Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN Autora: Gloria García Armario Tutor: Daniel Limón Marruedo Dep. Ingeniería de sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017
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Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
MODELADO Y CONTROL AVANZADO
DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
Autora: Gloria García Armario
Tutor: Daniel Limón Marruedo
Dep. Ingeniería de sistemas y Automática
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE
UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
Autora:
Gloria García Armario
Tutor:
Daniel Limón Marruedo
Profesor titular
Dep. de Ingeniería de Sistemas y Automática
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2017
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Proyecto Fin de Carrera: MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE
DESTILACIÓN
Autor: Gloria García Armario Tutor: Daniel Limón Marruedo
El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2017
El Secretario del Tribunal
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A mi familia
A mis amigos
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AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, me gustaría agradecer a mi tutor, Daniel Limón Marruedo, por toda la
atención y la ayuda prestada, sin las cuales este trabajo no habría sido posible.
Agradecer también, de todo corazón, a mi familia y a mis amigos más cercanos, pues han sido
esenciales, sobre todo por su apoyo en los momentos de flaqueza.
A veces, una sonrisa es el mejor de los alicientes.
Gloria García Armario
Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
Sevilla, 2017
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RESUMEN
El presente trabajo tiene como objeto crear un modelo de simulación de una columna de
destilación específica, situada en el laboratorio del departamento de Ingeniería de Sistemas y
Automática.
Para ello, nos ayudaremos del software de simulación Aspen HYSYS, que ofrece una gran
variedad de recursos para simular procesos de la industria química. De tal forma, se hará un
estudiar el proceso químico en cuestión seguido de un desglose de las funcionalidades de la
herramienta HYSYS.
En última instancia, se hallará un modelo dinámico listo para diseñar distintas estrategias de
control que se puedan aplicar a la columna real. Como base para dicho modelo dinámico, se
construirá otro modelo en estático, algo más complejo, que represente el proceso real.
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ABSTRACT
The aim of this Project is building a simulation model for a specific distillation column, located
in one of the Systems and Automatics Engineering Department laboratories
We will be using Aspen HSYSYS software, which allows the user to create a wide range of
different processes within chemical industry. We will also focus on the basis of the distillation
process and the functions of HYSYS that may be needed.
In the end, we will create a dynamic model so that different control strategies can be tested on
it. We will use a previous steady-state model as the first step in modeling, providing us with
some required parameters, even though the steady state model is a little more complex in
order to implement the real features in the column.
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1: DIAGRAMA DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR DE AGUA Y ETANOL A 1 ATMÓSFERA. .......................................... 18
FIGURA 2: ESQUEMA GENERAL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN. .......................................................................... 19
FIGURA 3: ESQUEMA DE UNA CAMPANA DE BORBOTEO. (1)..................................................................................... 21
FIGURA 4: ESQUEMA DE UN PLATO DE VÁLVULAS. (1) ............................................................................................. 21
FIGURA 5: REPRESENTACIÓN DE UN PLATO PERFORADO. (1) .................................................................................... 21
FIGURA 6: PLATO DE LA PLANTA BAJO ESTUDIO...................................................................................................... 22
FIGURA 7: IMAGEN DE LA PLANTA. ...................................................................................................................... 24
FIGURA 8: ESQUEMA DE LA PLANTA. ................................................................................................................... 25
FIGURA 9: CALDERÍN. ....................................................................................................................................... 27
FIGURA 10: PLATOS EN LA COLUMNA Y SUS SENSORES. ........................................................................................... 27
FIGURA 11: CONDENSADOR. ............................................................................................................................. 28
FIGURA 12: ROTÁMETRO. ................................................................................................................................. 28
FIGURA 13: ACUMULADOR. .............................................................................................................................. 29
FIGURA 14: VÁLVULA DE TRES VÍAS. .................................................................................................................... 29
FIGURA 15: BOMBA DE ALIMENTACIÓN. .............................................................................................................. 29
FIGURA 16: ZONA DE ALIMENTACIÓN. ................................................................................................................. 29
FIGURA 17: UNIÓN CONDENSADOR-CABEZA DE LA COLUMNA. ................................................................................. 30
FIGURA 18: CICLO DE LA VÁLVULA DE TRES VÍAS. ................................................................................................... 31
FIGURA 19: VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA CON LA POTENCIA DEL CALDERÍN. ........................................................... 35
FIGURA 20: VENTANA DE INICIO DE HYSYS. ......................................................................................................... 36
FIGURA 21: ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES. ...................................................................................................... 37
FIGURA 22: ELECCIÓN DE PAQUETE TERMODINÁMICO. ........................................................................................... 38
FIGURA 23: PESTAÑA DE LOS COEFICIENTES BINARIOS. ............................................................................................ 38
FIGURA 24: VENTANA DE SIMULACIÓN. ............................................................................................................... 39
FIGURA 25: VENTANA DE ANÁLISIS DE SEGURIDAD. ................................................................................................ 39
FIGURA 26: VENTANA DE ANÁLISIS ENERGÉTICO. ................................................................................................... 40
FIGURA 27: ELEMENTO COLUMNA DE DESTILACIÓN. ............................................................................................... 44
FIGURA 28: ELEMENTO COLUMNA DE ABSORCIÓN. ................................................................................................ 45
FIGURA 29: ELEMENTO BOMBA. ........................................................................................................................ 45
FIGURA 30: ELEMENTO VÁLVULA........................................................................................................................ 45
FIGURA 31: ELEMENTO CONDENSADOR. .............................................................................................................. 46
FIGURA 32: ELEMENTO SEPARADOR. ................................................................................................................... 46
FIGURA 33: ELEMENTO RECICLO. ........................................................................................................................ 46
FIGURA 34: ELEMENTO DIVISOR. ........................................................................................................................ 47
FIGURA 35: ELEMENTO MEZCLADOR. .................................................................................................................. 47
FIGURA 36: DIAGRAMA DE REFLUJO. ................................................................................................................... 48
FIGURA 37: CASE STUDY. ................................................................................................................................. 49
FIGURA 38: MODELO COMPLETO EN ESTÁTICO. ..................................................................................................... 55
FIGURA 39: TAMAÑOS EN LA TORRE.................................................................................................................... 56
FIGURA 40: TAMAÑO DEL CONDENSADOR. ........................................................................................................... 56
FIGURA 41: TAMAÑO DEL CALDERÍN. .................................................................................................................. 56
FIGURA 42: PARTES DE UN PLATO. (7) ................................................................................................................ 57
FIGURA 43: DIMENSIONADO DE VÁLVULA. ........................................................................................................... 58
FIGURA 44: CAMBIOS EN TOLERANCIAS Y MÉTODO DE RESOLUCIÓN........................................................................... 58
FIGURA 45: VÁLVULAS EXTERNAS. ...................................................................................................................... 59
FIGURA 46: VÁLVULA Y BOMBA PARA EL REFLUJO. ................................................................................................. 59
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FIGURA 47: CONTROLADORES I. ......................................................................................................................... 61
FIGURA 48: CONTROLADORES II. ........................................................................................................................ 61
FIGURA 49: VARIABLES EXPORTADAS E IMPORTADAS. ............................................................................................. 62
FIGURA 50: HOJA DE CÁLCULO. .......................................................................................................................... 62
FIGURA 51: SP REMOTO. .................................................................................................................................. 63
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ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: DESCRIPCIÓN DE VÁLVULAS DEL SISTEMA ................................................................................................. 26
TABLA 2: DISTRIBUCIÓN TERMOPARES ................................................................................................................. 26
TABLA 3: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN, R=2 Y P=1KW. .............................................................................. 33
TABLA 4: TEMPERATURAS PARA R=2 Y P=1KW. ................................................................................................... 33
TABLA 5: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN Y P=1KW. ...................................................................................... 34
TABLA 6: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN Y R=2. ........................................................................................... 34
TABLA 7: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO I. ............................................................................................................ 50
TABLA 8: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO II. ........................................................................................................... 50
TABLA 9: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO III. .......................................................................................................... 51
TABLA 10: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO IV. ........................................................................................................ 51
TABLA 11: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO V. ......................................................................................................... 52
TABLA 12: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VI. ........................................................................................................ 52
TABLA 13: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VII. ....................................................................................................... 53
TABLA 14: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VIII. ...................................................................................................... 53
TABLA 15: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO IX. ........................................................................................................ 54
TABLA 16: PARÁMETROS FINALES DE LOS CONTROLADORES. .................................................................................... 62
TABLA 17: COMPARATIVA CASO BASE ENTRE PLANTA REAL Y MODELO DINÁMICO. ........................................................ 63
TABLA 18: EFECTO DE VARIAR EL CAUDAL DE ENTRADA EN LA PLANTA ORIGINAL. .......................................................... 64
TABLA 19: EFECTO DE VARIAR EL CAUDAL DE ENTRADA EN EL MODELO DINÁMICO. ....................................................... 64
TABLA 20: EFECTO DE VARIAR LA POTENCIA DEL CALDERÍN EN LA PLANTA ORIGINAL. ..................................................... 64
TABLA 21: EFECTO DE VARIAR LA POTENCIA DEL CALDERÍN EN EL MODELO DINÁMICO.................................................... 65
TABLA 22: EFECTO DE VARIAR LA RELACIÓN DE REFLUJO EN LA PLANTA ORIGINAL. ........................................................ 65
TABLA 23: EFECTO DE VARIAR LA RELACIÓN DE REFLUJO EN EL MODELO DINÁMICO. ...................................................... 65
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo la creación de un modelo para la
simulación de la columna de destilación que dispone el departamento de Ingeniería de
Sistemas y Automática en uno de sus laboratorios. Se trata de una columna de dimensiones
pequeñas que fue concebida para pruebas a pequeña escala en un entorno totalmente
académico.
Se tratará de conseguir un modelo dinámico que represente en la mayor medida posible, el
comportamiento de la misma. Para ello se hará uso de Aspen HYSYS, una herramienta de
simulación de procesos químicos que cada vez cuenta con más adeptos a nivel mundial.
Para ello, primero se ha revisado el proceso de destilación que se quiere modelar.
Posteriormente, se presentan los distintos elementos que conforman la planta real.
La creación del modelo se ha realizado en dos fases: en la primera, se ha desarrollado un
modelo estático de la planta y se ha validado con modelos experimentales. Realizado este
modelo, se ha extendido a modo dinámico, mucho más complejo, pues requiere la elección y
diseño de los controladores de bajo nivel que garanticen un comportamiento dinámico
estable.
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CAPÍTULO 2: LA DESTILACIÓN. FUNDAMENTOS.
2.1-INTRODUCCIÓN
La destilación es un proceso de separación de los componentes que conforman una mezcla. La
base de la destilación es el equilibrio de fases, específicamente el equilibrio vapor-líquido y, en
algunos casos, el equilibrio vapor-líquido-líquido. La destilación solo puede efectuar la
separación de componentes químicos si las composiciones de las fases líquida y vapor que se
encuentren en equilibrio son diferentes.
Veamos dos conceptos que tienen un papel relevante en el proceso de la separación: la
presión de vapor y la volatilidad relativa.
La presión de vapor es una propiedad física de un componente puro. Se trata de la presión que
un componente puro ejerce a una temperatura dada cuando están presentes tanto la fase
líquida como la gaseosa. Solo depende de la temperatura, suele ser una dependencia fuerte,
con un incremento exponencial al aumentar la temperatura.
La volatilidad relativa se define como el cociente entre la fracción molar de vapor partido de la
fracción molar líquida de cada componente:
A mayor volatilidad relativa, mayor facilidad en la separación.
2.2-EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR
El punto de ebullición de los componentes resulta el parámetro crítico en los procesos de
destilación. Son los datos del equilibrio líquido vapor los que determinan la altura de la
columna para un cierto grado de separación. Las gráficas de equilibrio líquido-vapor se
construyen a partir de los diagramas de punto de ebullición. Estas gráficas muestran el punto
de burbuja y el de rocío de una mezcla binaria a una presión constante.
Un aspecto importante en destilación es si nos encontramos ante una mezcla aceotrópica. Un
aceótropo es una mezcla líquida que, al evaporarse, produce la misma composición que el
líquido. Un aceótropo que contiene una fase líquida en contacto con vapor se denomina
aceótropo homogéneo. Un aceótropo homogéneo no puede separarse con la destilación
convencional. No obstante, la destilación de vacío se puede usar, ya que las bajas presiones
pueden cambiar el punto aceotrópico. Otra posibilidad es añadir una sustancia adicional para
mover el aceótropo a una posición más favorable. Cuando esta sustancia aparece en
cantidades apreciables a la cabeza de la columna, la operación se denomina destilación
aceotrópica. Cuando el componente adicional aparece en su mayoría en el fondo de la
columna, la operación se llama destilación extractiva.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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En el presente trabajo nos serviremos de una mezcla de etanol y agua (mezcla aceotrópica),
siendo sus diagramas de equilibrio los que se muestran a continuación (a una presión de 1
atmósfera).
Figura 1: Diagrama de equilibrio líquido-vapor de agua y etanol a 1 atmósfera.
Como puede apreciarse, a partir de unas concentraciones en el líquido de 80% molar de
etanol, no es posible conseguir en la fase vapor más pureza por mucho que se incremente la
temperatura.
2.3-PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
La destilación se define como el proceso en el que una mezcla líquida o vapor de dos o más
sustancias se separa en fracciones de sus componentes de una pureza deseada, aplicando o
extrayendo calor. El proceso se basa en el hecho de que el vapor de una mezcla en ebullición
será más rico en el componente con menor punto de ebullición (el más volátil). Por tanto,
cuando este vapor se enfríe o condense, el resultado contendrá más componentes volátiles. Al
mismo tiempo, la mezcla original tendrá más cantidad del componente menos volátil.
Cuando la diferencia entre los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla es
grande, se puede conseguir una separación de buena calidad fácilmente mediante una
destilación en una sola etapa (destilación simple, la que se emplea en los alambiques, por
ejemplo). Si los puntos de ebullición varían solo ligeramente, es probable que se requieran más
etapas para un mismo grado de separación. En la mezcla más simple de dos líquidos
mutuamente solubles con estructuras químicas similares, la capacidad para evaporizarse de
cada uno no varía con la presencia del otro. El punto de ebullición de una mezcla 50-50, por
ejemplo, estaría a medio camino entre los puntos de ebullición de las sustancias puras, y el
grado de separación alcanzado en una destilación simple (de una etapa) dependerá solamente
de la capacidad de cada sustancia de evaporarse a dicha temperatura (Ley de Raoult).
Si se calientan dos líquidos indisolubles, cada uno permanece independiente a la presencia del
otro y se evapora hasta un límite determinado solo por su propia naturaleza. Dicha mezcla
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siempre hierve a una temperatura más baja que a la que lo haría cada sustancia por separado.
Este efecto se puede aplicar a sustancias que resultarían dañadas por un sobrecalentamiento si
se destilara a la antigua usanza. También se puede llevar a cabo la destilación a temperaturas
inferiores a su punto de ebullición normal mediante una evacuación parcial en la columna. A
menor presión, menor temperatura de destilación.
2.4-ESTRUCTURA GENERAL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
Hay varios componentes importantes en una columna de destilación que se encargan de
transferir energía en forma de calor o mejorar la transferencia de materia. Típicamente son:
-Una carcasa vertical en la que se produce la separación de los componentes líquidos.
-Platos/bandejas o rellenos que aumentan la separación de componentes.
-Reboiler o calderín que suministra la energía para llevar a cabo la evaporización necesaria
para el proceso de destilación.
-Un condensador que enfría y condensa el vapor que abandona la cabeza de la columna.
-Un acumulador de reflujo en el que se recoge el destilado. Parte de este líquido se vuelve a
introducir en la columna (reflujo).
Figura 2: Esquema general de una columna de destilación.
La mezcla líquida que se procesa se denomina alimentación. Normalmente se introduce cerca
del centro de la columna, en el plato denominado etapa de alimentación. La etapa de
alimentación divide la columna en la zona de enriquecimiento (parte superior) y en la zona de
agotamiento (parte inferior). La alimentación fluye descendentemente por la columna hasta
llegar al calderín. Se suministra vapor al calderín para generar vapor. Este vapor generado se
reintroduce en el fondo de la columna. El líquido que abandona el calderín es conocido como
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producto de fondo. El vapor asciende por la columna y al salir por la parte superior de la
unidad, un condensador se encarga de enfriarlo. El condensado es almacenado en un
recipiente llamado acumulador de reflujo. Parte de este líquido se devuelve a la cabeza de la
columna y se llama corriente de reflujo. El líquido condensado que se retira del sistema es lo
que se conoce como producto de cabeza o destilado.
2.5-CLASIFICACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN
Existe una gran variedad de configuraciones para columnas de destilación, cada una diseñada
para realizar un tipo específico de separación. Un método simplificado de clasificar las
columnas es a partir de cómo operan. De esta forma, los dos grandes grupos son por lotes o
continuas. En la operación por lotes, la alimentación de la columna se introduce, como bien
indica su nombre, por porciones. Esto es, la columna se carga con una cantidad determinada
(un lote) y se lleva a cabo la destilación. Una vez alcanzada la separación deseada se introduce
una nueva carga en la corriente de la alimentación. Por el contrario, las columnas en modo
continuo procesan un flujo continuo de alimentación. No hay interrupciones, a menos que se
trate de algún fallo y se precise una parada. Son capaces de alcanzar grandes rendimientos y es
el tipo más común de los dos.
A su vez, las columnas continuas se pueden clasificar en distintas categorías según:
-La naturaleza de la alimentación. Columna binaria, con dos componentes, o columna
multicomponente, en cuya alimentación coexisten más de dos componentes.
-El número de corrientes de producto que tenga. Columnas multiproducto, cuando poseen
más de dos corrientes de producto.
-El lugar por el que sale la alimentación adicional en caso de que haga falta para ayudar con la
separación. Destilación extractiva, si la alimentación adicional aparece en la corriente de
producto de fondo, o destilación aceotrópica, cuando la alimentación adicional aparece en la
corriente de producto de cabeza.
-El interior de la columna. Columna de platos, cuando se incluyen platos de varios diseños para
retener el líquido para asegurar el contacto líquido-vapor y mejorar la separación, o columna
de relleno, cuando en lugar de platos se recurre a un relleno que efectúa el contacto entre el
vapor y el líquido.
2.6-TIPOS DE PLATOS
Los términos plato o bandeja son intercambiables. Hay muchos tipos de diseños de platos,
aunque los más comunes son platos de campana de borboteo, platos de válvula y platos
perforados.
Los platos con campana de borboteo tienen una especie de chimenea en cada agujero
y un “gorrito” que cubre el tubito. La tapa se coloca de modo que haya un espacio
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entre el tubito y la propia tapa para dejar paso al vapor. El vapor sube por la chimenea
y es dirigido hacia abajo por el “gorrito”, descargándose por las ranuras de la tapa y,
finalmente, burbujeando a través del líquido sobre el plato.
Figura 3: Esquema de una campana de borboteo. (1)
En los platos de válvula, las perforaciones están cubiertas por unas tapas móviles. El
vapor que fluye levanta las tapas, creando, de ese modo, una zona para el paso del
vapor. La tapa móvil hace que el vapor fluya horizontalmente hacia el líquido,
aportando una mezcla mejor que en los platos perforados
Figura 4: Esquema de un plato de válvulas. (1)
Los platos perforados son simplemente platos de metal con agujeros en ellos. El vapor
pasa hacia arriba y a través del líquido del plato. La disposición, número y tamaño de
los agujeros son parámetros de diseño. Debido a su eficiencia, amplio rango de
operación, facilidad de mantenimiento y factores de coste, los platos perforados y de
válvula han reemplazado a los platos de campana de borboteo en muchas
aplicaciones.
Figura 5: Representación de un plato perforado. (1)
El flujo de líquido y vapor a través de una columna de platos es complejo. El líquido cae por los
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bajantes por acción de la gravedad de un plato al inmediatamente inferior. Un rebosadero en
el plato asegura que siempre hay líquido y se diseña de modo que lo que se acumule tenga una
altura adecuada (para que por ejemplo las campanas de borboteo estén cubiertas de líquido).
El vapor asciende por la columna y se fuerza a pasar a través del líquido, por las aberturas de
cada plato. El área de paso de vapor en cada bandeja se conoce como área de bandeja activa.
El vapor más caliente fluye por el líquido del plato superior y transfiere calor al líquido.
Durante este proceso, parte del vapor se condensa añadiéndose al líquido de la bandeja. El
condensado, sin embargo, se vuelve más rico en el componente menos volátil que antes
estaba en el vapor. Además de eso, debido al calor que aporta el vapor, el líquido sobre el
plato hierve, generando más vapor. Este vapor, que se desplaza hacia el plato superior, es más
rico en el componente más volátil. Este contacto íntimo y continuo entre el vapor y el líquido
se produce en cada plato y permite la separación de componentes con un bajo punto de
ebullición y aquellos con un punto de ebullición superior. En esencia, una bandeja hace las
veces de mini columna. Cuantas más bandejas tenga una columna, mejor será la separación.
Figura 6: Plato de la planta bajo estudio.
Por otra parte, al aumentar el contacto entre el vapor y el líquido, se aumenta el grado de
separación en la bandeja. Esto implica que para el mismo grado de separación hacen falta
menos platos. Esto repercute en menos costes de construcción y consumo de energía. Los
platos por sí solos no siempre proporcionan el contacto íntimo perseguido. Por tanto, el diseño
de los platos suele ir acompañado de un relleno adicional. Los rellenos son objetos pasivos
cuyo único papel es aportar una superficie de contacto adicional entre el vapor y el líquido de
la columna, y hacerlo sin introducir una caída de presión excesiva. Un gran salto de presiones
significa que hace falta más energía para conducir el vapor ascendentemente por la columna,
lo cual aumentaría los costes de operación.
2.7-EFECTO DEL REFLUJO
Si el destilado se reintroduce en la columna a la salida del condensador haciendo que
descienda sobre una serie de platos a la vez que el vapor, a medida que asciende hacia el
condensador se burbujea en ese líquido en cada plato, el vapor y el líquido interactuarán de
manera que parte del componente más pesado (menos volátil) presente en el vapor
condensará y parte del componente más ligero (más volátil) del líquido se evaporará. La
interacción en cada plato es equivalente a una redestilación. Este proceso recibe varios
nombres en la industria entre los que destacan rectificación y destilación fraccionada.
A medida que aumenta la relación de reflujo mejora la separación y se necesitan menos
bandejas para alcanzar el mismo grado de separación. Esto es gracias a que se reintroduce un
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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flujo de líquido cada vez más rico en los componentes más volátiles. Bajo condiciones de
reflujo total, el número de bandejas necesarias es mínimo, a expensas de no tener caudal de
destilado. Por el contrario, en condiciones de reflujo mínimo se requieren infinitos platos para
llevar a cabo la separación deseada. Por otra parte, también hay que tener en consideración
que a mayor reflujo, mayor será el calor que tendrá que aportar el calderín.
2.8-EFECTOS NO DESEADOS
Una consideración crítica en el diseño de una columna de destilación es la condición del flujo
de vapor. Fenómenos indeseables de formación de espuma, arrastre, lloriqueo e inundación
pueden introducir significantes ineficiencias en la separación.
La formación de espuma se refiere a la expansión del líquido debido al paso de vapor. Aunque
de esa manera se favorece el contacto líquido-vapor, una expansión excesiva conduce a una
acumulación de líquido en la bandeja. En algunos casos, este efecto llega a ser tan grande que
la espuma se mezcla con el líquido del plato de arriba.
El arrastre se produce cuando el vapor que asciende se lleva consigo parte del líquido del plato
superior, provocado, al igual que la formación de espuma, por unos altos niveles de flujo de
vapor. Un arrastre excesivo puede desembocar en inundación.
El lloriqueo es un fenómeno producido por un caudal de vapor demasiado bajo. La presión
ejercida por el vapor es insuficiente para mantener el líquido en la bandeja. Por tanto, el
líquido comienza a filtrarse por las perforaciones de los platos. Un lloriqueo desmesurado
acaba en descarga. Eso es, el líquido de cada bandeja cae de lleno en el fondo de la columna
(efecto dominó) y la columna ha de ser reiniciada. Los factores que avisan del lloriqueo son
una caída de presión pronunciada en la columna y una reducida eficiencia de separación.
La inundación es debida a un flujo excesivo de vapor, provocando que el líquido sea arrastrado
ascendentemente a lo largo de la columna. El aumento de la presión debido al exceso de vapor
hace retroceder el líquido de los bajantes, ocasiona un incremento en el nivel de líquido
acumulado en el plato superior. Dependiendo del grado de inundación, la capacidad máxima
de la columna puede verse reducida notablemente. La inundación causa un incremento severo
en la presión diferencial de la columna y un decremento significativo en la eficiencia de
separación.
En resumen, muchos de los problemas anteriormente mencionados son consecuencia de un
flujo de vapor inadecuado. La velocidad del flujo de vapor es dependiente del diámetro de la
columna. A la hora de diseñar una columna, hay que tenerlo en consideración.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA
3.1-ESQUEMA GENERAL
El equipo está instalado en una estructura tubular de acero encajada sobre cuatro pies
ajustables.
Esta planta consta de una torre de platos perforados dividida en dos secciones de cristal que
contiene cuatro platos cada una. Cada sección está separada por una zona central de
alimentación dispuesta verticalmente para que se produzca un flujo líquido-vapor a
contracorriente. También incluye un calderín, dos tanques de 5 litros cada uno, una bomba de
alimentación peristáltica, un condensador, tanques de productos de fondo y de cabeza,
decantador o acumulador, una válvula de reflujo, un recipiente para almacenar el aceótropo,
una bomba de vacío y toda la instrumentación necesaria.
Además, todos los recipientes del sistema están conectados a una salida común de aire en la
parte de arriba del tanque de producto de cabeza. Este conducto está conectado por un tubo
al aire libre.
Figura 7: Imagen de la planta.
Además de cada uno de los elementos que se irán describiendo poco a poco, en la estructura
se incluye un conjunto de válvulas y de sensores que permiten un conexionado efectivo para la
operación. El esquema de los mismos es el que sigue:
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
25
Figura 8: Esquema de la planta.
A continuación, se enumeran las válvulas presentes, su función y su distribución en la planta.
Nombre de la válvula Localización Función
V1 Lateral del calderín. Con ella se regula la salida de
producto de fondo.
V2 Fondo del calderín. Para drenar el contenido del recipiente o tomar muestras
del producto.
V3 Conducto de reflujo.
Con ella drenamos el contenido de dicho conducto
o se toman muestras del destilado.
V4 Fondo del tanque de
destilado. Para drenar o tomar
muestras.
V5 Suministro de agua de
refrigeración. Regula el caudal de entrada
de refrigeración.
V6 Fondo de la columna. Junto con V7 permite medir
la caída de presión en la torre de platos. (Sin servicio).
V7 Cabeza de la columna. Junto con V6 permite medir
la caída de presión en la torre de platos. (Sin servicio).
V8 Fondo del recipiente de
dosificación de aceótropos.
Si se mantiene abierta se realizará una destilación
atmosférica.
V9 Válvula de reflujo.
Cuando se mantiene abierta regula la dosificación del
reflujo según el contador de la propia válvula.
V10 Fondo del decantador. Determina si el decantador
actúa como tal o como
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
26
acumulador.
V11 Fondo del tanque de producto de fondo.
Para tomar muestras o drenar el recipiente.
V12 Fondo del tanque de
destilado. Permite vaciar el contenido del recipiente en el calderín.
V13 No se encuentra instalada.
V14 Suministro de agua fría.
Permite el paso de agua fría hacia la bomba de vacío, en
caso de llevar a cabo una experiencia a presión
reducida.
V15 Bomba de vacío. Para regular el vacío
obtenido. Tabla 1: Descripción de válvulas del sistema
Los sensores de temperatura de que se disponen son todos termopares, situados en los platos
y en determinadas zonas estratégicas (T1 hasta T14). Los ocho primeros están situados en la
columna y miden la temperatura del líquido en cada plato.
La distribución de los termopares es la siguiente:
Nombre del sensor Localización dentro de la planta
T1 Plato superior de la columna (primero).
T2 Segundo plato.
T3 Tercer plato.
T4 Cuarto plato.
T5 Quinto plato (entrada alimentación).
T6 Sexto plato.
T7 Séptimo plato.
T8 Octavo plato (último).
T9 Líquido en el calderín.
T10 Vapor que llega al condensador.
T11 Entrada de agua de refrigeración.
T12 Salida de agua de refrigeración.
T13 Corriente de reflujo.
T14 Alimentación (después del intercambiador de
producto de fondo). Tabla 2: Distribución termopares
3.2-ELEMENTOS
3.2.1-CALDERÍN
El calderín está situado en la base de la columna, fabricado en acero inoxidable. Incorpora un
elemento calefactor sumergible. Para regular el nivel de líquido, en el exterior se encuentra
una pequeña columna de vidrio sobre la que se puede realizar un control visual y además, en
su interior se sitúa un sensor que previene de un recalentamiento del elemento calefactor en
caso de una operación mínima.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
27
Con él se pueden llevar a cabo tanto destilación continua como por lotes. En modo continuo, la
válvula V1 permanece abierta y el producto de fondo fluye del calderín a través de un
intercambiador al tanque de fondos. Con este intercambiador es posible precalentar la
alimentación de la columna redireccionándola a través de un serpentín que hace las veces de
refrigerador de producto de fondo en el que el calor se transfiere desde el producto que
abandona el calderín. Cuando se conecta directamente la alimentación fría, el producto del
calderín se puede enfriar haciendo pasar agua fría por el serpentín. Para la producción por
lotes, la válvula V1 se cierra de modo que el calderín se llene con la carga inicial, más o menos
10 litros, de mezcla binaria.
Tanto el calderín como la propia torre de platos están aislados para reducir las pérdidas de
calor.
Figura 9: Calderín.
3.2.2-TORRE DE PLATOS
La columna de cristal incorpora un total de ocho platos perforados de 50mm de diámetro
dividida en dos secciones. Los platos están unidos por una barra central y cada uno incorpora
un rebosadero y un tubito bajante que favorecen el intercambio líquido-vapor de las distintas
etapas. En el último plato de cada sección de la columna, esta interacción se lleva a cabo en un
tubo con forma de U.
Figura 10: Platos en la columna y sus sensores.
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28
3.2.3-CONDENSADOR
El vapor que sale del último plato pasa a un condensador que emplea agua como refrigerante, que
se hace pasar por un serpentín. Puede aislarse para permitir que se lleven a cabo balances de
calor. La carcasa del condensador incorpora una válvula de descarga de presión con el cometido
de proteger el sistema de un posible bloqueo y fallo de la refrigeración. El caudal de agua
refrigerante de entrada se controla con un rotámetro y el flujo se controla con una válvula de
diafragma. La alimentación de agua de refrigeración se conecta con boquilla de entrada y sirve
también para poner en funcionamiento la válvula de vacío cuando se requiere un funcionamiento
a baja presión. La válvula V14 controla el suministro de agua que le llega a la válvula de vacío.
Figura 11: Condensador.
Figura 12: Rotámetro.
3.2.4-ACUMULADOR
El condensado se recoge en un decantador de vidrio (básicamente es un separador de fases), el
cual es ignorado para ensayos de operación normal abriendo la válvula V10 (sin acumular
producto). Cuando se hace uso del decantador, la válvula V10 se cierra para que las tuberías para
el exceso y defecto de flujo puedan actuar.
Con la válvula V10 abierta, el condensado pasa directamente a través del decantador a la entrada
de la válvula de control de reflujo por ratio, la cual no es más que una válvula solenoide de tres
vías. Dependiendo de cómo se ajusten los temporizadores de reflujo, el condensado es dirigido
hacia la cabeza de la columna o hacia el tanque de almacenamiento de producto de cabeza. El
contenido de dicho tanque se puede drenar en el calderín y reusarse mediante la válvula V12.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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Figura 13: Acumulador.
Figura 14: Válvula de tres vías.
3.2.5-BOMBA DE ALIMENTACIÓN.
Nuestra alimentación es impulsada hacia la torre mediante una bomba y puede hacerse en tres
puntos: en el plato superior, en el quinto o en la parte inferior de la columna. La conexión más
habitual en los procesos de destilación es la zona intermedia.
La bomba tiene la capacidad de impulsar el líquido con una velocidad que varía entre las 0 y 300
rpm, siendo equivalente a un intervalo de flujo volumétrico que varía entre 0 y 300mL/min
aproximadamente.
Figura 15: Bomba de alimentación.
Figura 16: Zona de alimentación.
3.3-PECULIARIDADES Y ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA
Antes de pasar al modelado en HYSYS, hay que tener en cuenta las particularidades que hacen de
ésta, una columna diferente y cuyo modelado no es tan sencillo como pueda parecer a simple
vista.
Lo primero que llama nuestra atención al echarle el primer vistazo, es el tubo vertical que une la
cabeza de la columna con el condensador. Su función es la siguiente: hacer que la corriente de
reflujo vuelva a la columna por gravedad, sin necesitar de instalar una bomba. Para ello, sólo es
necesario colocar el condensador a una cierta altura, de modo que el condensado tenga la
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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suficiente presión para fluir de nuevo hacia el interior de la torre de platos. Sin embargo, el hecho
de no colocar una bomba acarrea graves consecuencias en lo que a pérdidas se refiere. A lo largo
del tubo fluye el vapor desde el primer plato y, si estuviéramos en un caso ideal, todo ese flujo
llegaría íntegro al interior del condensador. Ese caso ideal se alcanzaría teniendo un aislamiento
perfecto en las paredes del tubo que asegurara que el flujo de calor hacia el exterior fuera nulo.
Como no es así, la mayor parte del vapor se condensa en las paredes y desciende de nuevo al
primer plato, disminuyendo considerablemente el flujo de condensado con respecto al caso ideal.
Figura 17: Unión condensador-cabeza de la columna.
Por otra parte, la válvula de reflujo tampoco se puede reproducir tal cual es en la simulación. Se
trata de una válvula de tres vías que conecta el acumulador con el plato superior y el tanque de
acumulación de producto de cabeza. Para cada ciclo se fija el tiempo que la válvula conecta el
acumulador con la columna, produciéndose un reflujo total en ese período, y el resto del ciclo la
válvula uniría el acumulador con el tanque de producto destilado, reflujo nulo. No obstante,
dentro de la simulación se introducirá como parámetro el reflujo el cociente de los tiempos de
reflujo total y reflujo nulo. Por ejemplo, si se fija que durante seis segundos la válvula devuelva el
líquido a la columna y durante tres segundos lo deposite en el tanque de destilado, se dirá que el
reflujo es de 2.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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Figura 18: Ciclo de la válvula de tres vías.
Finalmente, hay que mencionar que el manómetro que ofrece la caída de presión de la columna
no se encuentra operativo, de modo que éste dato se inferirá a partir de las temperaturas del
líquido de los platos (sobre todo de la del de cabeza) y del calderín.
MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
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CAPÍTULO 4: DATOS EXPERIMENTALES PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL MODELO
En este capítulo se pretende caracterizar estáticamente la columna a partir de varios ensayos. Con
el perfil de temperaturas obtenidas en cada caso, ajustaremos el modelo en HYSYS. Se dispone de
tres parámetros sobre los que podemos actuar: corriente de alimentación (F), potencia del
calderín (P) y relación de reflujo (R). Los parámetros iniciales serán 45mL/min como flujo de
alimentación, 1 kW de potencia en el calderín y un reflujo de 2.
El objetivo de estos ensayos será obtener unas temperaturas para realizar el modelado estático
más fiable posible. Lo primordial será encontrar la caída de presión que se produce a lo largo de
los platos. Como escenarios, se dejará la potencia del calderín y el caudal de reflujo constantes y
se variará el caudal de alimentación (a 40mL/min y 50mL/min). Posteriormente, volviendo al
caudal inicial y manteniendo la potencia fija, se modificará la relación de reflujo (a 1 y a 3). Por
último, con el caudal de alimentación fijo y la relación de reflujo inicial, le llega el turno a la
potencia del calderín, que se moverá entre 0,8 y 1,2 kW.
La planta está conectada a un terminal en el cual, mediante LabView, se muestran en la interfaz las
distintas temperaturas. Dichas temperaturas se pueden almacenar a lo largo del tiempo en un
fichero para Matlab, lo que nos permite seleccionar los datos que nos interesan: una vez alcanzada
cierta estabilidad, podemos obtener la temperatura media de cada plato.
4.1-CONDICIONES DE PARTIDA.
Fijamos un caudal de alimentación de 45mL/min, un ratio de reflujo de 2 y una potencia de 1 kW
en el calderín.
Lugar del sensor Temperatura media (:C)
Primer plato 75.3129 Segundo plato 76.7818
Tercer plato 77.8531 Cuarto plato 79.4566 Quinto plato 81.6124 Sexto plato 82.9522
Séptimo plato 84.7414 Octavo plato 86.5472
Líquido del calderín 88.1070 Vapor hacia el condensador 77.5765
Entrada de agua de refrigeración
13.8339
Salida de agua de 18.6737
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refrigeración
Reflujo 35.4839 Alimentación 20.9181
Tabla 3: Temperaturas para F=45mL/min, R=2 y P=1kW.
4.2-VARIACIÓN EN EL CAUDAL DE ALIMENTACIÓN.
Se emplea un reflujo de 2 y una potencia de 1kW. Las temperaturas medias, en ⁰C, se recogen en
la siguiente tabla:
Lugar del sensor F=40mL/min F=50mL/min
Primer plato 76.5468 76.6579 Segundo plato 77.9638 78.0354
Tercer plato 78.8250 78.8007 Cuarto plato 80.3524 80.3669 Quinto plato 80.9299 80.9983 Sexto plato 82.2537 82.0604