IQ-2002-2-15

1

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PUESTA

EN MARCHA DE UNA TORRE DE PARED HUMEDA

MIGUEL FERNANDO ORTEGÓN GIL

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA BOGOTA

ENERO 22 DE 2003

IQ-2002-2-15

2

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UNA TORRE DE PARED HUMEDA

MIGUEL FERNANDO ORTEGÓN GIL

Tesis de Grado

Asesor: Ingeniero Miguel Quintero

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUÍMICA BOGOTA

ENERO 22 DE 2003

IQ-2002-2-15

3

TABLA DE CONTENIDO DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE UNA TORRE DE PARED HÚMEDA

1. Objetivos 2. Justificación 3. Generalidades 4. Fundamento Teórico 5. Antecedentes 6. Diseño en Detalle 6.1 Sistema 6.2 Equipo Central 6.2.1 Torre de Pared Húmeda 6.3 Equipos Auxiliares 6.3.1 Estructura de Soporte 6.3.2 Ruta del Aire 6.3.2.1 Suministro del Aire 6.3.2.2 Calentamiento del Aire 6.3.2.3 Diagrama de Flujo para el Aire 6.3.3 Ruta del Agua 6.3.3.1 Tanque Colector 6.3.3.2 Bomba 6.3.3.3 Calentamiento del Agua 6.3.3.4 Diagrama de Flujo para el Agua 6.3.4 Plan de Instrumentación 6.3.4.1 Variables a Medir 6.3.4.2 Sensor de Temperatura 6.3.4.3 Sensor de Humedad Absoluta 6.3.4.4 Medidores de Flujo 6.3.5 Control del Sistema 7. Presupuesto 8. Conclusiones 9. Bibliografía

IQ-2002-2-15

4

1. OBJETIVOS - Diseñar, construir, montar y poner en marcha una torre de pared húmeda en el laboratorio de ingeniería de la universidad, para determinar experimentalmente coeficientes de transferencia de masa y de calor.

IQ-2002-2-15

5

2.JUSTIFICACIÓN

Concientes de la importancia que tiene el ejercicio teórico, complementado con la practica profesional de los estudiantes, y en busca de lograr el mayor acercamiento con los procesos y operaciones reales, el departamento quiere fortalecer el laboratorio de ingeniería química dotándolo de los equipos requeridos para dicho fin. Actualmente se cuenta con equipos para procesos y operaciones como fermentación, ósmosis inversa, extracción, destilación así como con reactores tipo batch, mezcla perfecta y flujo pistón que están siendo utilizados como apoyo de las clases teóricas respectivas, sin embargo, no existe un equipo que permita visualizar de una forma real los fundamentos de la transferencia de masa. Por esta razón es necesario el diseño, construcción y montaje de una torre de paredes mojadas que permita la medición de coeficientes de transferencia de masa y calor.

IQ-2002-2-15

6

3. GENERALIDADES El fenómeno de transferencia de masa y calor en flujo turbulento es complejo y ha sido estudiado ampliamente, sin embargo no se ha podido entender en su totalidad. Los modelos matemáticos que intentan explicar y describir dicho fenómeno se fundamentan en teorías que han sido aceptadas como ciertas desde hace mucho tiempo, porque pueden ser validadas en la práctica, pero que no funcionan en todos los casos. Por esta razón se introdujo el concepto de coeficiente de transferencia de masa y el de coeficiente de transferencia de calor para así poder simplificar los modelos y garantizar una reproducibilidad en la práctica. Un caso particular lo constituye la absorción de gases. Se trata de una operación muy importante en la industria química y actualmente se ha hecho indispensable en el tratamiento de emisiones industriales y protección del medio ambiente, al permitir separar uno o mas compuestos de una mezcla gaseosa. Dicha operación se realiza en torres empacadas o de platos, en las cuales se busca determinar la altura necesaria para transferir cierta cantidad de materia. Ya sea calculando el número de platos reales o la altura de una unidad de transferencia en las torres empacadas, es fundamental conocer el(los) coeficiente(s) de transferencia de masa. De la misma manera todos los procesos que impliquen transferencia de calor por convección requieren de la predicción del coeficiente de transferencia de calor. Para poder calcular dichos coeficientes y desarrollar correlaciones empíricas que permitan predecir su valor en otras situaciones es indispensable contar con un equipo en donde el área de contacto entre las dos fases (gas-líquido) sea definida1. 1 El área de contacto entre las dos corrientes, en una torre de pared húmeda, es constante y puede ser calculada a partir de la predicción teórica del espesor de la película de líquido.

IQ-2002-2-15

7

Guilliland y Sherwood fueron los precursores en el uso de una torre de pared húmeda para el calculo de coeficientes de transferencia de masa2. Se trata de un equipo en el cual se ponen en contacto un gas y un líquido, que desciende por las paredes de un tubo en forma de película. El componente que se difunde puede estar presente en una o en las dos corrientes y el proceso de difusión puede ocurrir desde la fase gaseosa o desde la fase líquida. En la mayoría de las aplicaciones el tiempo de contacto de las dos fases es relativamente corto y se manejan velocidades moderadas de los fluidos, así mismo se busca en lo posible mantener condiciones adiabáticas donde el intercambio de calor con el medio externo sea despreciable, para garantizar que la transferencia de calor se deba exclusivamente al gradiente de temperatura entre las dos corrientes y a la transferencia de masa [12, p.p 1] A continuación presento el diagrama clásico de una columna de pared húmeda:

Figura 1. Diagrama general de una columna de pared húmeda

2 Mass Transfer in a Short Meted-Wall Column. James C. Crause and Izak Nieuwoudt. Ind.Eng.Chem. Res. 1999,38,4928-4932

IQ-2002-2-15

8

4. FUNDAMENTO TEORICO

El mecanismo fundamental de transferencia de masa es la difusión molecular, estudiado ampliamente en la teoría cinética de los gases, por la cual las moléculas se mueven debido a la existencia de un gradiente de concentración y es predominante en los fluidos que se mueven siguiendo un régimen laminar.

JA = - DAB ∇ CA (Ley de Fick)3

Donde: JA: Flujo de difusión de la especie A relativo a la velocidad molar promedio DAB: Difusividad ∇ CA: Gradiente de concentración de la especie A En fluidos en movimiento, la transferencia de masa se ve afectada por el movimiento global del fluido, análogo a la transferencia de calor por convección4 .

NA = XA ( NA + NB ) - cDAB∇ XA (Ecuación 2) Donde: NA: Flujo molar relativo a una superficie fija La ley de conservación de materia o continuidad esta dada por5:

∇ . NA + ∂CA/∂t – RA = 0 (Ecuación 3) Donde: ∇ . NA: Divergencia de NA ∂CA/∂t: Cambio de la concentración con el tiempo 3 Ref 9. p.p 25 4 Ref 9. p.p 27 5 Ref 10. p.p 515

IQ-2002-2-15

9

RA: Generación o desaparición de la especie A debida a una reacción química Para sistemas en estado estacionario y donde no ocurre reacción química, la ecuación anterior se simplifica:

∇ . NA = 0 Asumiendo que el sistema se comporta como una pared plana en el cual solo un componente se difunde6, la difusión ocurre en una sola dirección en el espacio y dado que la resistencia a la transferencia de masa se encuentra en la fase gaseosa, la ecuación de continuidad puede expresarse así:

dNAz/dz = 0 y por lo tanto NAz = Cte

La ley de Fick para la difusión unidimensional es7:

NAz = yANAz– DABCdyA/dz

NAz dz = DAB PT dyA (Ecuación 4)

RT (1-yA) Integrando esta expresión con las siguientes condiciones de frontera: Para Z=0 , yA= yA1 y para Z= σ yA= yA2

NAz = DAB PT ln( (1-yA2) / (1-yA1) ) σ RT Se obtiene la ecuación de Stefan 8:

NAz = DABPT∆PA (Ecuación 5)

RTσ∆PBM El número de Sherwood es la relación entre el diámetro de la columna de vidrio y el espesor de la película resistiva de gas, por lo tanto: 6 Ref 3. p.p 516 7 Ref 9. p.p 31-34 8 Ref 3. p.p 518

IQ-2002-2-15

10

Sh = d/σ = dRT∆PBMNAz (Ecuación 6)

DABPT∆PA Simultáneamente con la transferencia de masa ocurre la transferencia de calor. Teniendo en cuenta que el equipo esta aislado del ambiente externo el calor fluye únicamente debido a la diferencia de temperaturas y a la masa que se transfiere. El calor total transferido esta determinado por:

Q = hipromAi∆Tlm = GsCpB( TSA – TEA) (Ecuación 7)

Donde: hi: Coeficiente de transferencia de calor por convección promedio Ai: Área de contacto entre las dos corrientes ∆Tlm : Diferencia media logarítmica de la temperatura del agua Gs : Flujo másico de aire seco Cp : Capacidad calorífica del aire a la temperatura promedio TSA : Temperatura del aire a la salida TEA : Temperatura del aire a la entrada De esta expresión se deriva la ecuación desarrollada por McAdams9 aplicada para este caso10:

hiprom = GsCp (TSA-TEA) (Ecuación 8)

Ai∆Tlm El coeficiente de transferencia de calor corregido incluye el aporte de la transferencia de masa11:

hicorr = NAMACPA / (1-e-NAMACPA/hi) (Ecuación 9)

9 Ref 6 10 La ecuación 8 es una modificación de la relación obtenida por Mc Adams debido a las diferentes condiciones de operación de los dos equipos. La columna de este proyecto esta aislada por una chaqueta al vacío. 11 Ref 9. p.p 88-90

IQ-2002-2-15

11

Conocido el coeficiente de transferencia de calor puede calcularse el número de Nusselt :

Nu = hicorrd / kf (Ecuación 10)

Correlaciones Experimentalmente se han encontrado correlaciones para el número de Sherwood y el número de Nusselt. Sh = f (Re,Sc) y Nu = f(Re,Pr) Sh = αReaScb Nu = βRecScd Donde a,b,c y d son constantes. Guilliland12 demostró que: Sh = 0.023Re0.83Sc0.44 Por su parte McAdams13 encontró que: Nu = 0.0225Re0.83Pr0.4 Lo anterior indica una clara analogía entre los dos fenómenos, lo cual permite calcular coeficientes de transferencia de masa a partir de ensayos realizados de transferencia de calor o viceversa. Este estudio lo iniciaron Reynolds y Prandtl, quines encontraron una analogía entre la transferencia de calor y la transferencia de momento:

JH = St Pr2/3 = Nu / RePr * Pr2/3 = ½ f Donde f es el factor de fricción de Fanning. 12 Ref 3. 13 Ref 6.

IQ-2002-2-15

12

Posteriormente Chilton y Colburn establecieron el análogo de transferencia de masa14:

JD = St Sc2/3 = Sh / (ReSc) * Sc2/3 Experimentalmente se ha encontrado que para formas geométricas simples JD = JH.

14 Ref 2

IQ-2002-2-15

13

5. ANTECEDENTES

Para el diseño de un equipo de estas características es necesario hacer una revisión de los equipos ya existentes para determinar los puntos críticos, las variables que se deben medir, las condiciones de operación, las dimensiones principales y primordialmente, los detalles que permitan la formación de película; todo con el objetivo de tener un mejor criterio en el momento de dimensionar la torre y seleccionar equipos minimizando la probabilidad de cometer errores en el montaje y puesta en marcha. A continuación se presenta un cuadro resumido con las principales características que ofrece la torre de pared húmeda de: Armfield: Productor de equipos de laboratorio. [11] Universidad de Pittsburgh que cuenta con una torre de pared húmeda en sus laboratorios. [12] Guilliland & Sherwood: Realizaron ensayos en una torre de pared húmeda a principios del siglo XX. [3] Universidad Nacional: Cuenta con una torre de pared húmeda diseñada y montada por dos estudiantes de ingeniería química en su proyecto de grado.[5]

Parámetros Armfield U. Pittsburgh Guilliland & Sherwood

U. Nacional

Sistema Aire-agua Aire-agua Aire-n-alcohol Aire agua Operación Oxigenación

del agua Humidificación Absorción de

alcohol en aire Humidificación

Ensayos Transferencia de masa

Transferencia de masa y calor

Transferencia de masa

Transferencia de masa y calor

Flujo de Gas (ft3/min)

0.03-0.1 ***** 7-35 7-35

Flujo de Líquido (c.c/min)

150-280 500-1200 ***** 1000-2000

Variables que se miden

Temperatura Concentración

oxígeno

Temperatura Humedad Absoluta

Temperatura Concentración alcohol en aire

Temperatura Humedad Absoluta

IQ-2002-2-15

14

Altura de la Columna (m)

0.9 0.762 1.17 1.2

Diámetro de la Columna (cm)

3.2 3.048 2.67 2.9

Tabla 1. Dimensiones y condiciones de operación de columnas de pared húmeda

Una vez analizadas las opciones anteriores y con la colaboración del ingeniero Alejandro Boyacá de la Universidad Nacional, quien hizo posible observar el equipo en detalle y presenciar una práctica, se decidió tomar como referencia principal la experiencia adquirida por ellos desde el año 1976 (año en que fue montada la torre) para iniciar el diseño de un sistema acorde con los avances tecnológicos de la actualidad, que permita agilizar la toma de datos, mejorar la sensibilidad y la precisión de los resultados, corregir errores que solo con la práctica se pueden detectar y garantizar que el equipo funcione adecuadamente para los fines que se pretenden alcanzar.

IQ-2002-2-15

15

6. DISEÑO EN DETALLE

6.1 Sistema El sistema seleccionado es aire-agua y la operación que se va a realizar dentro del equipo es la humidificación del aire. Se trata de una sistema bastante estudiado sobre el cual se han desarrollado muchas teorías y sobre el cual se tiene bastante información empírica. La mayoría de las torres de pared húmeda que se observaron en la revisión bibliográfica trabajan con este sistema y presentan una ventaja adicional (principalmente económica) en cuanto a la medición de la concentración respecto a otros líquidos y gases. 6.2 Equipo Central 6.2.1 Torre de Pared Húmeda Consiste de un tubo en vidrio refractario 3,3 borosilicato Durán, de 120 cm de longitud y 2.9 cm de diámetro. Esta envuelto por una chaqueta en el mismo material de 5.1 cm de diámetro interno, con puntas para soportar vacío y esmerilados rótula en la parte superior e inferior. La chaqueta cumple dos funciones principales; de protección y de aislamiento térmico. Adicionalmente soporta un pequeño vacío para aumentar su capacidad de aislamiento y cuenta con puntas recomendadas por el fabricante para contrarrestar el efecto que dicho vacío puede causar sobre el vidrio (lo vuelve muy frágil).

IQ-2002-2-15

16

Figura 2. Plano general columna en vidrio con detalle de la camisa (medidas en metros)

1.2

IQ-2002-2-15

17

La condición fundamental de la columna, es la formación de una película uniforme y laminar para que los resultados que se obtengan sean confiables y cercanos a la teoría. Para ello se debe contar con un sistema de recolección del líquido adecuado que evite fenómenos de arrastre o de sequedad. Bajo esta premisa cuenta con cuatro tapas de 14 cm de diámetro, de esmerilado plano con dos salidas en la parte superior para toma optativa de temperatura y dos esmerilados de rótula en la parte inferior para la entrada y salida del agua. Estas tapas forman el colector inferior y superior. Al colector superior llega el líquido por la parte inferior para prevenir la turbulencia que podría generarse si la entrada fuera lateral.

Figura3. Plano de sección superior

IQ-2002-2-15

18

Al extremo inferior de la columna se presenta un ensanchamiento del tubo en forma de campana para que el liquido no alcance la zona aliviadora de presión del gas.

Figura ¡4. Plano sección Inferior

La zona aliviadora de presión de gas evita que las fluctuaciones que presenta el flujo de aire, propias de la fuente del cual provenga, cause destrucción de la película y además dirige el flujo de tal forma que evite el arrastre del líquido en la parte inferior del tubo. Consta de un balón en vidrio con dos salidas, lateral e inferior para la entrada del aire y salida del agua que pueda pasar a esta zona, además de contar con tres salidas en el cuello para toma optativa de presión, temperatura y humedad.

IQ-2002-2-15

19

6.3 Equipos Auxiliares 6.3.1Estrcutura de soporte El marco que sostiene la columna en vidrio esta hecho en hierro y su estructura es en ángulo de 1 ½ X 1/8 de pulgada. Además de servir como soporte de la estructura en vidrio debe permitir el montaje de los equipos auxiliares, tubería y dispositivos electrónicos.

Figura 5. Plano Estructura de Soporte

IQ-2002-2-15

20

Es importante que el diseño de la estructura permita desplazamiento en algún sector para garantizar la verticalidad de la columna. Cualquier inclinación impide la formación de la película. Para impedir la inclinación, se diseñó un marco movible que soporta el colector superior y que permite el movimiento hacia arriba y hacia abajo por medio de tuercas y tornillos nivelando el conjunto completo.

6.3.2 Ruta del Aire 6.3.2.1 Suministro del Aire Se analizaron diversas opciones para el suministro de aire15 teniendo como objetivo principal mantener un flujo constante, entre los rangos que los ensayos desarrollados por Guilliland recomiendan. El aire que entra a la torre proviene directamente de la línea del laboratorio; provee variedad de flujos con la presión suficiente para superar la caída de presión dentro de la tubería y dentro del rotámetro, además es la alternativa mas económica16. Antes de entrar a la columna el aire pasa por una unidad de mantenimiento con dos filtros, uno para agua, otro para aceite y un manómetro para el control de presión. 6.3.2.2 Calentamiento del Aire Se dispuso de un calentador de resistencia eléctrica de 1 Kw, con una cubierta en hierro dispuesta como lo muestra la figura. 15 Compresor: Tiene como desventaja un costo muy elevado. Soplador: Su instalación es complicada y su costo es elevado. Ventilador: Es económico, pero no supera la caida de presión dentro del rotámetro. 16 Fue necesario construir una derivación para transportar el aire hasta el lugar donde se encuentra ubicada la columna. Se utilizó tubería de ½” en hierro galvanizado.

IQ-2002-2-15

21

Figura 6. Plano estructura interna del calentador de aire. La estructura mostrada en la figura esta cubierta por una caja rectangular del mismo material y se encuentra sellada para evitar fugas.

IQ-2002-2-15

22

6.3.2.3 Diagrama de Flujo para el Aire

Figura 7. Diagrama de Flujo para el Aire

IQ-2002-2-15

23

6.3.3.1 Tanque Colector El agua inicialmente se encuentra depositada en un colector construido en acero inoxidable de 12 litros de capacidad. Posee un orificio en la parte inferior para permitir la salida del agua al cual se le adaptó un acople para conectar manguera de ¾” y una entrada para manguera de ½” en la parte superior, para recirculación del agua que sale del colector inferior de la columna en vidrio.

20 cm

20 cm

30cm

Figura 8 Colector de Agua

6.3.3.2 Bomba El agua es impulsada desde el tanque hasta la parte superior de la columna por medio de una bomba centrífuga cuyas �onexión�ión�nes técnicas se muestran a �onexión�ión.

Máximo Flujo 4 Galones por minuto

Máxima Presión del sistema

50 psi

Máxima Temperatura 60ºC �onexión a la Entrada ½” NPT(M) �onexión a la Salida ½” NPT(M) Potencia del Motor 1/150 hp Voltaje 115 VAC

IQ-2002-2-15

24

Frecuencia 60 Hz Corriente 0.3 Amperios Dimensiones 7” Largo

4 ½” Ancho 6” Alto

Tabla 2. Especificaciones de la Bomba

6.3.3.3 Calentamiento de Agua El calentador para el agua una resistencia eléctrica de 1.5 Kw, la cual se fijó a una de las paredes del colector.

IQ-2002-2-15

25

6.3.3.4 DIAGRAMADE FLUJO PARA EL AGUA

Figura 9. Diagrama de Flujo para el Agua

IQ-2002-2-15

26

6.3.4 Plan de Instrumentación 6.3.4.1 Variables a Medir Las principales variables que deben ser medidas en el proceso dentro del equipo son:

• Temperatura: Para poder determinar el calor transferido de una corriente a la otra es necesario medir la temperatura tanto del líquido como del gas a la entrada y a la salida de la torre. El rango de temperatura para el agua va desde la temperatura ambiente hasta 50ºC que es la máxima temperatura a la cual puede operar la bomba. El rango de temperatura para el aire va desde la temperatura habiente hasta 60ºC siendo esta la máxima temperatura recomendada por el fabricante del sensor de humedad.

• Humedad absoluta: De la misma forma para determinar la cantidad de

masa transferida debe conocerse la concentración del agua dentro de la corriente de aire (humedad absoluta) a la entrada y a la salida de la columna.

• Flujo de agua: La escogencia de un flujo adecuado depende fundamentalmente de ensayos experimentales sobre el equipo ya montado para evitar el arrastre o la no formación de película. Ahora, debido a que según los cálculos hechos, la cantidad de liquido no afecta de una manera importante el coeficiente de transferencia de masa del gas, para los rangos que se mencionaron, es admisible utilizar un flujo de agua ligeramente inferior al promedio del utilizado en la Nacional. Su mayor influencia estaría en la determinación de la carga y el caudal que debe proporcionar la bomba sin embargo en la mayoría de los casos se escoge sobredimensionada para garantizar un mayor campo de acción. Para la formación de película se recomienda trabajar con un flujo de agua aproximado de 2 litros/min.

• Flujo de aire: El sistema utilizado por la universidad de Pittsburg y construido por Armfield estudia la difusión del oxigeno del aire en agua desoxigenada. El coeficiente de transferencia de masa en el liquido es

IQ-2002-2-15

27

bastante pequeño en comparación con el coeficiente de transferencia de masa en el gas en la humidificación de aire por lo cual se necesitaría de una altura para poder transferir una cantidad de masa suficiente como para ser sensada por un aparato comercial. Este problema lo solucionan utilizando un medidor de concentración de oxigeno sofisticado con una alta sensibilidad junto con la utilización de un flujo de aire bajo (0.03-0.1) que le permita desarrollar un mayor tiempo de contacto entre las fases y por ende una mayor transferencia de masa. Por su parte tanto los ensayos originales de Gilliland y Sherwood y las torres de la universidad nacional y de la universidad de Holanda muestran flujos de aire mucho mayores que pueden ser controlados de una mejor manera teniendo en cuenta las condiciones del laboratorio. Así, que para este sistema en donde la transferencia de masa no es tan baja y teniendo en cuenta los detectores que se van a usar para medir la humedad del aire se escogió un rango entre 7 y 35 ft3/min.

• Presión: Aunque el equipo opera en condiciones de presión atmosférica,

para efecto de los cálculos debe medirse la caída de presión en la rama inferior y superior de la columna.

6.3.4.2 Sensor de Temperatura El sensor de temperatura utilizado es una termocupla tipo J, cuya señal de voltaje proporcional a la temperatura es de 0.05 mV/°C. Se debe realizar un acondicionamiento de la señal de temperatura, la cual consiste en una amplificación de la señal eléctrica para efectos de la comparación de la lectura y de una retención de la señal. Debido a esto la lectura de la temperatura debe calibrarse externamente. La exactitud obtenida luego del acondicionamiento de señal que varia entre ± 0.25 °C y 0.5°C en el rango de operación del sistema electrónico que va desde temperatura ambiente a 255 °C. 6.3.4.3 Sensor de Humedad Absoluta La humedad absoluta puede calcularse a partir de la temperatura de bulbo húmedo y bulbo seco. Sin embargo los sensores que se encuentran en el mercado para este fin son muy costosos así que se optó por medir la humedad

IQ-2002-2-15

28

relativa que junto con la temperatura del aire permite determinar la humedad absoluta. Como sensor de humedad relativa se utilizo el HIH-3605-A, fabricado por Honeywell. Este sensor tiene un rango de salida que va de 0.8 V a 0% de humedad y de 4.07 V a 100% de humedad a 0°C. (ver gráfica)

6.3.4.4 Medidores de Flujo El equipo utilizado para medir el flujo de agua es un rotámetro de agua para lectura directa; tiene una escala que vá desde 0.4 hasta 4 litros por minuto y cuenta con conexión a tubería de ½” NPT.

Para medir el flujo de aire, al igual que con el agua se utiliza un rotámetro de lectura directa desde 4 hasta 48 scfm (pies cúbicos estándar por minuto) con conexión a tuberí de ¾”.

Figura 10. Rotámetro

IQ-2002-2-15

29

6.3.5 Control del sistema El diseño de un marco que permita nivelar perfectamente la torre, la utilización de sensores sofisticados para medir las variables con alta precisión, el control automático de la temperatura de las corrientes y la utilización del computador como medio para manipular los datos constituyen los principales aportes de este equipo en comparación con los existentes en la actualidad. La función principal del sistema de control que se implementó, es alcanzar la temperatura que se desee en las corrientes y controlarla variando la potencia que se le suministra a los calentadores de resistencia eléctrica. Descripción general del sistema de control Para la medición de las variables del sistema se dispone de sensores o transductores, los cuales miden las variables correspondientes y entregan un voltaje proporcional a la variable censada. La Digitalización de las señales se realizan por medio del microcontrolador, PIC 16F877 de MICROCHIP, el cual se encarga de recibir las señales de voltaje, digitalizarlas y transferirlas mediante el protocolo de comunicaciones RS-232 a un computador personal en el cual se procesan los datos, se calculan las potencias a suministrar a las resistencias de calentamiento y se toman los datos de las mediciones realizadas a la torre de pared húmeda.Las señales tomadas por los sensores en el momento, pueden ser visualizados desde el computador. El Hardware del sistema se puede separar en cinco etapas, las cuales son controladas mediante el Software elaborado para el sistema, dichas etapas son:

- La adquisición de los datos, en la cual se reciben las señales eléctricas entregadas por los sensores; el procesamiento, en donde las medidas recibidas son digitalizadas

- La salida de los datos vía RS-232 al computador central - El control del sistema desde el computador central., en este se

visualizan los datos actuales del sistema y se calculan las potencias a suministrar y la etapa de electrónica de potencia la cual se encarga de entregar la energía requerida a lar resistencias de calentamiento.

IQ-2002-2-15

30

En cuanto al Software del sistema, se puede clasificar en dos: El Software propio de la estación (para programación del microcontrolador), mediante el cual se programó la adquisición de los datos, y procesamiento para la salida de los datos, y el software del computador personal de tal manera que se presenten las medidas de una manera útil al usuario.

Selección del microcontrolador Debido a que se requiere un microprocesador de gran capacidad se utilizó tecnología Microchip teniendo en cuenta su representación comercial en el país. Las características técnicas de sus micros más avanzados entre los cuales tenemos la familia 16F87X la cual posee conversor análogo digital de 10 bits. Especificaciones del hardware La Estación posee tres bloques en su Hardware, a saber: ! Adquisición de los datos. (acople de sensores y digitalización) ! Unidad de procesamiento ! Interfaz con el usuario

Adquisición de los datos. (Acople de Sensores) Es la parte del sistema encargada de recibir las señales de voltaje entregadas por los sensores y adecuarlas para poder ser utilizadas por la unidad de procesamiento del sistema (microcontrolador.). Las variables ambientales censadas por la estación son las siguientes:

- Temperatura - Humedad relativa

• Circuito acople de temperatura: El voltaje entregado por el sensor se

acopla mediante un arreglo de amplificadores operacionales que luego constituye la entrada al conversor análogo / digital del microcontrolador. Para este acople de señal se emplearon amplificadores operacionales de instrumentación.

IQ-2002-2-15

31

El rango de temperaturas de interés ha censar va desde temperatura ambiente a 50°C, correspondiendo a un rango de voltaje de -0.1V a 0.5V. Ya que el conversor análogo / digital del microcontrolador solo acepta voltajes positivos, al acople de señal del sensor debe entregar un rango de 0V a 5V. Luego, mediante el software interno del microcontrolador se convierte dicho valor a la medida correspondiente para ser utilizada por el usuario. La resolución que se ofrece el conversor de 10 bits del microcontrolador es de 0.249ºC

• Circuito acople de Humedad: El acople de señal que se elaboró se pensó de manera similar al utilizado en la temperatura para utilizar al máximo el ADC del microcontrolador y obtener una mayor resolución, la señal se amplifico para tener un rango de 0 a 5V y de esta manera se tendría una resolución de 0.09765625%.

Según las gráficas de funcionamiento del sensor de humedad a 0°C y 0% de humedad dan como salida 0.8V y a 100% 4.07V, el acople toma esta señal la multiplica por 1,5278, y le resta 1.2232, para obtener una señal de 0 a 5 V.

Unidad de procesamiento Está constituida por el microcontrolador y el PC, los cuales se encargan de la recolección, procesamiento y almacenamiento de las señales que indican las medidas de las variables ambientales censadas. El microcontrolador utilizado es el 16F877 de Microchip un microcontrolador de alta especificación, para ser utilizado en aplicaciones de tiempo real, tales como instrumentación, control industrial, etc. Para la recopilación de las señales se utilizaron, básicamente, las entradas del conversor análogo digital. La unidad de procesamiento consta de las siguientes partes:

• Entradas (Sensores): Los sensores (cuatro termocuplas y dos sensores de humedad relativa) entregan las señales acondicionadas, que luego son procesados por el microprocesador. Se reciben dos tipos de señal;

IQ-2002-2-15

32

las señales provenientes de los sensores de temperatura y humedad son análogas.

• Digitalización (Conversor Análogo/Digital del microcontrolador): Las

señales análogas que entran al microcontrolador son digitalizadas por un conversos A/D de 10 bits, los cuales entregan 1024 datos distintos desde la lectura mínima (0 V) hasta la máxima (5 V). Las señales análogas que entran al microcontrolador son digitalizadas por un conversos A/D de 10 bits, los cuales entregan 1024 datos distintos desde la lectura mínima (0 V) hasta la máxima (5 V)

• Envío de datos al PC para procesamiento: Los datos digitalizados (información binaria que opera con unos (5 V) y ceros (0 V). Este envío de datos desde el microcontrolador hasta el PC se efectúa por intermedio del standard de comunicaciones RS-232.

• Procesamiento de la información: Los datos recibidos desde el

microcontrolador son procesados por el computador central. En este (mediante software) se encuentra el algoritmo de control el cual es del tipo PID y será expuesto más adelante. Tras efectuar los respectivos cálculos correspondientes al control, se generan las potencias que serán asignadas a las resistencias de calentamiento, de acuerdo a las temperaturas de referencia asignadas por el usuario.

• Recepción de los datos de potencia a suministrar a las resistencias de

calentamiento (desde el PC al microcontrolador): Envío de los datos de potencia a la etapa final de Electrónica de potencia (El control final de potencia se efectúa mediante un microcontrolador auxiliar): Los datos de la potencia que será suministrada a las resistencias de calentamiento son enviados desde el PC al microcontrolador. Este envío de datos se realiza utilizando el mismo standard de comunicaciones (RS-232.)

• Envío de los datos de potencia a la etapa final de Electrónica de

potencia: El control final de potencia se efectúa mediante un microcontrolador auxiliar (PIC 16F84 de Microchip), el cual recibe el dato de potencia a suministrar a cada calentador (de aire y de agua) y controla la activación o desactivación de los relés de estado sólido

IQ-2002-2-15

33

(Triacs) encargados de conectar y desconectar la carga de la red eléctrica (220 V).

Especificaciones del software Al igual que el hardware, el software se puede dividir en dos grandes bloques, a saber: ! Programación del microcontrolador ! Programación del computador personal PC

Programación del microcontrolador. El programa realizado para el microcontrolador fue elaborado en Lenguaje assembler utilizando el programa MPLAB. El software del microcontrolador se basa específicamente en la programación de las interrupciones y subrutinas, los cuales, constituyen eventos que cambian el flujo normal de la ejecución de las instrucciones. Adicionalmente, a las funciones de recolección de las medidas, existe otras rutina para la transmisión de los datos por el puerto serial. Programación del computador personal Microsoft Windows Reúne el control de tipo apuntar y seleccionar, los menús instantáneos, y la habilidad de ejecutar aplicaciones escritas especialmente para Windows, así como las aplicaciones estándar que funcionan con DOS. Ya que el entorno operativo de Windows ofrece ventajas considerables tanto a los usuarios como a los programadores, se ha escogido el lenguaje VISUAL BASIC para la programación del computador personal que recibe los datos de la TPH el cual, es una herramienta que permite diseñar fácilmente las ventanas con las que el usuario está en contacto permanentemente, y además puede combinar sus utilidades con las de un buen programa de base de datos como lo es Excel. El programa tiene funciones tales como: ! Comunicación con la interfaz de la TPH

IQ-2002-2-15

34

! Asignación por parte del usuario de la temperatura requerida en las entradas de aire y de agua

! Visualización del estado de las resistencias de calentamiento y de la

bomba de agua ( ON – OFF) ! Selección de control manual o automático. En el control manual, se

asigna una potencia fija de calentamiento de las resistencias de calentamiento y el sistema se estabilizará a una temperatura que dependerá del caudal de líquido o de aire que esté circulando por el sistema (No se tiene en cuenta la temperatura de referencia asignada por el usuario). En el control automático, posterior a su calibración, el control inicia un calentamiento del aire y del agua hasta alcanzar las temperaturas de referencia asignadas por el usuario.

Alimentación del circuito La alimentación de la interfaz de la TPH se alimenta directamente a 110 VAC a través del un transformador, el cual reduce el voltaje de entrada a 12 VAC y es rectificado y regulado para alimentar la electrónica interna del sistema. Programa para la comunicación y control del sistema El programa fue realizado en Visual Basic. En general, el programa capta los datos correspondientes a la conversión A/D de cada uno de los sensores de la TPH y los visualiza en la pantalla del PC, visualiza el estado de las resistencias d calentamiento ( si están encendidas o apagadas), Realiza el algoritmo de control PID y calcula las potencias que serán suministradas a las resistencias de calentamiento para lograr tener los puntos de entrada de la TPH a la temperatura asignada por el usuario.

IQ-2002-2-15

35

Diagrama de flujo (Sistema de control)

IQ-2002-2-15

36

IQ-2002-2-15

37

7. PRESUPUESTO

El proyecto en su totalidad fue financiado por el departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes. Una vez analizadas las diversas cotizaciones tanto de la columna en vidrio como los equipos auxiliares, se aprobó un presupuesto general por once millones de pesos el cual esta discriminado de la siguiente manera: Equipo Costo Proveedor 1 Columna en Vidrio $ 2’719.620 Vilabquim Ltda. 1 Soporte Metálico $ 300.000 Alberto Neira 1 Bomba $ 274.400 Cole Parmer Int. 1 Rotámetro para Agua $ 232.400 Cole Parmer Int. 1 Rotámetro para Aire $ 394.800 Cole Parmer Int. 4 Termocuplas $ 475.200 Proautomatic Ltda.

Ing. Rafael Valenzuela. 1 Calentador de Agua $ 352.000 Proautomatic Ltda.

Ing. Rafael Valenzuela. 1 Calentador de Aire $ 269.500 Proautomatic Ltda.

Ing. Rafael Valenzuela. 2 Sensores de Humedad $ 629.200 Proautomatic Ltda.

Ing. Rafael Valenzuela. Sistema de Control $ 3’509.913 Proautomatic Ltda.

Ing. Rafael Valenzuela. Unidad de mantenimiento

$ 180.000 AVIM Ingenieria.

Otros $ 320.000 Total $ 9’657.033

Tabla 3. Presupuesto

# La columna “Otros” incluye: Tubería de ½” y ¾”, manguera de ½” y 1”, racores, reducciones, uniones, codos, tubería, lámina de madera, válvulas e imprevistos del montaje.

IQ-2002-2-15

38

8. CONCLUSIONES

La Columna de Pared Húmeda montada en el laboratorio de Ingeniería Química ubicado en el CITEC, posee un dispositivo para recolectar y evacuar el agua, así como una zona aliviadora de presión para el aire y una base metálica movible para nivelar el tubo central que garantizan la formación de una película de líquido laminar desde su punto de formación hasta su destrucción en la parte inferior, en un recorrido de 120 cm. Posee dos calentadores de resistencia eléctrica, una bomba centrífuga, dos sensores de humedad relativa, cuatro termocuplas y dos rotámetros para la medición de flujos, una unidad de mantenimiento del aire con filtros de agua y aceite y un sistema de control de temperatura desde el computador. Permite la realización de ensayos en contracorriente y en paralelo, cambiando la posición de la manguera que suministra el aire a la columna. La película de líquido se forma con un flujo de agua mínimo de 1 l/min el cual es controlado manualmente por una válvula de globo hasta alcanzar el máximo que es de 3.5 l/min. En los ensayos en contracorriente el máximo flujo de aire para mantener la película es de 6 ft3/min mientras que para los ensayos en paralelo este flujo aumenta hasta 16 ft3/min. El control de esta variable se realiza manualmente, por medio de tres válvulas correspondientes a la línea de aire, la unidad de mantenimiento y el rotámetro. La temperatura de operación máxima del agua es 55ºC para proteger la bomba y para el aire es 60ºC para evitar daños en el rotámetro y en el calentador. Desde el computador se pueden controlar la temperatura del agua y del aire a la entrada de la columna, por medio de un controlador PID que varía la potencia suministrada a los calentadores. El tiempo de respuesta del sistema es alto, debido principalmente al ciclo de histéresis del calentador del aire y el calor que debe ser transferido de las

IQ-2002-2-15

39

corrientes a los sistemas de conducción. Para disminuir el tiempo de respuesta y aumentar la eficiencia del calentamiento se recomienda arrancar los ensayos con una potencia inicial para los calentadores de agua y aire de 50% y 60% respectivamente.

IQ-2002-2-15

40

9. Bibliografía

1. BIRD, R. B., W. E. STEWART y E. N. LIGHTFOOT: Transport Phenomena; Wiley; Nueva York; 1960.

2. CHILTON Y COLBURN, Ind. Eng. Chem., vol 26, No 11, p.p 1183; 1934

3. GUILLILAND, E. R. y SHERWOOD, T. K : Diffusion of Vapors into Air Streams; Ind. Eng. Chem. Vol 26. No 5, p.p 516; 1934

4. INCROPERA, Frank P: Fundamentos de Transferencia de Calor; Cuarta edición. Prentice Hall; 1999

5. LINARES MORENO, Humberto y TURRIAGO HERNÁNDEZ, Libardo : Diseño, Construcción, Montaje y Puesta en Marcha de una Columna para Ensayos de Pared Humedecida; Universidad Nacional de Colombia; 1976

6. Mc ADAMS, W. H : Heat Transmission, p.p 219; Tercera edición; Nueva York, Mc Graw Hill Book Co. ; 1954

7. Mc CABE, Warren L. y Smith, Julián C : Operaciones Unitarias en Ingenieria Química, Mc Graw Hill; Cuarta edición; 1998

8. PERRY, Robert H : Manual del ingeniero Químico. Sexta Edición, tomo V; p.p 18-47 Mc Graw Hill ; 1998

9. TREYBAL, Robert E. Operaciones de Transferencia de Masa. Segunda Edición. Mc Graw Hill .

10. WELTY, James ; WICKS, Charles E. Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer.

11. http://www.armfield.co.uk/ces_datasheet.html 12. www.mines.edu/Academic/courses/chemeng/ chen516/handouts/WettedWall.pdf