Labo 4 de Instrumentos de Control

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFacultad de Ingeniería Química

ESTRATEGIAS DE CONTROL

DEL EQUIPO DE LA COLUMNA DE ABORCION

I. OBJETIVOS

Realización de una estrategia de control y un programa para la automatización del equipo de absorción del Laboratorio de Operaciones Unitarias.

II. INTRODUCCION

La automatización es un cambio de un sistema manual a uno computarizado, tiene como propósito poder mejorar la productividad, mejorar las condiciones de trabajo, realizar tareas difíciles.

La columna o torre de absorción es un dispositivo simple que consiste en un envolvente en forma de cilindro que tiene en su interior un plato de soporte para el material de empaque, un dispositivo de distribución de líquido, con un diseño tal que proporciona una irrigación eficaz del empaque.

III. FUNDAMENTO TEORICO

Absorción

Proceso donde ocurre una transferencia de masa desde la fase gaseosa hasta la fase liquida, en el cual uno o más de los componentes de una mezcla gaseosa pasa a un líquido en el que es soluble. El proceso inverso, donde ocurre la separación de uno de los componentes de una mezcla liquida por medio de un gas recibe el nombre de desorción.

La absorción puede ser química o física, según exista o no interacción química entre el soluto y el absorbente. La absorción es reversible, comúnmente, lo que permite combinar en una misma planta procesos de absorción y desorción, con vistas a regenerar el absorbedor para reutilizarlo y poder recuperar el componente absorbido muchas veces con elevada pureza.

Equipos de absorción

Los equipos mas corrientes en las operaciones de absorción son las torres rellenas y las columnas de platos, preferentemente las primeras, por presentar menor caída de presión.

Las torres de absorción pueden clasificarse del modo siguiente:

Superficiales Peliculares Relleno Burbujeo Pulverizadores

INSTRUMENTOS DE CONTROL Página 1


Torres rellenas

El equipo consiste esencialmente en una columna que posee un conjunto de cuerpos sólidos, que descansan sobre una rejilla con agujeros, los cuales permiten el paso de los fluidos.

La figura muestra una torre rellena típica, el flujo es a contracorriente, el gas entra por la parte inferior de la torre y se mueve ascendentemente y pasa a través de las capas de empaquetaduras o rellenos. El líquido entra por la parte superior de la torre y se distribuye uniformemente por toda la sección transversal de la torre con ayuda del distribuidor.

General mente el equipo no se llena por una capa de empaquetadura continua, sino que se divide el relleno en bloques de aproximadamente 1.5 a 3 m, con el propósito de evitar que el líquido se mueva preferentemente cerca de la pared y deje de mojar la zona central de la empaquetadura. Este fenómeno, perjudicial se denomina efecto pared.

Elección de las empaquetaduras o rellenos

Existen diversos cuerpos que se emplean como relleno para las torres empacadas. Las principales características que debe reunir un relleno para lograr una elevada eficacia en la transferencia de masa son:

Tener gran superficie especifica. Tener elevada porosidad. Proveer un buen contacto entre el gasa y el líquido. Ofrecer pequeña resistencia hidráulica al gas. Ser químicamente inerte respecto a los fluidos procesados. Poseer gran resistencia mecánica. Ser baratos.

Las empaquetaduras d tamaño pequeño poseen mayor superficie específica, lo cual permite disminuir la altura de trabajo del aparato, aunque originan una mayor resistencia hidráulica. Se utilizan preferentemente en torres que trabajan con presiones elevadas o cuando se requiere gran intensidad en la transferencia de masa. Los rellenos de mayor diámetro permiten disminuir el



diámetro de la torre y reducir el costo inicial de la misma, a pesar de que la altura del empaque sea relativamente mayor que el de los rellenos menudos. Cuando menor sea el tamaño del elemento, tanto mayor será la velocidad admisible del gas y por tanto, la capacidad de la torre. Debe cumplirse que el diámetro de la torre sea por lo menos ocho veces que el diámetro del elemento, para disminuir el efecto pared.

Los rellenos con diámetros menores que 50 cm se colocan en forma desordenada y en forma ordenada los de diámetro mayores.

Las torres de relleno flotante tienen una estructura especial, en las mismas los elementos del relleno son esferas de pequeña densidad que permanecen suspendidas en la corriente liquida. Este tipo de torre se emplea con líquidos contaminados.

Otro tipo especial es aquel que posee un sello hidráulico externo que permite regular la altura de una capa estacionaria de líquido en el empaque, con lo cual se garantiza que la torre opere en el régimen de emulsificación.

Las torres rellenas presentan las ventajas de tener estructuras más sencillas y tienen pequeña resistencia hidráulica, en general son más baratas que las de platos.

Las limitaciones son que no se le puede utilizar con líquidos sucios, presentan dificultad para extraer el calor evolucionado en el proceso, no se pueden emplear con pequeños gastos de líquidos, pues no se garantiza una buena densidad de irrigación.

IV. OPERACIÓN A REALIZAR

“Desorción Gaseosa”

Es una operación unitaria en la cual se pone en contacto una corriente liquida con una corriente gaseosa, con el fin de realizar la transferencia de uno de los componentes de la corriente liquida a la corriente gaseosa. Generalmente, esta operación se utiliza para la recuperación o eliminación del soluto.

EQUIPO DEL LABORATORIO



Parte frontal Parte posterior

Funcionamiento

Se regula el flujo de solución a tratar(NH3 - H2O) . Se regula el flujo de gas inerte(aire). controlado por el rotámetro La solución ingresa por la parte superior y el gas por la parte inferior Se controla el nivel de liquido en la columna. Se toma muestras cada 5min para titularlas hasta obtener la concentración de salida

estable.

Aplicaciones Industriales

Eliminación de gases atrapados o disueltos no deseados Tratamiento de aguas ácidas - eliminación de CO2 Eliminación de metano. La remoción de hidrocarburos ligeros de fracciones de petróleo. Eliminación de corrientes inorgánicos en solubles en agua en corrientes de aire. Como dispositivos de recuperación de productos valiosos. Eliminación de impurezas en productos de reacción.

CASO TOMATO COMO EJEMPLO “Planta de tratamiento Lago Tahoe”



Existen Tecnologías de Extracción por Arrastre de Aire (AIR STRIPPING)

La Remoción por Arrastre con Aire es para Nitrógeno (Amoniaco), Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), Trigal metanos (THM), sulfuros de hidrogeno y dióxido de carbono, entre otros.

En el Proceso consiste en un flujo de contracorriente de aire y agua (afluente a tratar) a través de una columna empacada con diferentes materiales de relleno( pero en nuestro caso es anillos raschig de ½’’, pues son datos de nuestra columna), que aseguran la transferencia entre la fase acuosa y gaseosa sea optima para permitir a los componentes volátiles moverse desde la corriente liquida hacia la corriente de Aire.

La Aplicación que realizaremos es de la extracción del amoniaco (eliminación) por arrastre con aire para el tratamiento de aguas residuales.

Un Ejemplo aplicable es de la Planta para tratamiento de amonio en el lago Tahoe. Con una capacidad de 53,460 L/m3 (400 gal/pie3), la torre de 7.3 metros (24 pies) usa un diseño de flujo transversal para tratamiento de un caudal de 28,390 m3/d (7.5 MGD).

La extracción de amoniaco por arrastre con air es un procedimiento mecanico y no produce retrolavados o materiales regenerados. La extracción de amoniaco por arraste con aire no puede hacerse a bajar temperaturas ( a menos) que se cuente con suficiente aire caliente). La niebla y la deposición de hielo tienen como resultado una reducción significativa en la remoción del amónico.

Recomendación:



Se recomienda el uso de esta técnica para la remoción de nitrógeno como amoniaco (NH3) en efluentes altamente concentrados, como por ejemplo purines de cerdo u otros similares. Se debería incluir un tratamiento posterior para remoción de nitrógeno disuelto (nitrito, nitratos, etc).

No se recomiendan columnas de altura superiores a los 10 metros.

V. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Planteamos un Problema a una pequeña escala con nuestros datos de nuestra propia columna empacada, el equipo está constituido por una columna de relleno de vidrio, con 1.2 metros de altura de relleno y con Anillos Rasching de cerámica de ½’’ y 4’’.

Como es la columna del laboratorio y se toman muestras cada 5 minutos, pero para automatizar dicha transferencia de masa del soluto en el liquido hacia el gas aire , se seguirá el procedimiento siguiente:

Como se quiere eliminar parte del amoníaco de una corriente de agua utilizando un proceso de desorción con aire saturado de agua. El contenido de amoníaco del agua de entrada es del 0,1% molar y se ha de reducir hasta un 0,002% molar. El Volumen necesario de aire es 10cm3/s a 25ºC y 1 atm necesario para procesar 1 cm3/s de agua amoniacal. La Aliminetacion de gas y liquido entran al mismo tiempo, después de 10 minutos operando, se cierra la entrada del liquido pero se sigue operando, luego de 10 minutos se apaga esta ultima entrada del gas y se queda en reposo por 10 minutos, luego se abre la valvula del gas por 7 minutos y seguidamente se abre el del liquido por 10 minutos, terminando la operación y nuevamente comienza la operación. Si el Nivel del Liquido sobre pasa los 10 cm (%AI1) , se realiza una descarga por 5 minutos. Rango del Sensor de Nivel es 0-20cm. Si la presión del Tanque sobrepasa los 3,0 atm (%AI2) , se abre la salida del gas por 2 minutos. Rango de presión 0 -10 atm



DIAGRAMA DE FLUJO DE PLANTA DE PRODUCCIÓN DE PECTINA



VI. INSTRUMENTACION PARA LAS ESTRATEGIAS DE CONTROL

PREGUNTAS PARA AUTOMATIZAR

a) ¿Cuál de las corrientes requiere un control ?Las corrientes que requieren de un control son: Flujo de NH3-H2O entrada y salida,. Flujo de alimentación de gas aire de salida

b) ¿Cuál de las corrientes tiene cambios mínimos de flujo?



El flujo de NH3-H2O, tiene un cambio mínimo debido a que sobrepasa el SP planteado en cl problema que son 10 cm.

c) ¿Qué tipo de sensores modernos podemos usar en el equipo del laboratorio para su automatización?

NIVEL.

Sensor a utilizar tiene que ser uno de detección continua además que aproveche las características eléctricas del líquido, pudiendo usar así un sensor capacitivo, ultrasónico, resistivo o de láser. Siendo el más indicado el capacitivo

Como elemento de control final reguladora de flujo usaremos una que module presiones relativamente bajas como una válvula de globo de simple asiento y de acción moderada.

PRESIÓN.

El elemento de medición primaria debe ser para gases y medios agresivos ya que se trata de una torre de absorción donde podemos trabajar gases agresivos por lo cual usaremos un medidor de presión diferencial en línea con su propio transmisor- transductor de presión.



Como elemento de control final reguladora de presión usaremos una que module presiones relativamente variables como una válvula de globo de simple asiento y de acción moderada.

FLUJOS.

Como elemento de medición primaria tendremos que usar un medidor de flujo de líquido y otro para gases que miden diferenciales de presión como son el de placa de orificio utilizable para ambos tipos de fluidos.

Como elemento de control final reguladora de flujo usaremos una que amplio rango de caudales relativamente altos como una válvula de diafragma de acción precisa que evite ruidos y vibraciones.

d) ¿Cómo se va a controlar la operación de desorcion?El equipo se va a controlar con el nivel para lo que es la salida del liquido y para la salida del gas con la presión interna de la columna empacada.Y para la entrada de los flujos se controla con un tiempo determinado.



VII. ESTRATEGIA

SALIDA DEL GAS (AIRE-NH3)-Estrategia Feed Back Control-Modo de control PID-Acción Directa-En caso de falla la válvula : Air to open

SALIDA DEL LIQUIDO (H2O – poco NH3)-Estrategia Feed Back Control-Modo de control PID-Acción Directa- En caso de falla la válvula : Air to open

ENTRADA DEL LIQUIDO Y GAS-Estrategia Cascada-Modo de Control PID-Acción Inversa- En caso de falla la válvula : Air to close

VIII. AUTOMATIZACION PRINCIPAL EN EL NIVEL, USO DEL LADDER



A) PROGRAMACIÓN LADDER

PROGRAMA LADDER PARA AUTOMATIZAR LA OPERACIÓN DE DESORCION DEL AMONIACO EN AGUA HACIA EL AIRE.

Resumimos el Planteamiento del Problema.

La Aliminetacion de gas y liquido entran al mismo tiempo, después de 10 minutos operando (se abren las válvulas V1 y V2), se cierra la entrada del liquido (V2 se cierra)pero se sigue operando, luego de 10 minutos se apaga esta ultima (V1 se cierra)entrada del gas y se queda en reposo por 10 minutos, luego se realiza abre la Valvula v4 por 7 minutos y seguidamente la valvula V3 por 10 minutos terminando el proceso. Si el Nivel del Liquido sobre pasa los 10 cm (%AI1) , se realiza una descarga (V3 se abre) por 5 minutos. Rango del Sensor de Nivel es 0-20cm. Si la presión del Tanque sobrepasa los 3,0 atm (%AI2), se abre la salida del gas(V4 se abre)por 2 minutos. Rango de presión 0-10 atm.

V1 =Q1 , V1 =Q2 , V3 =Q3 y V4=Q4

Escalamiento del Nivel (Rango 0-20cm y SP = 10cm)

Y(cm)=a+bX(cuentas) donde a = 0 y b=20−032000

=0.000625

Escalamiento de la Presion (Rango 0-10atm y SP =3,0 atm)

Y(atm)=a+bX(cuentas) donde a = 1atm y b=10−032000

=0.0003125





B) PROGRAMACION CON USO DEL PID

Buscamos la mejor sintonía para:

Escalamiento del Nivel (Rango 0-20cm y SP = 10cm <>16000cuentas)

Escalamiento de la Presion (Rango 0-10atm y SP =3,0 atm<>9600cuentas)

IX. BIBLIOGRAFÍA

CREUS SOLÉ A. - Instrumentación Industrial - 6° Edición – Alfaomega Grupo Editor – 1988 - Páginas 521 – 551.

http://www.sinia.cl/1292/articles-49990_10.pdf http://www.epamurcia.org/imagenes/info/2012427143259ELIMINACI

%C3%93N_DE_NITROGENO.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Desorption http://es.wikipedia.org/wiki/Proporcional_integral_derivativo


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