modelo matematico de la columna de destilacion (1)

TORRE DE DESTILACIÓN

LUIS CALLE, PATRICIO GUARACA, SEBASTIÁN TORRES, LUIS FERNANDEZ.

Destilación

La destilación es separar mediante vaporización y condensación los diferentes componentes líquidos inmersos en una solución, aprovechando los diferentes puntos de ebullición 

Ebullición

Es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso

Torre de destilación Una torre o columna de

destilación es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo ingreso o comúnmente llamado ¨alimentación ¨ y dos productos a la salida, denominados destilado y fondo.

La columna consiste en: El vapor es generado por medio

de calentamiento del líquido de fondos.

La alimentación de la torre puede consistir desde líquido su enfriado hasta vapor sobrecalentado, lo cual modifica el número de platos necesarios para la separación deseada.

Contiene platos en los cuales se lleva a cabo el contacto entre las fases líquidas y vapor.

La sección por encima del plato de alimentación se denomina sección de absorción, enriquecimiento o rectificadora; mientras que la que se encuentra debajo de éste se denomina de agotamiento.

La fracción mas pesada (líquido) baja por la gravedad y mientras que la mas liviana (gaseoso) sube y se condensa en las partes superiores

Modelo Matemático de la Columna de Destilación

Balance de materia de un sistema

Balance de componentes de una mezcla de un sistema

La composición XJ de un componente de una mezcla o solución es el porcentaje puntual que contiene la masa de ese elemento y se obtiene dividiendo la masa del componente entre la masa total. Las unidades de esta ecuación son #moles/tiempo, tomando en cuenta que en una columna de destilación no existe ninguna reacción química se llega a la siguiente ecuación:

Balance de volumen de un sistema

Balance de Energía de un sistema

Haciendo un análisis más profundo del tema, se postula que la energía tiene 3 componentes, los cuales son: Energía Cinética

Energía Potencial

Energía Interna

Donde: Si se supone que el sistema es cerrado, lo que significa que no hay transferencia de

masa a través de sus fronteras mientras se efectúa el proceso. La energía puede transferirse entre un sistema de este tipo y sus alrededores en dos formas:

Como calor, o energía que fluye como resultado de una diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores. La dirección del flujo es siempre de mayor a menor temperatura. El calor se define como positivo cuando se transfiere al sistema desde sus alrededores.

Como trabajo, o energía que fluye en respuesta a cualquier cambio que no sea una diferencia de temperatura, como una fuerza, un torque o un voltaje. El trabajo se define como positivo cuando los alrededores realizan trabajo sobre el sistema.

Para un sistema continuo, el trabajo neto W realizado sobre un sistema abierto por sus alrededores puede escribirse como:

Donde:

Trabajo externo, o el trabajo hecho sobre el fluido del proceso por una parte móvil dentro

Trabajo externo del sistema (p. ej. una bomba de rotor)

Trabajo de flujo, o el trabajo hecho por el fluido a la entrada del sistema menos el trabajo hecho sobre el fluido a la salida del sistema

Donde:

Considerando la definición del volumen específico:

Donde:

Por lo tanto, el trabajo del flujo de entrada resulta de la siguiente forma:

Utilizando el mismo método, el trabajo que sustrae el fluido a la salida del sistema es:

Con todo esto finalmente la ecuación de balance de energía quedaría de la siguiente forma:

Donde: Es el número de flujos que entran al sistema.

Es el número de flujos que salen del sistema.

COLUMNAS DE FRACCIONAMIENTOTambién llamada columna de platos

o columna de platillos, es un aparato que permite realizar una

destilación fraccionada. Una destilación fraccionada es una técnica que permite realizar una serie completa de destilaciones simples en una sola operación

sencilla y continua.

COLUMNAS DE FRACCIONAMIENTO

DESTILACION A PRESIONATMOSFERICA

La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado en química para separar mezclas (generalmente homogéneas) de líquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores y líquidos, usando columnas de fraccionamiento, que permiten un mayor contacto entre los vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la utilización de diferentes "platos" (placas).

Esto facilita el intercambio de calor entre los vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se convierten en vapor, y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido.

Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. Algunos de los ejemplos más comunes son el petróleo y la producción de etanol.

DESTILACION A PRESIONATMOSFERICA

DESTILACION A PRESIONATMOSFERICA

Es una mejora de la destilación atmosférica basada en la reducción de la presión de

trabajo con lo que se disminuye el punto de ebullición, consiguiendo un ahorro

energético considerable y disminuyendo la posible degradación de los productos

destilados por efecto de la temperatura.

DESTILACION A VACIO

DESTILACION A VACIO

EJEMPLO

DESCRIPCION DEL PROCESO PARA ELABORAR ALCOHOL

COLUMNAS DE DESTILACION DE ALCOHOL

DESTROZADORA C-512.

HIDROSELECTORA C-536.

RECTIFICADORA C-540.

DESMETILIZADORA C-550.

DESTROZADORA C-512

En esta columna se introduce el vino. Realiza una separación de todas las impurezas no volátiles, que consisten básicamente en materia orgánica y sales minerales, los vapores alcohólicos extraídos tienen una concentración aproximada de 70 a 90º GL. El agua eliminada conteniendo todas estas impurezas es lo que se llama vinaza.

COLUMNA DESTROZADORA C-512

HIDROSELECTORA C-536

La columna hace un lavado del alcohol con el fin de realizar la separación de los compuestos menos volátiles, basándose en que la mezcla de pentanoles, propanol, isobutanol, etc. que se forma no es miscible con el agua. El alcohol sale por la parte inferior de la columna, con un grado alcohólico de 10-15º GL, casi limpio de impurezas volátiles excepto metanol.

COLUMNA HIDROSELECTRORA

RECTIFICADORA C-540

Esta columna también llamada concentradora eleva el grado alcohólico desde 10-15 hasta 96º GL y completamente limpio de impurezas como los aceites isopropanol, amidas , aminas, con la excepción del metanol. Hasta hace unos años, este era el alcohol comercial.

COLUMNA RECTIFICADORA

DESMETILIZADORA C-550

En esta columna también llamada como repase final, se produce la separación del metanol y el etanol. El alcohol entra por la parte superior, concentrándose el metanol en la cabeza de la columna de donde se extrae. El alcohol se saca por la parte inferior de la columna, limpio de impurezas y con un grado de 96,5º GL.

COLUMNA DEMETILIZADORA

ANALISIS Y DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL Y COMUNICACIÓN REDUNDANTE UTILIZANDO UN PAC CONTROL LOGIX 5561 MANEJADO CON EL SOFTWARE DE PROGRAMACION RSLOGIX 5000.

NECESIDADES Y REQUERIMIENTOS

El proceso de destilación de alcohol es un proceso crítico donde se requiere que el control sea un sistema confiable, seguro, veloz y sin perdidas de comunicación.

El ambiente en el proceso contiene líquidos y gases inflamables.

Monitoreo continuo en tiempo real de variables como temperaturas, presiones, flujos y niveles.

Flexibilidad para modificaciones y posibles ampliaciones del sistema de control.

Criterios para la selección del PAC ControlLogix 5561

Combinación de múltiples redes de comunicación y módulos de entradas salidas sin restricción.

Amplio rango de módulos de entradas/salidas analógicos y digitales, las que demande el tipo de aplicación.

Capacidad de diferentes niveles y tipos de redundancia.

Múltiples lenguajes de programación.

Equipos con seguridad intrínseca.

Alta velocidad de comunicación y procesamiento.

COMPONENTES DE SISTEMA (HARDWARE).

ARQUITECTURA IMPLEMENTADA

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN MANEJADOS POR CONTROLLOGIX

FULL DUPLEX DF1

DATAHIGHWAY PLUS DH+

CONTROLNET

ETHERNET/IP

DESCRIPCION DE MONITOREO DEL PROCESO

PARA LA DESTILACION DE ALCOHOL Y

COMUNICACIÓN DEL SISTEMA

NECESIDADES DE UN SCADA

Alto numero de variables.

Información en tiempo real.

Facilitar operaciones en planta.

Acceso de información para toma de decisiones tanto

operativas(mantenimiento) como gerenciales.

La complejidad del proceso hacen que la mayoria de las

acciones sean iniciadas por un operador.

INTOUCH 10.0

COMPONENTES DE INTOUCH.

WINDOWS MAKER

CARACTERISTICAS DE INTOUCH.

Versatilidad y facilidad de uso.

Librería completa de símbolos y gráficos.

Animación grafica.

Escalabilidad de un simple nodo HMI a un sistema de visualización

integral.

Compatibilidad reversa completa.

SOFTWARE PARA ADQUISICION DE DATOS Y VISUALIZACION.

InTouch. 10.0

DASABCIP 3.5.

DESTROZADORA C-512

HIDROSELECTORA C-536

RECTIFICADORA C-540

DESMETILIZADORA C-550

INSTRUMENTACIÓN y PID.

CONTROLADOR PID

BLOQUE DE FUNCION PIDE (PID ENHANCED)

Regulador PID real con ajuste independiente de GAIN, TI, TD.

Acción de control directa e inversa.

Modalidades de servicio: Manual, Detenido, Automático y Override.

Conmutación manual/automático sin brusquedad.

Limitación de magnitudes de posicionado en la modalidad de servicio Automático.

Alarmas de desviación High-Low.

ECUACIONES DEL BLOQUE PIDE

GANANCIAS DEPENDIENTES:

DONDE:

Kc: Ganancia del controlador.

Ti: Tiempo de reposición (minutos/repetición).

Td: Tiempo derivativo (minutos).

CV: Variable de control.

E: Error

BIASt

ETtE

TEKCV d

t

iC

0

1*

ECUACIONES DEL BLOQUE PIDE

GANANCIAS INDEPENDIENTES:

DONDE:

Kp: Ganancia proporcional(adimensional).

Ki: Ganancia Integral (1/seg).

Kd: Ganancia Derivativa (seg).

BIASt

EKtEKEKCV d

t

ip

0

INSTRUMENTACIÓN

Actualmente la industria moderna requiere de instrumentación de control y

medición, para optimizar sus procesos productivos.

INSTRUMENTACION INSTALADA EN EL PROCESO.

MEDICION DE TEMPERATURA.

RTD TST 41N y los indicadores/transmisores TMT142

INSTRUMENTACION INSTALADA EN EL PROCESO.

MEDICION DE PRESION.

PMP75

INSTRUMENTACION INSTALADA EN EL PROCESO.

MEDICION DE NIVEL

PMD75

INSTRUMENTACION INSTALADA EN EL PROCESO.

MEDICION DE FLUJO

PROMASS 83F15.