Automatización de la Columna de Destilación de Empaques de Una Planta Piloto Luis G. Fernández1, Fernando Hernández2, Marcela Castillo1, Agustín Cervantes1, Juan D. Martinez1, Roberto Galindo3 (1) Mantenimiento Industrial. (2) Química Industrial. (3) Mecatrónica. Universidad Tecnológica de Altamira, Blvd de los Ríos km 3+100, Puerto Industrial, Altamira, Tamaulipas (México) (
[email protected]) RESUMEN En la Universidad Tecnológica de Altamira existen equipos a escala similares a los que se utilizan en las industrias petroquímicas en la ciudad de Altamira. Uno de ellos es una columna de destilación de empaques Rashing de vidrio. Ésta ha sido fabricada por la compañía QVF y cuenta con instrumentación básica, actualmente obsoleta, además de un tablero de control con botones on-off. El objetivo de este artículo es presentar los avances del proyecto consistente en actualizar los sistemas de control de la columna mencionada, mediante la instalación de un cuarto apropiado, con el fin de regular las variables básicas del proceso de destilación. En particular, se considera el control de las siguientes variables de proceso: Nivel, Temperatura, Flujo de alimentación y Presión. Este proyecto tiene una utilidad doble: por un lado, la participación de los alumnos durante su ejecución permite enriquecer su proceso de aprendizaje, mientras que por el otro, una vez que el sistema de destilación se encuentre automatizado, se podrá efectuar una mejor labor docente, que permita potenciar el desarrollo integral de las competencias en los alumnos de las carreras involucradas. INTRODUCCIÓN En todo proceso industrial, por muy sencillo que sea, es siempre necesario el uso de instrumentos de medición y control que permitan, entre otras cosas, mantener los parámetros de calidad de los productos obtenidos, supervisar la operación del proceso y recopilar información referente tanto a los volúmenes de producción, como a la cantidad de la materia prima consumida (Creus, 2010). La automatización de procesos que se encuentran operados en forma manual, se puede considerar un trabajo de reingeniería, puesto que es necesario tomar en cuenta las particularidades de cada componente de los distintos subsistemas (Zill, 2007). Por ejemplo, al inicio del proyecto, la selección de los componentes más apropiados es fundamental, ya que los instrumentos de medición deben responder a las características de la planta y a la vez ser compatibles con los controladores. En este proyecto, la automatización de la planta fue desarrollada utilizando LabVIEW, de National Instruments. Esta plataforma de software permite desarrollar una serie de instrumentos virtuales (VI’s), que son aplicaciones de interfaz gráfica de usuario, implementadas tanto para la medición, control y monitoreo de datos, como para simulación de procesos y/o sistemas de control.
Además, se decidió utilizar la plataforma de control CompactRIO de National Instruments, debido a sus características sobresalientes, entre las que se encuentran: controlador embebido para aplicaciones industriales en tiempo real, con módulos de entrada/salida intercambiables, módulos FPGA y chasis de expansión de Ethernet (Manual LabView 2010). DESARROLLO Las siguientes líneas describen la forma en que se realizó la automatización de la planta piloto considerada. Descripción del sistema En todos los procesos de destilación es necesario contar con tanques de almacenamiento de materia prima y producto terminado, con la finalidad de contabilizar la cantidad de material con la que se cuenta y la que es posible procesar (King, 1988). El tanque de alimentación de la columna tiene una capacidad de 50 L (taque B100 de la Figura 1). Donde, se preparan las mezclas de análisis que se desean separar con la columna de destilación. En este subsistema, se controla el nivel y la concentración.
Fig. 1. Llenado del tanque principal y mezclado. Una vez que se encuentra la mezcla de manera homogénea, se procede a transportar el producto hasta el recipiente denominado TANK en donde se preparará para la destilación, pero antes se deberán de cumplir ciertas condiciones como temperatura (esto es el precalentado de la mezcla) y cantidad el flujo a lo largo de la tubería. Lo anterior se ilustra en la Figura 2.
Fig. 2. Alimentación de la columna. El proceso de condensación se da por medio de serpentines en el domo de la columna hasta el tanque en donde se recoge la muestra (Figura 3). En sistemas donde se involucre el manejo de gases, la presión es una variable con la que se debe tener cuidado, ya que en sistemas cerrados puede originarse un aumento de presión y causar algún incidente con ello (Wantkatt, 2004; Perry, 2007). Con la finalidad de evitarlo, la columna de destilación tiene instalado un sistema de medición de presión diferencial, que mide de la parte del domo de la hasta el fondo de la columna. Si existe alguna diferencia envía una alarma al sistema para hacer un paro de emergencia.
Fig. 3. Separación.
La fuerza impulsora de los procesos de destilación es la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias que se desean separar (Treybal, 1985). Actualmente la columna de destilación cuenta con sensores de temperatura, que registran los valores a lo largo de todo el proceso (alimentación, fondo, domo, destilado, residuo, etc.). Análisis de Procesos Una vez que conocida la planta, se le dividió en procesos con el fin determinar las necesidades específicas de cada uno de ellos. De esta manera, al agrupar los dispositivos que intervienen en cada proceso, es posible identificar sus entradas y sus salidas, para conocer los distintos lazos de control que deben ser considerados. En la Figura 4 se muestra el diagrama esquemático que muestra los resultados de esta actividad.
Fig. 4. Diagrama esquemático de los procesos a considerar en la planta piloto. Modelado y Simulación En la etapa inicial del proyecto, se ha simulado en LabView la planta con modelos aproximados. En una etapa posterior, se realizarán experimentos de identificación con el fin de refinar la calidad de los modelos y las simulaciones, así como de la sintonización de los controladores. En particular, para la torre de destilación se piensa utilizar un enfoque como el presentado en (Alzate, 2011) o (Caiza et al, 2009). Además, se considera el diseño de observadores de estado con el fin de evaluar una posible mejora en el desempeño del control, comparándolo con el que utiliza sólo controladores de tipo PID. En la Tabla 1 se presentan los principales elementos dinámicos que influyen en la modelación. Tabla 1. Elementos principales de modelación. Elementos dinámicos Tanques de almacenamiento Bomba Calefactores Columna de destilación Intercambiadores Válvulas Sensores de nivel, presión, flujo y temperatura
A manera de ejemplo, en la Figura 5 se muestra el modelo de simulación del proceso de mezclado para homogeneizar la solución de etanol (Moreno y Ruiz, 2003), que se forma inicialmente en el recipiente etiquetado como B100. Este proceso es efectuado en forma previa al bombeo de la mezcla hacia la torre de destilación.
Fig. 5. Secuencia de simulación Verificación de los instrumentos Originalmente la planta piloto contaba solamente con un rotámetro, ocho termopares y un medidor de presión diferencial. En la Figura 6 se muestra uno de los termopares originales, que aún son usados en la planta para la medición de temperatura.
Fig. 6. Termopares. En lo que respecta al rotámetro original, éste es sólo un indicador, careciendo de módulo para la trasmisión de datos, véase la Figura 7.a. Este instrumento fue remplazado por un dispositivo indicador-transmisor de caudal, con el fin de poder efectuar el control de esta variable de proceso, véase la Figura 7.b. Entre las principales características se tiene que es de fácil instalación, no requiere tubería recta, baja caída de presión, escalado directamente en l / h, l / m, kg / h, %, mm,
etc., alarmas ajustables, en todas las escalas. La Tabla 2 presenta las características del medidor de caudal seleccionado.
a)
b) Fig. 7. Medidores de flujo.
En inicio, la planta no contaba con un medidor de nivel. Sin embargo, se decidió que resultaba conveniente incluir uno (véase Figura 8), para estar en condiciones de controlar esta variable de proceso. Esto ha permitido contar con una mayor gama de posibilidades durante el proceso de enseñanza-aprendizaje. La Tabla 2 presenta los datos del sensor de nivel elegido, que tiene las siguientes características: montaje vertical sobre depósito, señal analógica de 4 a 20 mA o bajo demanda HART, PROFIBUS y FIELDBUS.
Fig. 8. Medidor de nivel. Por otro lado, la planta incluía sólo válvulas manuales, cuya apertura o cierre era efectuada por un operador. Éstas fueron sustituidas utilizando veintitrés válvulas de tipo on-off y tres proporcionales. La Tabla 2 presenta los datos correspondientes a dichas válvulas, que fueron elegidas debido a que presentan facil instalación y sobre todo que no se requerían modificaciones para el acoplamiento con la tuberia de vidrio que tiene la planta. Selección del Controlador En esta etapa y de acuerdo a la caracterización del proceso, el controlador seleccionado es el Compact RIO (Figura 9), lo cual ya se había mencionado, este tiene las siguientes características: sistema robusto y embebido de monitoreo y control, procesador industrial en tiempo real de 400 MHz para control, registro de datos y análisis, chasis FPGA con compuertas de 2M y 8 ranuras, para temporización, control y procesamiento de E/S personalizados, dos puertos Ethernet 10/100BASE-T; puerto serial RS232 para conexión a periféricos y rango de temperatura de operación de -20 a 55 °C; una sola entrada de suministro de potencia de 19 a 30 VDC.
Tabla 2. Instrumentos sustituidos en la planta piloto. Artículo
Características
Cantidad
Sensor de flujo
Serie 6001 Tecfluid
1
Sensor de nivel
Serie LE Tecfluid
10
Válvula solenoide
Solenoide de 2 vías 1/2" 8210G015 (DC 24V) ASCO
23
Válvula Proporcional
ASCO Serie 8202
3
Fig. 9. NI cRIO-9074 Controlador Integrado en Tiempo Real de 400 MHz y FPGA de 2M de Compuertas.
Creación de las pantallas y sistemas de control De acuerdo a la descripción de los subsistemas antes descritos, se construyó el panel de control (Figura 10). En LabView se denomina Front Panel, que es una interface de usuario asociado con el VI, para el monitoreo y control de la planta. CONCLUSIONES La actualización de los instrumentos y controladores de la planta piloto propició en los alumnos una experiencia de aprendizaje integral y colaborativa. Debido a que inicialmente la planta era totalmente manual, la instalación de los instrumentos constituyó en algunos casos un rediseño de la estructura física, en el que se tuvo cuidado de mantener la apariencia estética. Actualmente, con la planta automatizada, las prácticas que es posible realizar pueden aportar más a la formación del alumno, permitiéndole estar en contacto con un proceso de tipo industrial, con la capacidad de visualizar el comportamiento de las distintas variables de proceso, mediante su lectura en tiempo real, al mismo tiempo que puede observar in-situ los distintos procesos de la planta. Además, también es posible que el alumno entre en contacto con dos acciones de control comunes: el control de dos posiciones y el PID, puesto que es posible operar la planta en forma tanto manual, como automática.
En el futuro, durante la siguiente etapa de este proyecto, se realizarán experimentos de identificación de los diversos subsistemas de la planta. De esta manera, será posible comparar en simulación distintas estrategias de control, en forma previa a su implementación práctica. Además, en una etapa posterior, se planea realizar el diseño y comparación de diferentes observadores de estado. Se espera que el uso de estos, permita obtener una mejora en el desempeño de los diversos controladores de la planta.
Fig. 10. Panel de control. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su reconocimiento al Programa para el Mejoramiento del Profesorado (PROMEP), del subsistema de Educación Superior en México, por su apoyo a este proyecto (Folio de Aprobación: PROMEP/130.5/13/7393)
REFERENCIAS Alzate A. Modelado y control de una columna de destilación binaria. Universidad Nacional de Colombia. Marzo 2011. Caiza, Sandoval Z., Marcelo F., Quintero O. Modelo de simulación de una columna de destilación binaria basado en métodos numéricos. V Seminario Euro Latinoamericano de Sistemas de Ingeniería (FIEE). 2009. Creus A. Instrumentación industrial, Alfaomega, 8va. Edición. 2010. King C. J., Procesos de Separación, Ediciones Repla S. A., México, 1988. Manual LabView. 2010. Moreno R., Ruiz M. Modelado, simulación y supervisión de una planta piloto de producción en el entorno ecosim – labview. 2ª Reunión de Usuarios de EcosimPro, UNED, Madrid 24-25 Febrero 2003. Perry R. H., Green D. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, MacGraw Hill, 8va Edición, 2007. Treybal R. E. Operaciones de Transferencia de Masa, McGraw Hill, México, 1985. Wankatt, P. C. Equilibrium Staged Separations Elsevier. Nueva York, 2004. Zill, D. G. Ecuaciones Diferenciales con Aplicaciones a Modelado, Thomson, 7ma Edición. 2002.
