Análisis de Estructuras Multi-Lazo de Control de Pared Divisoria Columnas de Destilación Empleo de Un Modelo Fundamental
Análisis de Estructuras Multi-Lazo de Control de Pared Divisoria Columnas de Destilación Empleo de Un Modelo Fundamental
Análisis de Estructuras Multi-Lazo de Control de Pared Divisoria Columnas de Destilación Empleo de Un Modelo Fundamental
Rensselaer,
Troy,
NY
12180-3590,
EE.UU.;
E-Mail:
Nomenclatura
rea total de todos los agujeros activos
bandeja de rea activa
B Fondos caudal
D Tasa de flujo de destilado
F caudal de alimentacin
g Gravedad
H entalpa de vapor
h entalpa de lquido
altura del lquido en el vertedero
L caudal de lquido
1 caudal de reflujo
caudal de lquido alimentado al prefraccionador
Lquido total dejando la bandeja inferior de la seccin de rectificacin
Constante de equilibrio vapor-lquido
ganancia proporcional
S producto secundario
longitud vertedero
Nmero de componentes en la mezcla
Nmero de etapas en la columna principal
Nmero de etapas en el prefraccionador
Etapa de interconexin lquido
Vapor interconexin etapa
Etapa corriente lateral
Lunares de lquidos retenidos
Lunares de lquidos retenidos en el tambor de reflujo
moles de lquido retenido en la base de la columna
Q Calor transferida
Deber de calor del condensador
Deber de calor caldern
RR Relacin de reflujo
1. Introduccin
La separacin por destilacin, el proceso de separacin ms comn en la industria
qumica y petroqumica industrias, consume una cantidad significativa de energa. Para
abordar este punto, nueva destilacin estructuras, que mantienen la promesa de ser ms
eficiente en energa, se han considerado recientemente.
Los diseos convencionales de destilacin para la separacin de mezclas ternarias son las
directas e indirectas secuencias. Las opciones alternativas, tales como arreglos acoplados
trmicamente, se han demostrado para proporcionar importantes ahorros de energa ms
las secuencias convencionales y, en algunos casos, el capital an ms bajo costes. En
particular, la estructura totalmente acoplado trmicamente, o columna Petlyuk (Figura 1)
[1,2], tiene recibido especial atencin. La disposicin Petlyuk consiste en un
prefraccionador acoplado a la principal columna, utilizando dos corrientes de reciclo. Una
implementacin de columnas Petlyuk que se ha utilizado en algunos instalaciones de
produccin se compone de una columna de pared divisoria (DWC). DWCs son
termodinmicamente equivalente al sistema Petlyuk [3]. DWCs divide la seccin media
de un nico recipiente en dos secciones mediante la insercin de una pared vertical, por
lo tanto, la implementacin de la configuracin Petlyuk en una sola concha [4-8].
Los beneficios de la tecnologa DWC slo pueden lograrse con las estructuras de control
adecuados que proporcionan una un funcionamiento estable y robusto del proceso de
separacin. Control de las columnas de destilacin convencionales tiene ha estudiado
ampliamente en la literatura, pero un menor nmero de estudios sobre el control de
DWCs han sido reportado. En comparacin con un sistema de destilacin convencional, el
control de un DWC es ms difcil debido a una mayor interaccin entre las variables
controladas y manipuladas. Sin embargo, ha sido informaron de que las secuencias
acopladas trmicamente tienen buenas propiedades de controlabilidad [11,12], siempre
que se selecciona una estructura de control apropiado [9]. Controlabilidad y el efecto de
un funcionamiento ptimo en diferentes estructuras de control han sido investigados en
varios documentos de [13-17]. Uno particularmente relevante estudio es el uno por Ling y
Luyben [18], donde se proponen una estructura de control que aade una lazo de control
adicional a la estructura de control DB-LSV tres puntos utilizado por Wolff y Skogestad
[19], a fin de reducir las necesidades de energa. Mutalib y Smith [20] investigaron la
operacin y control de DWCs, con configuraciones de control determinados por matriz de
ganancia relativa (RGA). Informaron que DWCs lograr un funcionamiento estable con DBLSV y configuraciones de control LB-DSV multiloop.
Recientemente Kim et al. [21] investigaron las estructuras de control de temperatura de
dos puntos para los tres diferentes sistemas bajo diferentes condiciones de alimentacin.
Recomendaron la (L, S) y (V, S) estructuras de control. PI controladores se han reportado
para proporcionar un funcionamiento estable en DWC [16,20]. Ling y Luyben [18] utiliza
una metodologa secuencial para sintonizar los controladores Proporcional Integral (PI).
Otros autores han utilizado diferentes metodologas y tcnicas de ajuste, por ejemplo,
tuning basado en la convergencia minimizando ndices [22,23]. IMC de sintonizacin de PI
/ PID tambin ha sido considerado para controlar ternario hipottico sistemas en DWCs
[24,25]. Un aspecto clave para evaluar el desempeo de los sistemas de control
aplicados a DWCs es el rigor del modelo que los controladores se aplican a. Los ms
utilizados modelos dinmicos implican varios supuestos simplificadores, que no puede
ofrecer la ms realista escenario para la evaluacin de las estructuras de control.
Este trabajo trata de abordar este ltimo punto en el que un riguroso, primero en
principios basados modelo dinmico de un DWC se utiliza para la separacin de mezclas
ternarias. Diferentes estructuras de control se analizan para identificar la estructura de
mejor rendimiento para este sistema de destilacin compleja. Adems, diferentes
mezclas y composiciones de alimentacin se consideran con el fin de explorar cmo las
propiedades de la mezcla afectan a la seleccin de la mejor estructura de control.
El caudal de alimentacin se toma como 12,6 mol / s de un lquido saturado, con una
composicin molar de 40%, 20%, y 40% para los componentes nC5, nC6, y NC7,
respectivamente. Purezas especificadas de productos de 98% en moles para todos los
componentes fueron asumidos. El diseo de presin se estableci con el fin de asegurar
el uso de agua de refrigeracin en el condensador. Propiedades termodinmicas se
estimaron usando la ecuacin SRK del estado. los detalles de las condiciones de diseo y
operacin resultantes en ambas secciones de la columna se presentan en la Figura 2.
Para comparar los resultados gPROMS con modelos de otras herramientas comerciales
(Aspen Plus por AspenTech) y con el uso de un modelo simplificado informado [31,32], se
obtuvieron perfiles de composicin de cada modelo. La Figura 3 muestra que los perfiles
obtenidos con Aspen Plus son bsicamente idnticos a los obtenidos con gPROMS; los
perfiles obtenidos con el modelo simplificado, por otro lado, difieren claramente en
algunos puntos del modelo riguroso. La diferencia entre el modelo riguroso de este
trabajo y modelos simplificados de la literatura se har ms notable para las mezclas no
ideales, aunque los modelos simplificados son de uso general para los estudios
preliminares de diseo; en tal caso, un paso siguiente diseo requerira la determinacin
rigurosa de temperaturas, presiones, caudales, corriente de composiciones de la
corriente, y las tasas de transferencia de calor en cada etapa, mediante la resolucin de
material equilibrio, balance de energa, y las relaciones de equilibrio para cada escenario.
En lo que se refiere al modelo de estado estacionario de Aspen Plus, se obtuvo slo para
fines de comparacin del estado estacionario, sin uso adicional en este trabajo como
simulaciones dinmicas se llevaron a cabo siguiente.
inferiores tasa () fluyen [40]. ndices de controlabilidad se pueden aplicar para obtener
informacin sobre el comportamiento del proceso para determinar una estructura de
control apropiado [17]. En este estudio, se emplea la matriz de ganancia relativa (RGA)
[41,42] para determinar el emparejamiento de las variables controladas y manipuladas.
Con el fin de identificar los parmetros de la dinmica del proceso, se implementaron
cambios de paso de 0.1% del valor de estado estacionario en las variables de entrada y
se registraron las respuestas dinmicas lazo abierto. Las respuestas dinmicas eran aptos
para transferir funciones y dispuestos en una matriz de funcin de transferencia, despus
de lo cual se calcul la RGA. Para la estabilizacin DB comn ya se ha informado de esta
mezcla particular, [22,37], la matriz de funcin de transferencia se da en la Tabla 2.
Los valores de la RGA para esta estructura de control se dan en la Tabla 3. El anlisis RGA
para el control de estabilizacin DB indica que las tres variables manipuladas para ser
utilizados para el control de las tres corrientes de producto son la velocidad de flujo de
reflujo (1), el lado tasa de flujo de la corriente () y el deber de calor rehervidor (); un
bucle de control adicional est dada por la manipulacin de una relacin lquido split ()
para el control de la composicin de componente pesado (11 (7)) en la parte superior
de la prefraccionador, que se ha informado para minimizar el consumo de energa
durante el funcionamiento transitorio [18 ]. El resultado es la estructura DB-LSV utilizado
en varias obras [14,19,22], con un bucle adicional para ayudar a minimizar los requisitos
de energa. La Figura 4 representa la estructura de control DB-LSV con el bucle adicional.
Para comparar el DB-LSV con otras estructuras de control, slo se considerarn las
configuraciones prcticas. Por lo tanto, las estructuras de control multi-bucle
considerados aqu son DB-LSV, DV-LSB, LB-DSV, y LV-OSD [34], con el lazo de control
adicional para la composicin de componentes pesados (11 (7)) en la parte superior
de la prefraccionador. Todas las estructuras de control se basan en lazos de PI en un
marco multi-bucle. Ajustes del regulador PI se determinaron mediante el uso de reglas de
sintonizado IMC [43-46]. Controladores proporcionales se utilizan para los controladores
de nivel, ya que no se requiere ninguna accin para la integracin de control de nivel
[18]. Los controladores de presin son de tipo PI con = 20 y = 12 min [47]. La tabla
4 muestra los valores de los parmetros del controlador para los controladores PI para
cada lazo de control.
Tabla 4. Valores de los parmetros de los controladores PI obtienen utilizando tuning IMC.
.
La Figura 7 representa las respuestas dinmicas de la LB-DSV, que muestra ms largo
tiempo de estabilizacin, as como sobreimpulso en comparacin con el DB-LSV y DV-LSB
estructuras. Las composiciones de las tres corrientes de producto vuelven a sus valores
Para complementar este estudio, la figura 10a muestra las respuestas dinmicas de la
estructura de control DB-LSV cuando se consider una perturbacin simultnea en el
caudal de alimentacin (+ 10% F) y composicin de la alimentacin de la componente de
luz (+ 10% ). Los tiempos de estabilizacin de las variables controladas son cortas, lo
que demuestra el buen desempeo del esquema de control presentada y puesta a punto
del controlador. Figura 10b muestra la prueba de seguimiento del punto de set, donde las
composiciones de las tres corrientes de productos lleguen a los nuevos valores de
consigna en aproximadamente ocho horas.
Figura 10. Respuesta dinmica de la estructura de control DB-LSV, (a) a una alteracin
simultnea de + 10% en el caudal de alimentacin y + 10% en la composicin de
componente de luz y (b) el cambio + 0,5% de la consigna.
Integral de los valores de error absoluto (IAE) para todos los estudios de caso.
1,0 ESI. A pesar de que hay una estructura de control universalmente ptima se puede
obtener para las diferentes mezclas y condiciones, se puede identificar la combinacin de
propiedades de la mezcla y composicin de la alimentacin que proporciona la mejor
estructura de control, es decir, mezclas con bajo (alto) concentracin del componente B y
ESI valores menores o igual a (mayor o igual a) de 1,0 compartieron el DB-LSV (LB-DSV o
DV-LSB) como la estructura de control con el mejor rendimiento dinmico. Debe tenerse
en cuenta que estas son observaciones iniciales y se requiere el trabajo futuro de
generalizar estos hallazgos.
5. Conclusiones
En este trabajo se presenta un modelo dinmico de un riguroso DWC. El modelo fue
implementado en los gPROMS simulador dinmico, y se encontr una diferencia notable
cuando los perfiles del modelo riguroso se compararon con los obtenidos a partir de un
modelo simplificado. Una parte de la contribucin de este trabajo incluye el anlisis de
diferentes estructuras de control y la deteccin de la mejor estructura como una funcin
de las propiedades de separacin de la mezcla y su composicin de la alimentacin. El
enfoque consisti en el desarrollo de un primer modelo dinmico basado en principios,
que fue utilizado en las simulaciones para derivar funciones de transferencia entre las
variables controladas y manipuladas del proceso. Entonces RGA fue utilizado para la
seleccin de las variables de emparejamiento lazo de control y los controladores se
sintoniza usando IMC. Las propiedades de separacin de la mezcla ternaria se
caracterizan por su facilidad de separabilidad (ESI) factor. Se analizaron varias
estructuras de control, y los resultados mostraron que para las mezclas con valores ESI
iguales o inferiores a 1,0, la estructura DB-LSV ampliamente conocido de la literatura, con
un bucle adicional para minimizar los requerimientos de energa implcitamente, dio el
mejor de bucle cerrado rendimiento en la cara de las perturbaciones en la tasa de flujo de
alimentacin y la composicin de alimentacin. Otra estructura que dio resultados
sobresalientes fue el LV-OSD disposicin de bucle cerrado, que proporcion las mejores
respuestas dinmicas para mezclas con ESI valores superiores a 1,0 y baja concentracin
del componente intermedio, y con valores ESI iguales o superiores a 1,0 y de alta
concentracin del componente intermedio. El LSB-DV estructura de control produce
buenos resultados para mezclas con ESI valores inferiores a 1,0 y la alta concentracin
del componente intermedio. Tales tendencias proporcionadas por este estudio inicial se
pueden utilizar como base para posteriores estudios de control para validar estas reglas
heursticas.
Agradecimientos
El apoyo financiero del Conacyt, Mxico, a travs del proyecto CB-84493 se agradece.
Adems, S. Tututi fue apoyado por una beca postdoctoral "Estancias posdoctorales y
Sabticas al Extranjero Para La Consolidacin de Grupos de Investigacin 2011 (Registro
N 184961)" dado por el Conacyt.
Conflictos de inters
Los autores declaran no tener ningn conflicto de intereses.
Apndice
Una alimentacin simple o de dos fases del caudal molar entra en la etapa
alimentacin, con la composicin general fraccin molar, del componente y la
correspondiente molar global entalpa . Tambin entrar etapa es lquido entre etapas
de la etapa -1 por encima de la tasa de flujo molar -1, con la composicin en fracciones
molares , y -1 entalpa. Del mismo modo, el vapor entre etapas con caudal molar +
1, la composicin de las fracciones mol , + 1 y la entalpa + 1 viene de la etapa +
1 a continuacin. Dejando etapa es vapor con , , . Esta corriente se puede dividir en
una corriente lateral de vapor del caudal molar y una corriente entre etapas de
velocidad de flujo molar que va a la etapa -1. Tambin dejando etapa es una
corriente de lquido, dado por , y , en equilibrio con el vapor ( + ); la corriente
de lquido se divide en una corriente lateral de la tasa de flujo molar y una corriente
entre etapas de velocidad de flujo molar que va a la etapa + 1. El calor puede ser
transferido a un ritmo desde o hacia el escenario para simular intercoolers etapa,
interheaters, intercondensadores, interreboilers, condensadores, o calderines. Los
balances de materia y energa para cualquier etapa (2 < <-1), incluidas las corrientes
de alimentacin estn dadas por la siguiente: