1/61 CONTROL DE REACTORES Plantas Químicas ! Reactores de tanque agitado ! ! ! ! Grados de libertad Control de presión Control de temperatura Control de calidad ! Reactores de flujo pistón ! Reactores batch Tema 6: Control de reactores químicos 2/61 Plantas Químicas ¿grados de libertad? Tema 6: Control de reactores químicos 3/61 Plantas Químicas Variables CV’s y MV’s Tema 6: Control de reactores químicos CSTR: Control de presión Plantas Químicas Si existe equilibrio normalmente no se controla la presión y se controla únicamente la temperatura. ¿Por qué? Tema 6: Control de reactores químicos 4/61 5/61 Con salida de gases Reactivo B Reactivo A F2 PIC F1 Producto (g) Plantas Químicas G CWR C Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos CWS 6/61 Sin salida de gases PIC F1 F2 Reactivos (l) Plantas Químicas Reactivos (g) CWR C Productos (l) Tema 6: Control de reactores químicos CWS CSTR: Control de temperatura Plantas Químicas ¿Cuáles son las variables manipuladas más efectivas para el control de la temperatura? A+ BAC A reactivo limitante Volumen de reacción constante Tema 6: Control de reactores químicos 7/61 8/61 Reacciones exotérmicas Cinética según la expresión de Arrhenius Plantas Químicas r = k0 e < Ea RT k0 Constante preexponencial Ea energía activación R constante universal de los gases T temperatura de la reacción Reacción exotérmica desprende calor Fenómeno de RUNAWAY Tema 6: Control de reactores químicos 9/61 Calor generado en el reactor Qgenerado = 6H reac Fx A_ Qgenerado = f (T ) _ = f (r ) Plantas Químicas r = f (T ) Calor eliminado en el reactor Qeliminado = U u A u 6Tlm (T < Tref ,in ) < (T < Tref ,out ) 6Tlm = T < Tref ,in ln T < Tref ,out Tema 6: Control de reactores químicos Tomando Tref constante: Qeliminado = U u A u (T < Tref ) 10/61 Balance de entalpía al reactor F1hF1 + F2 hF2 + Qgenerado = FC hFC + Qeliminado Si queremos T constante (controlada) Plantas Químicas Entalpiareactivos ≈ Entalpia productos Qgenerado = Qeliminado Tema 6: Control de reactores químicos 11/61 Balance entálpico (gráficamente) CALOR GENERADO / ELIMINADO Plantas Químicas G1 G-G1 G-G2 E1 E2 Calor generado con y sin disparo Calor eliminado con distintos U*A G2 Punto F. Estable P2 Punto de control PC E1 E2 Punto F. Estable P1 G U*A U*A TEMPERATURA T refrigerante T refrigerante Un mejor control parte de un mejor diseño Tema 6: Control de reactores químicos 12/61 CALOR GENERADO / ELIMINADO Plantas Químicas Horquilla de estabilidad G-G2 Calor generado E1: Tangente a la curva en el punto de control E2: Pendiente máxima (T=TR) Punto de control E2 G E1 TEMPERATURA T R1 T R2 Tema 6: Control de reactores químicos G2 13/61 Control actuando sobre el calor generado Actuar sobre la carga, es decir, sobre la capacidad de producción. PIC CALOR GENERADO / ELIMINADO Plantas Químicas TIC G2 Producto (g) Reactivos G1 Recta de calor eliminado Calor generado manipulando la carga CWR LIC CWS E tª controlada G3 TEMPERATURA T refrigerante Tema 6: Control de reactores químicos Producto (l) 14/61 Control actuando sobre el calor eliminado Se puede actuar sobre uno de los 3 factores: U A 6Tlm CALOR GENERADO / ELIMINADO Plantas Químicas Actuación sobre U (coef. Global de transmisión de calor) G E1 E2 E3 Calor generado Calor eliminado manipulando U*A E3 E2 U*A E1 U tª controlada G TEMPERATURA T refrigerante Tema 6: Control de reactores químicos 1 1 + hi ho 15/61 Manipular la velocidad de agitación TIC FIC M Plantas Químicas Reactivos CWR LIC Producto (l) CWS Tema 6: Control de reactores químicos 16/61 Manipular caudal de refrigerante Plantas Químicas Reactivos CWR Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos CWS 17/61 Plantas Químicas Problemas en la variación del caudal de refrigerante Tema 6: Control de reactores químicos Plantas Químicas 18/61 • Variación muy no lineal • Rango limitado de aplicación (ganancia) Tema 6: Control de reactores químicos 19/61 Manipular caudal de refrigerante: lazo en cascada Producto (g) Plantas Químicas Reactivos CWR SP LIC Producto (l) CWS Tema 6: Control de reactores químicos 20/61 Plantas Químicas Respuesta ante un escalón en la temperatura de entrada del refrigerante a) Control SIN cascada b) Control CON cascada Tema 6: Control de reactores químicos 21/61 Plantas Químicas Respuesta ante un cambio en la entrada de reactivos a) Control SIN cascada b) Control CON cascada Tema 6: Control de reactores químicos 22/61 Lazos en cascada Técnica de control que emplea DOS controladores con un lazo de control dentro del otro. Plantas Químicas 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? Tema 6: Control de reactores químicos Plantas Químicas 23/61 Tema 6: Control de reactores químicos 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. CALOR GENERADO / ELIMINADO Plantas Químicas Actuación sobre ΔT (diferencia de temperaturas) G E1 E2 E3 Calor generado Calor eliminado manipulando la tª de refrigerante E3 E2 E1 tª controlada G T refrigerante TEMPERATURA Tema 6: Control de reactores químicos 25/61 Plantas Químicas Recirculación con bomba (manipulación del aporte) TIC Producto (g) Reactivos CWS R T R salida T R entrada Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos R CWS 26/61 Plantas Químicas Dibuja el esquema de recirculación con control en cascada. Tema 6: Control de reactores químicos 27/61 Plantas Químicas Ganancias ppal y secundaria Tema 6: Control de reactores químicos 28/61 TEMPERATURA DEL REACTOR Plantas Químicas Ganancia con manipulación del aporte F1, F2: Caudales de alimentración al reactor (Carga) F2 F1 CAUDAL DE REFRIGERANTE Funcionamiento similar al visto sin recirculación pero permite menor caudal de refrigerante. Tema 6: Control de reactores químicos 29/61 Circulación a través de cambiador de carcasa-tubos externo FIC TIC Plantas Químicas Reactivos CWR LIC Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos CWS 30/61 Circulación a través de cambiador externo y by-pass PIC Producto (g) Plantas Químicas Reactivos Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos 31/61 Plantas Químicas 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 Tema 6: Control de reactores químicos 32/61 Plantas Químicas Reactivo en evaporación Tema 6: Control de reactores químicos 33/61 Plantas Químicas Reactivo en evaporación Tema 6: Control de reactores químicos 34/61 FIC TIC Plantas Químicas Reactivos CWR T Refrigerante Producto (l) Tema 6: Control de reactores químicos SP CWS 35/61 Reacciones endotérmicas CALOR DEMANDADO / APORTADO Plantas Químicas G: Curva de demanda G E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la tª de F. calefactor Punto F. siempre Estable E1 tªcontrolada E2 G U*A TEMPERATURA T fluido calefactor Siempre hay un único punto de corte: control estable y más sencillo. Tema 6: Control de reactores químicos 36/61 Manipulación de U*A CALOR DEMANDADO / APORTADO Plantas Químicas G: Curva de demanda G E1, E2: Rectas de aporte de calor manipulando la pendiente U*A Punto F. siempre Estable E1 tªcontrolada E2 G U*A TEMPERATURA T fluido calefactor 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. Tema 6: Control de reactores químicos CSTR: Control de calidad Plantas Químicas 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 Tema 6: Control de reactores químicos 37/61 38/61 Reactor de paso único Plantas Químicas Cuando hay altas conversiones en el reactor ¿Inconvenientes? Tema 6: Control de reactores químicos 39/61 Plantas Químicas Ratio control Tema 6: Control de reactores químicos 40/61 Control de relación (ratio control) ! Busca mantener fija la relación entre dos variables. ! Dos configuraciones: Plantas Químicas ! 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. Tema 6: Control de reactores químicos Ratio control 41/61 PV1 PV2 PV Configuración 1 PV = PV1 / PV2 SP = ratio SP FIC FT Plantas Químicas FT ratio K PV1 SP Configuración 2 SP = ratio * PV1 = = consigna PV2 FIC PV2 FT FT Tema 6: Control de reactores químicos Plantas Químicas 42/61 ¿Cuál puede ser el esquema de control si un reactivo está en una fase distinta al otro reactivo y a los productos? Tema 6: Control de reactores químicos 43/61 Carga Plantas Químicas SP Tema 6: Control de reactores químicos 44/61 Carga Plantas Químicas SP Tema 6: Control de reactores químicos 45/61 Reactor con reciclo de reactivos Plantas Químicas Cuando la conversión por paso en el reactor es baja es necesario reciclar para aprovechar el reactivo no consumido. ¿es posible? Tema 6: Control de reactores químicos 46/61 Ctrl. Calidad. Reciclo 1 reactivo Carga SP Plantas Químicas Reactivo A Reactor Reactivo B Producto + Reactivo B no reaccionado Depósito de B Operación de separación Alimentación fresca de B Producto C Tema 6: Control de reactores químicos 47/61 Reactor con reciclo de inertes Carga SP Reactivo B Reactivo A Plantas Químicas Disolvente Aporte Disolvente Disolvente Operación de separación Producto C Tema 6: Control de reactores químicos 48/61 Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos Carga SP Carga SP Reactivos A+B Reactivos A+B Reactivo A Reactivo A Plantas Químicas Balance no ¿Algún garantizado problema? Reactor Reactor Reactivos A+B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Operación de separación Depósito de A+B Reactivo s A+B LIC Producto + Reactivos A y B no reaccionados Alimentación fresca de B Operación de separación b) a) Tema 6: Control de reactores químicos AIC Alimentación fresca de B Producto C Producto C Depósito de A+B 49/61 Ctrl. Calidad. Reciclo 2 reactivos Carga SP Reactivo s A+B Reactivos A+B Reactivo A Reactivo A Plantas Químicas AIC Puede presentar el efecto ¿Algún bola de nieve problema? Reactor AIC Reactivo B Reactivo B Carga SP Reactivos A+B Producto + Reactivos A y B no reaccionados Operación de separación Producto C c) Reactor Producto + Reactivos A y B no reaccionados Depósito de A+B Reactivos A+B Operación de separación Producto C d) Tema 6: Control de reactores químicos Depósito de A+B Plantas Químicas Reactor de flujo pistón Tema 6: Control de reactores químicos 50/61 Plantas Químicas 51/61 Tema 6: Control de reactores químicos 52/61 Problemas de funcionamiento Hot Spot Plantas Químicas 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. Tema 6: Control de reactores químicos 53/61 Plantas Químicas 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. Tema 6: Control de reactores químicos 54/61 Plantas Químicas Control selectivo por temperatura máxima Tema 6: Control de reactores químicos 55/61 Control selectivo Plantas Químicas • 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 Tema 6: Control de reactores químicos 56/61 Plantas Químicas Control por enfriamientos intermedios Tema 6: Control de reactores químicos 57/61 Plantas Químicas Control por inyección directa de reactivo Tema 6: Control de reactores químicos Reactor batch Procesos discontinuos (farmacia, plásticos) Con operaciones de puesta en marcha y parada diarias (el control tiene que intentar minimizar su duración). Plantas Químicas 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). Tema 6: Control de reactores químicos 58/61 59/61 Plantas Químicas Reactor semi batch Tema 6: Control de reactores químicos 60/61 Control por rango partido 100 Apertura de válvula % V2 0 V1 Plantas Químicas 3 Tema 6: Control de reactores químicos V1 V2 9 Salida del Controlador (OP) en psi 15