modelo matematico de la columna de destilacion (1)
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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.