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Tema 6: Control de reactores químicos
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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
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¿grados de libertad?
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Variables CV’s y MV’s
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Tema 6: Control de reactores químicos
4/61 CSTR: Control de presión
Si existe equilibrio normalmente no se controla la presión y se controla únicamente la temperatura. ¿Por qué?
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Con salida de gases
CWR
CWSC
Producto (l)
Producto (g)
G
Reactivo B
Reactivo A
F
F
1
2PIC
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Sin salida de gases
C
F1F2
Reactivos (l)
CWR
CWS
PIC
Productos (l)
Reactivos (g)
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7/61 CSTR: Control de temperatura
¿Cuáles son las variables manipuladas más efectivas para el control de la temperatura?
A reactivo limitante Volumen de reacción constante
A B C+
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Reacciones exotérmicas
k0 Constante preexponencial Ea energía activación R constante universal de los gases T temperatura de la reacción
Cinética según la expresión de Arrhenius
Reacción exotérmica desprende calor
Fenómeno de RUNAWAY
r k eERTa
= 0
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Calor generado en el reactor
Calor eliminado en el reactor
Tomando Tref constante:
Q H Fxgenerado reac A=
=
=
f rr f T
( )( )
Q f Tgenerado = ( )
Q U A T
TT T T T
T T
eliminado lm
lmref in ref out
ref i
=
=( ) ( )
ln
, ,
, nn
ref outT T ,
Q U A T Teliminado ref= ( )
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Si queremos T constante (controlada)
Balance de entalpía al reactor
r e a c t i v o s p r o d u c t o s E n t a l p i a E n t a l p i a ≈
Fh F h Q F h QF F generado C F eliminadoC1 21 2+ + = +
Q Qgenerado eliminado=
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Un mejor control parte de un mejor diseño
G1 G2G-G1G-G2
E1E2 Punto F. Estable
P2
Punto de controlPC
E1 E2Punto F. Estable P1
G U*A U*A
TEMPERATURAT refrigerante T refrigerante
CA
LOR
GEN
ERA
DO
/ EL
IMIN
AD
OCalor generado con y sin disparoCalor eliminado con distintos U*A
Balance entálpico (gráficamente)
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Horquilla de estabilidad
G-G2 G2E1: Tangente a la curva en el punto de control
Punto de control
E2
G E1
TR1 T R2
Calor generado
TEMPERATURA
E2: Pendiente máxima (T=TR)
CALO
R G
ENER
ADO
/ EL
IMIN
ADO
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Control actuando sobre el calor generado
Actuar sobre la carga, es decir, sobre la capacidad de producción.
G2
G1
E
G3
TEMPERATURAT refrigerante
CA
LOR
GEN
ERA
DO
/ EL
IMIN
AD
O
tª controlada
Calor generado manipulando la cargaRecta de calor
eliminado
Producto (g)
CWR
Reactivos
CWS
TIC
PIC
LIC
Producto (l)
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Control actuando sobre el calor eliminado
Se puede actuar sobre uno de los 3 factores:
Actuación sobre U (coef. Global de transmisión de calor)
GE1E2E3 E3
E2
E1
G
TEMPERATURAT refrigerante
Calor eliminado manipulando U*A
U*A
Calor generado
CALO
R G
ENER
ADO
/ EL
IMIN
ADO
tª controlada
U A Tlm
Uh hi o
+1 1
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Manipular la velocidad de agitación
M
TICFIC
CWR
CWSProducto (l)
Reactivos
LIC
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Manipular caudal de refrigerante
Reactivos
CWR
Producto (l)CWS
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Problemas en la variación del caudal de refrigerante
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• Variación muy no lineal • Rango limitado de aplicación (ganancia)
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19/61 Manipular caudal de refrigerante: lazo en cascada
Reactivos
Producto (g)
CWR
CWS
Producto (l)
LIC SP
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Respuesta ante un escalón en la temperatura de entrada del refrigerante
a) Control SIN cascada b) Control CON cascada
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Respuesta ante un cambio en la entrada de reactivos
a) Control SIN cascada b) Control CON cascada
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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?
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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)
GE1E2 E3E3
E2
E1
G
T refrigerante
Calor eliminado manipulando la tª de
refrigerante
Calor generado
TEMPERATURA
CALO
R G
ENER
ADO
/ EL
IMIN
ADO
tª controlada
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Recirculación con bomba
R
Reactivos
Producto (g)
Producto (l)CWSR
T R entrada
T R salida
CWS
TIC
(manipulación del aporte)
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Dibuja el esquema de recirculación con control en cascada.
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Ganancias ppal y secundaria
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Funcionamiento similar al visto sin recirculación pero permite menor caudal de refrigerante.
F2
F1
CAUDAL DE REFRIGERANTE
F1, F2: Caudales de alimentración al reactor (Carga)
TEM
PER
ATU
RA
DEL
REA
CTO
R
Ganancia con manipulación del aporte
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CWS
CWR
Producto (l)
LIC
Reactivos
FIC
TIC
Circulación a través de cambiador de carcasa-tubos externo
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Circulación a través de cambiador externo y by-pass
Producto (l)
PIC
Producto (g)
Reactivos
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Control mediante fluido en evaporación
¿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
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Reactivo en evaporación
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Reactivo en evaporación
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Producto (l)
T Refrigerante
CWR
TIC
Reactivos
FIC
CWS
SP
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Reacciones endotérmicas
Siempre hay un único punto de corte: control estable y más sencillo.
G: Curva de demanda
G
Punto F. siempre Estable
E1
E2
G U*A
TEMPERATURA T fluido calefactor
E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la
tª de F. calefactor
CA
LOR
DEM
AN
DA
DO
/ A
POR
TAD
O
tªcontrolada
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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.
G: Curva de demanda
G
Punto F. siempre Estable
E1
E2
G U*A
TEMPERATURA T fluido calefactor
E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la
pendiente U*A
CA
LOR
DEM
AN
DA
DO
/ A
POR
TAD
O
tªcontrolada
Manipulación de U*A
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37/61 CSTR: Control de calidad 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
____
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Reactor de paso único
Cuando hay altas conversiones en el reactor
¿Inconvenientes?
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Ratio control
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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.
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41/61 Ratio control
ratio
PV1
SP
PV2
FT
FIC FT
K
Configuración 2SP = ratio * PV1 = = consigna PV2
PV1 PV2
PV
SP
FT
FT
FIC
Configuración 1PV = PV1 / PV2
SP = ratio
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Tema 6: Control de reactores químicos
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¿Cuál puede ser el esquema de control si un reactivo está en una fase distinta al otro reactivo y a los productos?
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SPCarga
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SPCarga
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Reactor con reciclo de reactivos
Cuando la conversión por paso en el reactor es baja es necesario reciclar para aprovechar el reactivo no consumido.
¿es posible?
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Producto C
Operación de separación
Reactivo B
Reactivo A
Producto + Reactivo Bno reaccionado
Carga SP
Alimentación fresca de B
ReactorDepósito de B
Ctrl. Calidad. Reciclo 1 reactivo
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Reactor con reciclo de inertes
Producto C
Operación de separación
SP
Aporte
Disolvente
Disolvente
Disolvente
Reactivo A
Reactivo B
Carga
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Producto C
Operación de separación
Reactivos A+B
Reactivos A+B
Reactivo A
Producto + Reactivos A y Bno reaccionados
Carga SP
Alimentación fresca de B
ReactorDepósito de A+B
LIC
Balance no garantizado
a)
Producto C
Operación de separación
Reactivo s A+B
Reactivos A+B
Reactivo A
Producto + Reactivos A y Bno reaccionados
Carga SP
Alimentación fresca de B
ReactorDepósito de A+B
AIC
b)
Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos
¿Algún problema?
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Producto C
Operación de separación
Reactivos A+B
Reactivos A+B
Reactivo A
Producto + Reactivos A y Bno reaccionados
Carga SP
Reactivo B
Reactor
Depósito de A+B
AIC Puede presentar el efecto bola de nieve
c)
Producto C
Operación de separación
Reactivos A+B
Reactivo s A+B
Reactivo A
Producto + Reactivos A y Bno reaccionados
Carga SP
Reactivo B Reactor
Depósito de A+B
AIC
d)
Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos
¿Algún problema?
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50/61 Reactor de flujo pistón
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Problemas de funcionamiento
Hot Spot
Respuesta inversa
Zona de temperatura máxima dentro del reactor tubular. Hay que controlarlo para evitar runaway.
Calentamiento ante un enfriamiento de los reactivos a la entrada, debido a las diferentes velocidades de propagación de las perturbaciones de concentración y temperatura.
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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.
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Control selectivo por temperatura máxima
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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
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Control por enfriamientos intermedios
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Control por inyección directa de reactivo
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58/61 Reactor batch Procesos discontinuos (farmacia, plásticos)
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).
Con operaciones de puesta en marcha y parada diarias (el control tiene que intentar minimizar su duración).
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59/61
Reactor semi batch
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Control por rango partido
100 V2 V1
0 V1 V2
3 15Salida del Controlador (OP) en psi
Aper
tura
de
válv
ula
%
9