Columna de Destilacion

Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera1 ndice Resumen y alcance del proyecto 2 1.Control de columnas de destilacin 1.1 Tipos de columnas 1.2Tipos de condensadores y hervidores 1.2.1Hervidores 1.2.2Condensadores 1.3 Restricciones operativas en columna, condensador y hervidor. Ventana de operacin 1.4 El problema de control 1.4.1Variables en un problema de control 1.4.2Interacciones entre lazos 1.5 Anlisis del rgimen permanente 1.5.1Grados de libertad 1.5.2Perfiles de composicin y temperatura 1.5.3Simulacin esttica en Aspen Plus 1.6 Simulacin dinmica con Aspen Dynamics 1.7 Estrategias de control 1.7.1Estrategias de control descentralizado1.7.2Estrategias de control centralizado 3 4 6 6 13 19 24 25 27 29 29 30 33 34 37 37 51 2.Control de una columna binaria para la separacin de etanol y agua 2.1 Definicin de objetivos 2.2 Estrategias empleadas y discusin de resultados 2.3 Conclusiones 54 55 57 74 3.Control de una columna regeneradora de aceite trmico 3.1 Definicin de objetivos 3.2 Estrategias empleadas y discusin de resultados 3.3 Conclusiones 76 77 79 96 Bibliografa 97 Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera2 Resumen y alcance del proyecto El control de columnas de destilacin es un tema que ha sido estudiado durante muchos aos debido a que la destilacin es una de las operaciones de separacin ms empleada enlosprocesosindustriales.Portantoenesteproyectoseutilizarpartedetodoese materialdeestudioparaelaborarlamejorestrategiadecontrolbasadaenlazos individuales(descentralizado)paracadaunadelasdoscolumnasconlasquesevaa trabajar en este proyecto. La primera de las columnas se utiliza para separar una mezcla binaria de etanol y agua en dos corrientes: la corriente de producto de fondo que debe ser prcticamente pura en agua y la de destilado que estar limitada por el azetropo que se da para un 81% molar deetanol.Dichacolumnarequierepuescontrolarlascomposicionesdeambos productos,locualimplicabaquepudieranhaberproblemasdeinteraccionesentre amboscontroladores,porloquesehizounanlisiscompletodeevaluacinde interaccionesconelquesedeterminelmejoremparejamientoposible.Trasellose probaron tres estrategias de control con ayuda del programa Aspen Plus Dynamics que permitesimularelcomportamientodelasmismasantediferentesperturbacioneso cambiosenlospuntosdeconsigna.Unavezrealizadaslassimulacionessepudo determinar cul de las tres estrategias de control propuestas era la que mejor alcanzaba los objetivos de control propuestos.Lasegundacolumnaseutilizapararegenerarunaceitetrmicoprocedentedeuna plantasolar,elcualdebidoalasaltastemperaturasalasqueseveexpuestose descomponeenunaseriedeproductosorgnicosquenoconservansuspropiedades caloportadoras.Dichacolumnacuentacontrescorrientesdeproductos,unaconel aceitetrmicoregenerado,ydosqueestncompuestasporlosproductosdela degradacin.Deestasdosporlacorrientedeproductodefondoseescapapartedel aceitetrmico,portantohabaquecontrolarquelacomposicindeaceitetrmicoen esacorrientenofuesesuperioraunadeterminada.Debidoaquenosepodamedirla composicin en dicha corriente sta se infiri mediante una medida de la temperatura en uno de los platos. Para determinar que plato era el ms adecuado se realizaron una serie de pruebas recomendadas por Luyben [2], obtenindose dos alternativas viables. Una de ellasconsistaencontrolarlatemperaturaenelplatodocemientrasqueenlaotrase controlaba la temperatura en el hervidor, siendo en ambos casos el caudal de extraccin lateral la variable manipulada. Luego con cada una de esas alternativas se propuso una estrategiadecontrol,lacualfuesimuladaconayudadelprogramaAspenPlus Dynamics. Tras analizar los resultados arrojados por las simulaciones se pudieron sacar conclusiones sobre qu estrategia cumpla mejor los objetivos de control propuestos. Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera3 Captulo 1 Control de columnas de destilacin Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera4 1.1 Tipos de columnas Existe una gran variedad de tipos de columnas de destilacin en funcin de las distintas separaciones para las que han sido diseadas. Por tanto se pueden clasificar de muchas maneras; pero en este proyecto interesan aquellas que sean relevantes desde el punto de vista de control. Teniendo esto presente se han clasificado segn: La alimentacin procesada Aqu se distinguen dos tipos: binaria y multicomponente. Las columnas binarias sonaquellascuyaalimentacinestcompuestapordoscomponentes,mientras quelascolumnasmulticomponentetienenunaalimentacincompuestaportres componentes o ms. La cantidad de corrientes de producto y alimentaciones que tenga Haydostipos:simpleoconmltiplesextracciones.Lacolumnasimplees aquella que solo tiene una corriente de alimentacin y dos de producto: destilado ycolas.Lacolumnaconmltiplesextraccionesyalimentacionespuedetener variasalimentacionesendistintasetapasparaobtenerunmayorgradode fraccionamiento;tambinpuedepresentarmltiplesextracciones,comopor ejemplolascolumnasquefraccionanlacorrientedealimentacinenvarios productosdiferenciados;cuandohayuncontaminantemuyvoltilenla alimentacin e interesa separarlo por cabeza y que el producto de inters sea un productolateral;otambincuandoesnecesariorealizarenfriamientoso calentamientos intermedios a lo largo de la columna. Tipo de contacto Haydostiposdecontactos:poretapasoencontinuo,elprimeroseconsigue utilizandocolumnasdeplatos,mientrasqueelsegundoseconsigueconeluso columnas de relleno. Lacolumnadeplatostieneensuinteriorunaseriedeplatosenloscualesse produceelcontactoentrelafasegasylafaselquida.Generalmenteseusa cuando el dimetro de la columna es superior a 0,75 m y el nmero de etapas es mayor de20 o 30. Alahoradesudiseosondeterminantesaspectostalescomoloscaudalesde lquidoydevapor,lascondicionesdeoperacin,elrgimendeflujodeseado, dimetro y rea del plato, tipo de plato, superficie de burbujeo, rea del bajante, nmerodepasosyespaciamientoentreplatos,yporltimoundiagrama preliminar que muestre la disposicin de los platos y sus bajantes. Losregmenesdeflujodebenserestudiadosconmuchodetenimiento,losdos mscomunessonelsprayregimeyelfrothregime.Estospuedenafectar negativamente a la calidad de determinadas estrategias de control. Por ejemplo si la columna opera en froth regime y vara su punto de operacin, ya sea debido a una perturbacin o a un cambio de especificacin de producto, puede suceder Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera5 que el hervidor presente respuesta inversa, ya que ante un aumento del caudal de vaporascendente,laespumaformadaenelplatodisminuirsudensidad haciendo que parte de ella rebose por el bajante y consecuentemente aumente el nivel de lquido en el fondo de la columna, que es precisamente lo contrario que cabra esperar ante dicho aumento del caudal de vapor.Laprdidadecargaessuperioraladelascolumnasderelleno(10mbarpor etapa terica). Lacolumnaderellenotieneensuinteriorunrellenoquepermiteunbuen contacto entre la fase gas y la fase lquida. Loselementosquecomponenelrellenopuedenserdediferentestipos, escogidossegnlascaractersticasrequeridasporlaoperacindedestilacin: aleatorios o estructurados. Los rellenos aleatorios suelen utilizarse en sistemas con bajo caudal de lquido y de gas ya que evitan la formacin de espuma; y tambin debido a su baja prdida de carga (3-4 mbar por etapa terica equivalente) es posible su uso en sistemas a vaco aunque no son los ms recomendables. Losrellenosordenadospresentanunabajaprdidadecarga(1,5-2mbarpor etapatericaequivalente)yunaaltaeficiencia,loqueloshaceserlosms utilizadosensistemasavacoyenotrosnoespumososconbajocontenidoen slidos. Porltimodestacarqueporproblemasestructuralesnosesuelenusarestas columnas para operaciones que requieran un dimetro de columna superior a 0,9 m y/o una altura de relleno superior a 6 m. Comocomparacinentreambassehaprobadoquelapuestaenmarchadela columnadeplatosesmuchomslentadebidoaqueelcaudaldereflujo inicialmente es pequeo y se evapora antes de llegar al fondo de la columna, lo cualretrasamuchosuestabilizacinyalahoradealcanzarelrgimen permanente. Esto no suele suceder con las columnas de relleno. En ambas se produce tambin el hecho de que el producto de cabeza alcanza su especificacin mucho ms rpido que el de colas. Desde el punto de vista de control la diferencia ms importante es que el tiempo que tarda el caudal de lquido en llegar desde el tanque de reflujo hasta el fondo decolumnaesmayorenelcasodelascolumnasdeplato(delordende0,1 minutoporplato)queeneldelasderelleno.Estoimplicaquesihayque controlarelniveldelquidoenelfondodelacolumnaolacomposicindel producto de fondo manipulando caudal de destilado o de reflujo la dinmica ser muy lenta y por tanto la calidad de control se ver afectada. Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera6 1.2 Tipos de condensadores y hervidores Condensadoryhervidorsonloselementosprincipalesquepermitenrealizarla operacin de destilacin. El hervidor es un intercambiador de calor que permite aportar la energa necesaria para separar los componentes de la mezcla alimentacin creando una fase vapor a partir del lquido del fondo de la columna con un fluido caloportador. Elcondensadoresotrointercambiadordecalorquepermiteextraerenergadelvapor quesaleporlacabezadelacolumnaparacondensarloyasproducirunlquidoque parteserintroducidodenuevoenlacolumnacomoreflujoyparteseextraercomo producto destilado. Para ambos hay disponibles diferentes tipos que se seleccionan segn las caractersticas que sean necesarias para cada columna en particular. A continuacin se enumerarn los tipos ms representativos, as como las caractersticas que los definen. 1.2.1 HervidoresTermosifn vertical de circulacin natural Esteeseltipomsutilizadoendestilacin.Consigueunaltocoeficientede transferencia de calor; presenta una baja tendencia al ensuciamiento y un bajo tiempo de residenciadellquidoenlazonacaliente;tieneuncostedeoperacinydeinversin bajo;yescompacto,locualsignificaquerequierepocoespacioypresentauna disposicin simple de las tuberas.Portodoloanterioreseltipopreferidoendestilacin,anoserqueotroaportealguna ventaja distinta y de mayor peso para una columna en particular. Algunos ejemplos en donde se prefieren otros tipos de hervidor: -Cuando se requiere que ellquido se recircule mediante circulacin forzada. -Cuando el fluido calefactor es un fluido sucio y se requiere su paso por los tubos, lo cual no se puede conseguir con este tipo de hervidor. -Cuandounaltogradodefiabilidadenlaoperacinesprioritario.Losde circulacin forzada y los kettle son ms fiables. -Cuandolaalturadelquidoesinsuficienteoproveerlaesdemasiadocaro.Otros tipos requieren una altura de lquido menor. Debidoaquetrabajanmediantecirculacinnatural,mantenerunnivelconstantedel fondo de la columna es de gran importancia. Si el nivel de lquido de fondo es muy bajo esto provocar un flujo de lquido muy lento haciendo que se vaporice nada ms entrar enelhervidor.Estoasuvezcrealoquesedenominaunflujodenieblaenelcualel vaporarrastragotasdelquido,loqueprovocaundecaimientobruscodela transferencia de calor, afectando a su vez al material del hervidor, al ensuciamiento y a lasjuntas.Siporelcontrarioelnivelesaltoelflujodelquidotambinloser, Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera7 provocandolainundacindelhervidor.Estoconllevaunaprdidadecapacidadde transferencia de calor as como problemas de inestabilidad en el fondo de la columna o golpes de ariete. Figura 1.2.1 Termosifn vertical Termosifn horizontal de circulacin natural Encomparacinconelanterior,eltermosifnhorizontalgeneralmenterequierems tuberasyespacioparasuinstalacin;presentaunamenorfiabilidad;tieneunamayor tendencia al ensuciamiento, y habitualmente un coste superior. Susventajastienenunmayorpesoquelaslimitacionesanterioresenlossiguientes casos: -Cuandoserequiereungranreadeintercambioqueesdifcildeconseguirconun termosifn vertical. -Cuando es beneficioso el uso de tubos mejorados con aletas en la zona de ebullicin. -Cuando se prefiere el paso por los tubos del fluido calefactor debido a su suciedad. -Cuando la altura de lquido requerida enel fondo de la columna por un termosifn vertical para que ste circule de forma natural es demasiado grande. -Cuando es deseable maximizar la velocidad de circulacin o minimizar la elevacin del punto de ebullicin debido a la carga de lquido (por ejemplo en sistemas a vaco destilando compuestos sensibles a la temperatura). Paraestoshervidoressedebentenerencuentalasmismasconsideracionesde controlabilidad que para los de tipo termosifn vertical. Control de Columnas de Destilacin Proyecto fin de carrera Sergio Jess Navas Herrera8 Figura 1.2.2 Termosifn horizontal Hervidor de circulacin forzada Estoshervidoressuelenevitarsedebidoalcostedelabombaylosproblemasdefugas asociados a las mismas. Sin embargo este tipo de hervidor se prefiere en los siguientes casos: -Con sistemas que trabajan con lquidos muy viscosos (> 25 cP), donde el lquido no puede circular de forma natural a travs del hervidor. -Cuando el hervidor se encuentra a una distancia considerable de la columna. -Ensistemasavaco(