CONTROL DE PROCESOS II FAIN-ESIQ

REACTOR CSTR ENCHAQUETADO CON UNA CINETICA DE SEGUNDO ORDEN1. INRODUCCION:El control del proceso en un reactor CSTR es de gran ayuda para el ingeniero Qumico por lo que existen parmetros y variables manejables que cambian al momento de realizarse este.Nuestro objetivo es mejorar el control existente de temperatura en el proceso, con este objetivo nos concentraremos en encontrar el balance en estado estacionario y dinmico que describe el funcionamiento del sistema, luego veremos quienes son variables y quienes constantes para despus hallar las variables de desviacin, entonces hallamos la transformada de Laplace para luego procederemos a hallar la funcin de transferencia del sistema, con esta funcin de transferencia el sistema es estudiado con tranquilidad, analizamos construyendo el diagrama de bloques en simulink para luego perturbar y simular un error en la entrada del sistema para ver cmo reacciona a esta perturbacin.Hecha la simulacin procedemos a comprobar nuestros resultados para el estado estacionario en este sistema que debe ser los mismos que en nuestra simulacin.Una vez comprobado modelaremos un sistema ms complejo pero idntico el sistema de segundo orden para dos reactores en serie. Y luego le ponderemos sensores y vlvulas. 2. FUNDAMENTO DEL PROBLEMA:Es primordial para un Ingeniero Qumico saber estos conceptos:Definicin de Reaccin qumica.-Se conoce como reaccin qumica a aquella operacin unitaria que tiene por objeto transformar los tomos de unas molculas (reactantes) en otras nuevas (productos).El lugar qumico donde se llevan las reacciones qumicas se denomina REACTOR QUIMICO.Los factores que hay que tener en cuenta que a la hora de llevar a cabo o desarrollar una reaccin qumicaLas caractersticas termodinmicas y cinticas de la reaccin Las fases (slido, lquido, gaseoso) que se encuentra presente en la reaccinFormas de cambios qumicos: Descomposicin.- Consiste en que una molcula se divide en molculas ms pequeas, tomos o radicales. Combinacin.- Cuando una molcula o tomo se une con otra para formar un compuesto nuevo. Isomerizacin.-Cuando la molcula no efecta ninguna descomposicin externa o adicin a otra, es simplemente un cambio de configuracin estructural interna. Las reacciones qumicas fuera de Control.-Cuando una reaccin qumica no est controlada por ejemplo en:Reaccin exotrmica.- El desprendimiento de energa que esta produce causa sucesos catastrficos si se descontrola totalmente. Sin embargo hay tambin reacciones que son dbilmente exotrmicas y a altas temperaturas pueden causar reacciones secundarias y estas causar una explosin.La prdida de control de una reaccin puede tener lugar no nicamente en el reactor qumico durante el proceso productivo, sino tambin en otras unidades como columnas de destilacin durante la purificacin, en tuberas o en depsitos de almacenamiento.Alteraciones de la materia prima (impurezas) y otras causas externas (fuego, etc.)Temperatura.-Un aumento de la temperatura del proceso puede acelerar una reaccin exotrmica o puede causar la descomposicin trmica. Por ello se tiene que definir la temperatura mnima a la cual empezar un descontrol exotrmico bajo las condiciones de planta, y el margen de seguridad entre esta temperatura y la temperatura normal. O por otro lado una disminucin de la temperatura puede provocar la acumulacin de material no reaccionado. Para evitar esta acumulacin tambin debern definirse las temperaturas mximas y/o mnimas a las cuales ocurre la reaccin deseada.Aunque ms adelante se hablar del control y la regulacin de la temperatura, mencionamos a continuacin algunas situaciones de riesgo con las que nos podemos encontrar durante un proceso, que ocasionan desviaciones de la temperatura y que, en consecuencia abra que evitar. Sistema de refrigeracin mal diseado. Perdida del suministro del refrigerante Perdida de la capacidad del refrigerante por obstrucciones recubrimientos aislantes Ajuste incorrecto de la temperatura deseada Fallo del sistema de control de temperatura Fallo de energa elctrica Avera del suministro de la bomba del refrigerante Otros fallos mecnicos por ejemplo vlvulas.

Factores a tener en cuenta:Si queremos que nuestro sistema sea invulnerable a prdidas de control debemos tener en cuenta: La temperatura inicial La cantidad de calor que liberaran las reacciones qumicas. Otras fuentes de calor que puedan generarse La velocidad de la reaccin, que determina la velocidad de liberacin del potencial energtico del sistema. Es necesario conocer la liberacin de energa en funcin a la temperatura y de la conversin. La capacidad de eliminacin de calor del sistema, bien sea por intercambio de calor en el exterior o por ebullicin en la mezcla reaccionante

Sistema: Reactor CSTR

El reactor tiene el mismo flujo de agua (en sentido contrario al de la mezcla en el reactor) en la chaqueta de enfriamiento que es dependiente del tiempo as como la temperatura de entrada y la salida.

DEDESCRIPCIN DEL PROCESO:Tengo un reactor CSTR enchaquetado, con una cintica de 2 orden: 2AB (exotrmica). Suponiendo el sistema es homogneo, en el cual se admite continuamente una corriente de alimentacin en el reactor, y se extrae tambin continuamente una corriente de productos que es el producto final.Suponiendo la misma densidad en los flujos de alimentacin. Nuestro problema se define de la siguiente manera:

TENEMOS LAS VARIABLES DE PERTURBACION:

,,,DEBEMOS CONTROLAR LAS VARIALES DE SALIDA O VARIABLES CONTROLADAS:

,,PARMETROS A SER ESPECIFICADOS: ,R, ,,, ,EN EL ESTADO ESTACIONARIO:Valores de entrada en estado estacionarioF=40 pie3/h CA0=0.5 lbmol A/pie3 V=48 pie3 T0=530 R

Valores de los parmetrosFc= pie3/h k0=7.08*1010 1/hVc=3.85 pie3 U=150 BTU/h pie3RTco=525 R E=30000 BTU/lbmol=50 lbmol/pie3 A=250 pie2Cp=0.75 BTU/lbmolR =-30000 BTU/lbmol=62.3 lbmol/pie3 R=1.99 BTU/lbmolR=1.0 BTU/lbmolR mm=1.0; 1.5; 2.0

Clculos para ver nuestras variables de salida en estado estacionario:a) Hallamos la concentracin a la salida:

Dnde:

b) Hallamos la temperatura de la salida:

c) Hallamos la temperatura a la salida de la camisa de enfriamiento:

Suponiendo un flujo de = 20 pie3/h de agua en la camisa de enfriamiento.

1. BALANCES EN EL SISTEMA

Balance dinmico:

Balance de componente:

Balance de energa:

Balance en la camisa de enfriamiento:

Dnde:

Y tambin:

Tenemos las variables:

Los parmetros:

Ahora linealizamos:En (1)

La linealizacin de:

En (3) la camisa de enfriamiento:

Balance en estado estacionario

Ecuaciones en estado estacionario

2. MODELO DINAMICO DEL REACTOR.-

Restando las ecuaciones (1), (2). (3) menos las ecuaciones en estado estacionario para con el objetivo de trabajar con las variables de desviacin.Con el balance de componente:

Remplazando la linealizacin:

O tambin:

Entonces podemos hallar su transformada:

Ahora designamos el tiempo de residencia y la ganancia como tao y K, que son constantes. Esto se har para todos las ecuaciones del sistema. Y los clculos se arn posteriormente en Excel ya que son operaciones largas pero sencillas. A continuacin definimos estas constantes:

La transformada de Laplace:

Ahora para el balance de energa:

Con la linealizacin esta ecuacin se convierte en:

Entonces:

La transformada de Laplace:

En el balance en la camisa de enfriamiento:

La ecuacin con variables de desviacin:

Aplicando la transformada:

Con las ecuaciones (4), (5) y (6):

Combinamos las ecuaciones de estado por ejemplo (4) en (5):

Ahora con la ecuacin (6):

3. PRUEBAS EN SIMULINK: este es el modelo de diagrama de flujo para anterior ecuacin.

4. IMPLEMENTAMOS CON SENSORES Y VVULAS:

Con el fin de controlar nuestra temperatura y nuestra concentracin a la salida de nuestro sistema dinmico de segundo orden.

SENSOR DE FLUJO.-Colocamos este sensor simplemente para ver cunto caudal hay en nuestra chaqueta de enfriamiento en la entrada como en la salida.SENSOR DE TEMPERATURA.- Este va a colocarse en la salida del reactor para medir la temperatura del producto con el fin de controlarla. Este sensor cumple la funcin de enviar una seal al controlador y este a la vlvula de control. Es muy esencial para nuestro sistema.VLVULA DE CONTROL.-Esta vlvula nos permite cambiar nuestro caudal en la chaqueta de enfriamiento para as poder cambiar la temperatura de salida en el reactor.

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