primer fluido (Primary HTM) circula en un circuito cerrado y es el que permite calentar al fluido PF. El segundo fluido (Dowtherm) también circula en un circuito cerrado y es el que permite calentar al fluido HTM, éste recupera su energía mediante una caldera. Al igual que en el ejemplo anterior, se requiere controlar la energía del fluido primario HTM, en este caso controlamos primero su flujo mediante un controlador de flujo (FC) y en segundo lugar su temperatura mediante un controlador de temperatura (TC2) que ajusta el flujo del fluido Dowtherm. El control de la temperatura de salida del fluido PF se realiza mediante un controlador de temperatura (TC1). Si el controlador de temperatura (TC1) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP1), entonces envía una señal al controlador TC2 ordenándole que disminuya el valor de su set-point (SP2), logrando con ello que el controlador TC2 observe que la temperatura T2 es mayor a su nuevo SP2. Este error hará que el controlador TC2 ordene cerrar un poco la válvula de control, reduciendo el flujo del fluido calefactor (Dowtherm), logrando con ello entregar menor energía al fluido calefactor (HTM), provocando una disminución de su temperatura. Esta menor energía del fluido HTM provocará una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Fig. 6.6. Enfriador de Aire 6-4
La figura 6.6 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un enfriador de aire. En este caso, a diferencia de los anteriores, el aire que pasa a través del intercambiador enfría al fluido PF. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces ordenará, dependiendo del tipo de variable a manipular, lo siguiente: - abrir un poco las persianas que regulan en paso de aire a través del intercambiador, - inclinar el ángulo de las aspas del ventilador de manera que muevan menos aire a través del intercambiador, ó - reducir la velocidad del motor del ventilador de manera que mueva menos aire a través del intercambiador. Cualquiera de las acciones anteriores logrará una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Calentadores con Vapor Fig. 6.7. Control Feedback sobre el flujo de vapor La figura 6.7 muestra el control hacia atrás de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un calentador con vapor. El calentador es un intercambiador de calor que utiliza vapor como medio calefactor. El vapor entrega calor latente de condensación por lo que se asume que no cambia su temperatura. En este caso para asegurar que todo el vapor es condensado, se utiliza una trampa de vapor (steam trap) la que mantiene un nivel de condensado mínimo evitando que vapor pase a través de ella. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo de vapor (STM), logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. 6-5
Fig. 6.8. Control Feedback sobre el flujo de condensado La figura 6.8 muestra el control hacia atrás de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un calentador con vapor. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo de condensado, aumentando con ello el nivel de condensado dentro del intercambiador, causando una mayor inundación de tubos dentro de él. Al producirse un aumento de tubos inundados con condensado, existirá un menor número de tubos expuestos al vapor, lo que se traduce en una menor área de intercambio de calor, disminuyendo la energía transferida del vapor al fluido PF, logrando con ello una disminución de su temperatura de salida. Fig. 6.9. By-pass del fluido de proceso mediante válvula de tres vías La figura 6.9 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) mediante una válvula de tres vías, que permite el by-pass de todo o parte del fluido PF que pasa a través del calentador con vapor. Al igual que la figura 6.4 un control adicional es requerido, en este caso un control de la presión del vapor dentro del intercambiador que mantenga constante el Lamnda de condensación. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenará que la válvula de control de tres vías reduzca el flujo que pasa a través del calentador y aumente el flujo que pasa a través del by-pass, logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. 6-6
Sin embargo, lo anterior no es trivial, se requiere un balance térmico para demostrarlo. Trataremos de explicarlo en forma simple; 1) Al disminuir el flujo PF a través del calentador el vapor no puede entregar toda su energía de condensación, por lo que parte del vapor no condensará. Como existe una trampa de vapor que impide la salida de vapor, éste comenzará a acumularse dentro del calentador provocando un aumento de la presión, la que será detectada por el controlador PC cerrando un poco la válvula de control disminuyendo con ello el flujo de vapor y restableciendo la presión. 2) Como el flujo que pasa por el intercambiador es menor y su temperatura de salida no ha variado, al mezclarse con el mayor flujo frío que pasa por el by-pass se produce una flujo de mezcla que tiene una temperatura menor a la detectada originalmente por el controlador. Fig. 6.10. Control en Cascada La figura 6.10 muestra el control en cascada de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un calentador con vapor sobre la presión del vapor en el mismo. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el setpoint (SP), entonces enviará un señal al controlador de presión (PC) que disminuirá el valor de su SP. Esta acción hará que el controlador PC detecte una presión mayor a la de su nuevo SP por lo que ordenará cerrar un poco la válvula de control, logrando con ello una disminución del flujo de vapor y un restablecimiento de la presión. Al haber un menor flujo de vapor, la energía de condensación transferida al fluido PF será menor por lo que su temperatura disminuirá. 6-7
Condensadores Fig. 6.11. Control de temperatura del condensado La figura 6.11 muestra el control de la temperatura del condensado de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un condensador. Un condensador es un intercambiador de calor en el cual condensa fluido de proceso que ingresa en forma de vapor, mediante la acción de un fluido refrigerante (HTM) que retira energía del fluido PF, este tipo de equipo normalmente se utilizan para condensar los vapores de tope de una columna de destilación. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenará abrir un poco la válvula de control aumentando el flujo del fluido refrigerante, logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Fig. 6.12. Control de la presión aguas-arriba del condensador La figura 6.12 muestra el control de la presión de entrada del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un condensador. Si el controlador de presión (PC) detecta una presión mayor que el set-point (SP), entonces ordenará abrir un poco la válvula de control aumentando el flujo del fluido refrigerante, esto provocará un aumento de la condensación del fluido PF logrando con ello una disminución de la presión de entrada del fluido PF. 6-8
Fig. 6.13. Control de presión mediante el flujo de condensado La figura 6.13 muestra el control de la presión de entrada del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un condensador mediante el flujo de condensado. Si el controlador de presión (PC) detecta una presión mayor que el set-point (SP), entonces ordenará abrir un poco la válvula de control aumentando el flujo de condensado, lo que disminuirá el nivel del mismo dentro del intercambiador aumentando la cantidad de tubos expuestas a la transferencia de calor, como el flujo del fluido refrigerante se mantiene invariante, condensará más vapor del fluido PF logrando con ello una disminución de la presión de entrada. Fig. 6.14. Condensador con by-pass al recipiente acumulador La figura 6.14 muestra el control de la presión de la fase vapor del fluido de proceso (PF) que proviene del tope de una columna de destilación y debe ser condensado. En este esquema el condensador es ubicado bajo el recipiente acumulador (tal como se indica en la figura). La presión es controlada mediante una válvula de bypass, que desvía parte del vapor caliente directamente hacia el condensador. El diferencial de presión a través de la válvula de control es igual a la altura de líquido desde el acumulador hasta el condensador más la caída de presión a través de él y las lineas. 6-9
Si el controlador de presión (PC) detecta una mayor presión que el set-point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo de vapor caliente hacia el condensador, logrando con ello una disminución de la presión en el acumulador, lo que causará una disminución del nivel de líquido en el condensador, que disminuirá el número de tubos inundados, y aumentará con ello la transferencia de calor, condensando más vapor del fluido PF, por lo tanto disminuyendo la presión en la columna. Vaporizadores (Rehervidores) Fig. 6.15. Rehervidor con control de temperatura del vapor de proceso La figura 6.15 muestra el control de la temperatura del vapor de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un rehervidor. Un rehervidor es un intercambiador de calor en el cual se evapora fluido de proceso que ingresa en forma líquida, mediante la acción de un fluido calefactor (HTM), este tipo de equipo normalmente se utiliza en el fondo de una columna de destilación y sirve para entregarle energía a la torre para la destilación. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), disminuyendo la evaporación del fluido PF y logrando con ello una disminución de su temperatura de salida. Fig. 6.16. Rehervidor mediante termosifón 6-10
La figura 6.16 muestra un rehervidor del tipo termosifón. El principio básico de un termosifón es producir una circulación del fluido de proceso, que pasa a través de los tubos verticales del intercambiador de calor, debido al cambio de densidad producida por su evaporación. Producto de esta circulación natural, el flujo PF no es controlado en forma directa. En este caso, la energía de evaporación entregada por el fluido HTM es controlada mediante un controlador de flujo (FC). Si por algún motivo se requiere una mayor evaporación del fluido PF, se aumenta el SP del controlador FC para que aumente el flujo del fluido HTM. Fig. 6.17. Control en cascada de un rehervidor La figura 6.17 muestra el control en cascada de la temperatura del vapor de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a través de un rehervidor, mediante el control del flujo del fluido calefactor (HTM). Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces enviará una señal al controlador de flujo (FC) disminuyendo su SP. El controlador FC detectará un mayor flujo HTM que el nuevo SP, por lo que ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), logrando con ello una disminución de la temperatura de salida del fluido PF. Fig. 6.18. Vaporización de refrigerante y condensación del fluido de proceso 6-11
La figura 6.18 muestra la condensación del fluido de proceso (PF) mediante la evaporación de refrigerante. El fluido PF condensado pasa a través del acumulador, siendo controlada la salida de este mediante un controlador de flujo (FC), y el nivel mediante un controlador de nivel (LC) que impide que vapor del fluido PF salga por el condensado. Si el controlador LC detecta un nivel mayor que el set-point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo del refrigerante evaporado, logrando con ello una disminución de la transferencia de calor y una menor cantidad de flujo PF condensado, disminuyendo con ello el nivel en el acumulador. 6.3. Bombas para Flujos Líquidos Centrífugas Fig. 6.19. Control del flujo de descarga La figura 6.19 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba centrífuga. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo de descarga de la bomba. La bomba seguirá girando a la velocidad de diseño del motor. Fig. 6.20. Control del flujo mediante regulación de la velocidad del motor o turbina La figura 6.20 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba centrífuga mediante la regulación de la velocidad la turbina que la mueve, al manipular el flujo de vapor que pasa a través de ella. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set- 6-12
point (SP), entonces ordenará cerrar un poco la válvula de control reduciendo el flujo de vapor que ingresa a la turbina, reduciendo con ello su velocidad y el flujo de descarga de la bomba. Rotatorias Fig. 6.21. Control del flujo de descarga mediante recirculación La figura 6.21 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba rotatoria mediante un by-pass que recircula fluido a la succión de la misma. Debido a las características de las bombas rotatorias, éstas no pueden aguantar una disminución del flujo que pasa a través de ellas, por lo que el control debe realizarse mediante una recirculación. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenará abrir un poco la válvula de control de la recirculación, aumentando su flujo y reduciendo el flujo de salida del fluido de proceso. Notar que el flujo de descarga de la bomba no cambia. Recíprocas Fig. 6.22. Control del flujo de descarga mediante recirculación La figura 6.22 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba recíproca mediante un by-pass que recircula fluido a la succión de la misma. Debido a las características de las bombas reciprocas (utilización de pistones para mover el fluido) no se debe poner restricción a la salida del flujo, por lo que el control debe realizarse mediante una recirculación. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenará 6-13
abrir un poco la válvula de control de la recirculación, aumentando su flujo y reduciendo el flujo de salida del fluido de proceso. Notar que el flujo de descarga de la bomba no cambia. Fig. 6.23. Control de flujo mediante ajuste en la posición mecánica del pistón La figura 6.23 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba recíproca mediante el ajuste de la posición mecánica de los pistones que mueven el fluido. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenará disminuir la carrera del pistón de manera que mueva menos flujo por cada ciclo, disminuyendo el flujo de descarga. 6.4. Compresores de Gases Centrífugos Fig. 6.24. Control de la presión de descarga 6-14
Fig. 6.25. Control del flujo de entrada Fig. 6.26. Control de presión y de cavitación 6-15
Recíprocos, Rotatorios y de Desplazamiento Positivo Fig. 6.27. Control del flujo mediante regulación de la velocidad de la turbina Fig. 6.28. Control de presión con recirculación a la succión Fig. 6.29. Control de flujo mediante el ajuste en la posición mecánica del pistón 6-16