FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA QUÍMICA III

Objetivo de éste artículo

Este artículo tiene por objeto continuar con el tema del diseño de plantas para estudiantes de Ingeniería Química, mediante la presentación del Piping and Instrumentation Diagram (P&ID).

Para los fines consiguientes se han instrumentado las plantas de extracción de aldehído cinámico y la planta de recuperación de ésta especie química, porque de esto se trata el P&ID. y se ha llevado a cabo la simulación de la extracción por arrastre de vapor del aldehído en cuestión, porque ésta operación es básica basa el diseño de las plantas.

A continuación se muestra cada una de las plantas, por medio de sendas figuras, a la vez que se explica cómo se ha concebido su funcionamiento.

NUEVA PLANTA IZQUIERDA

Figura 1. Planta de extracción de aldehído cinámico

PLANT FLOW DIAGRAM DERECHA

Figura 2. Planta de recuperación de Aldehído Cinámico

Descripción de los procesos

Planta de extracción de aldehído cinámico

Con respecto a ésta planta, aquellos que leyeron al artículo II de la serie notaran que hemos cambiado ligeramente la configuración (o disposición) de la planta y que hemos dejado en el primer nivel de ella a la tova de recepción de materia prima, y al molino, por ser -en especial éste último- un equipo pesado. También podrán notar que hemos agregado equipo de transporte de sólidos de manera de elevar la materia prima molida desde el primer nivel hasta la malla tamizadora y la correspondiente estación de pesaje.

Hasta aquí los cambios en la configuración.

Notarán también que las válvulas rotativas que regulan el paso tanto de materia prima como de materia semi-procesada, las manipula el operador desde el cuarto de control.

Esto facilita la operación y cambia la filosofía del manejo de la planta.

Así mismo notarán que se han automatizado algunas operaciones mediante entrelaces (interlockings) como los que se señalan entre el transmisor de nivel LT-1310, la bomba B-1300, y la válvula solenoide vs-1340, que manejan el retorno de los condensados desde el tanque de condensados TC-1300 hasta el tanque de día de agua TA-800.

También se ha conceptualizado un control de nivel que consiste de un interlock entre el controlador que regula el nivel de la cuba donde re realiza la extracción por arrastre de vapor, LIC-676, con la bomba B-810, y la válvula solenoide VS-820, que -en su conjunto reponen el agua que se transforma en vapor, que se condensa y se enfría a través del condensador C-600 y del enfriador IC-602, porque la temperatura del agua que contiene en un principio el aldehído cinámico no puede superar los 40°C, que es el punto normal de ebullición del di-cloro-metano, que es la especie que va extraer el aldehído cinámico de la fase acuosa en el tanque de extracción TE-700.

El agua del tanque de día TA-800 se llena al comienzo de la jornada a través de VS-777 y VS-720.

También es interesante notar en interlock entre el transmisor de nivel LT-819, B-840. y VS-830, similar al interlock que ya describimos cuando hablamos del tanque de condensados TC-1300.

A continuación describiremos la vaporización y la respuesta del control LIC-676.

Simulación del control de nivel y del control de temperatura de la cuba TEAC-600

Se hizo necesario simular la vaporización de arrastre de aldehído cinámico la misma que conceptualmente se maneja en dos partes:  La primera el el calentamiento hasta 91.4°C; y la segunda, que consiste en la vaporización y en el mantenimiento de nivel que se realiza mediante el LIC-676.

La cuba está canteada por aceite, que a su vez se calienta por medio de una resistencia eléctrica que disipa calor. Al agua se calienta primero, y se vaporiza después a expensas del calor que le transfiere la chaqueta.

A continuación se muestra la interfase de usuario.

Interfase Usuario

Figura 3. Interfase de usuario del programa de cimulación

A continuación se presentan los resultados más importantes de esta simulación.

Grafico compuesto

Figura 4. gráfico compuesto de la operación de la planta izquierda

Altura vs. tiempo

Figura 5. Altura vs. tiempo

Masa vaporizada y restituida

Figura 6. Suma de masa vaporizada y masa restituida

Descripción del proceso de la planta derecha

La planta derecha es muy sencilla. Consta del tanque de miscela, que es una mezcla de Aldehído Cinámico y de di-cloro-metano, que se maneja automáticamente mediante el entrelace (que no se muestra) de LG-910, B-930, y VS- 920.

En esta planta, la miscela que proviene del tanque TE-700 se termina de secar  por medio de silica gel para, después de pasa por un filtro simple pasar a una destilación batch donde se separa el DCM del aldehido cinnámicoque se recolecta a traves de VM-1010.

Programa de simulación

A continuación se muestra el programa fuente de la simulación.

Option Explicit
Dim Ta, Tac, P, A, U, Vac, Roac, Cac, Ca, Va, Tmax, Deltat, DeltaTac, DeltaTa, DeltatPrint, T As Double
Dim Fila As Integer
Dim SumCorr, Kc, Ti, Taset, I, Pa, Rov, ha, Da, Tasa, Pe, Ma, Pi, Superficie, Deltaha, Kch, Tih, Kv, haset, Lambda As Double
Dim Escriba As String
Dim MaTa, Kca, DeltaMaTa, SumCorrha, Tia, pp, x, RR, SumVap, SumF, Tacset, mH2O, Tao As Double
Dim F As Single

Sub Arrastre_de_vapor()
‘Ingreso de variables
Ta = Worksheets(“Sheet1”).Cells(4, 5)
Tac = Worksheets(“Sheet1”).Cells(5, 5)
‘P = Worksheets(“Sheet1”).Cells(6, 5)
A = Worksheets(“Sheet1”).Cells(7, 5)
U = Worksheets(“Sheet1”).Cells(8, 5)
Vac = Worksheets(“Sheet1”).Cells(9, 5)
Roac = Worksheets(“Sheet1”).Cells(10, 5)
Cac = Worksheets(“Sheet1”).Cells(11, 5)
Ca = Worksheets(“Sheet1”).Cells(12, 5)
Va = Worksheets(“Sheet1”).Cells(13, 5)
‘Roa = Worksheets(“Sheet1”).Cells(14, 5)
Tmax = Worksheets(“Sheet1”).Cells(15, 5)
Deltat = Worksheets(“Sheet1”).Cells(16, 5)
Kc = Worksheets(“Sheet1”).Cells(17, 5)
Ti = Worksheets(“Sheet1”).Cells(18, 5)
Taset = Worksheets(“Sheet1”).Cells(19, 5)
Pe = Worksheets(“Sheet1”).Cells(20, 5)
Rov = Worksheets(“Sheet1”).Cells(21, 5)
ha = Worksheets(“Sheet1”).Cells(22, 5) ‘Altura inicial del agua en tanque teac-600
Da = Worksheets(“Sheet1”).Cells(23, 5) ‘Diámetro del tanque TEAC-600
Kca = Worksheets(“Sheet1”).Cells(24, 5) ‘Ganancia control de nivel
Tia = Worksheets(“Sheet1”).Cells(25, 5) ‘Tiempo integral control de nivel
Kv = Worksheets(“Sheet1”).Cells(26, 5) ‘Coeficiente de descarga válvula de control de nivel
haset = Worksheets(“Sheet1”).Cells(27, 5) ‘Valor deseado de nivel
Lambda = Worksheets(“Sheet1”).Cells(28, 5) ‘Calor de vaporización
‘Tao = Ta
‘Limpieza de hoja

Fila = 30: DeltatPrint = Tmax / 500: MaTa = Ma * Ta
F = 0: x = 0: SumVap = 0: SumF = 0
Worksheets(“Sheet1”).Range(“A30:M2000”).Clear
Call Formato
‘Inicialización de variables
SumCorr = 0: Escriba = “si”: Pi = 3.14159: SumCorrha = 0
Ma = Pi * Da ^ 2 * ha * Roa(Ta) / 4 ‘Masa inicial del agua en tanque TEAC-600

ha = (4 * Ma) / (Pi * Da ^ 2 * Roa(Ta))

Call Escritura_de_Titulos(Fila)
‘***

For T = 0 To Tmax Step Deltat
MaTa = Ma * Ta
Tasa = Pe / Lambda ‘tasa evaporación en kg/s
If Ta > 91.4 Then
Call Control_de_Nivel(ha, haset, Kca, Tia, Deltat, Kv, F, Ta, SumF, x)
End If
Call Integracion_Ecuaciones_Diferenciales(Vac, Roac, Cac, Deltat, Tac, DeltaTa, DeltaTac, U, A, P, Pi, Da, F, Tasa, MaTa, Lambda, Ma, Ta, Ca, ha, Roa(Ta), Va, Tao)
If Ta >= 91.4 Then

Call Evaporacion(Ma, Tasa, Deltat, Ta, SumVap)
ElseIf Ta < 92.4 Then
Call Control_de_Corriente(Ta, Taset, P, Deltat, Kc, Ti, SumCorr, I)
End If
If Ta >= 91.4 Then
P = 0
End If
If T = 0 Or T >= DeltatPrint Then

Call Escritura_de_Resultados(T, Ta, Tac, Fila, P, Escriba, Pe, Tasa, Ma, ha, Pi, Da, F, x, I)
DeltatPrint = DeltatPrint + Tmax / 500

End If

Next T
Call Escritura_de_Resultados(T, Ta, Tac, Fila, P, Escriba, Pe, Tasa, Ma, ha, Pi, Da, F, x, I)
Worksheets(“Sheet1”).Cells(532, 1) = “Total evaporado ” & SumVap & ” Kg”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(533, 1) = “Total alimentado para controlar nivel ” & SumF & ” Kg”
End Sub
Sub Escritura_de_Titulos(Fila)
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 1) = “T, seg”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 2) = “Ta,oC”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 3) = “Tac,oC”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 4) = “I,A”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 5) = “Pe,Kw”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 6) = “Tasa,kgv,s”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 7) = “Ma,kga”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 8) = “ha,m”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 9) = “SumV,kg”
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 10) = “SumF, kg”

Fila = Fila + 1

End Sub
Sub Integracion_Ecuaciones_Diferenciales(Vac, Roac, Cac, Deltat, Tac, DeltaTa, DeltaTac, U, A, P, Pi, Da, F, Tasa, MaTa, Lambda, Ma, Ta, Ca, ha, Roa, Va, Tao)
If Ta <= 91.4 Then
DeltaTac = (P / (Vac * Roac * Cac)) * Deltat
Tac = Tac + DeltaTac
DeltaTa = ((U * A * (Tac – Ta)) / (Ma * Ca * 1000)) * Deltat
Ta = Ta + DeltaTa
Superficie = Pi * Da ^ 2 / 4
ElseIf Ta > 91.4 Then
‘Stop
RR = Roa
Deltaha = ((F – Tasa) * RR / Superficie) * Deltat
If Deltaha > 0 Then
ha = ha + Deltaha
End If
End If

End Sub
Sub Escritura_de_Resultados(T, Ta, Tac, Fila, P, Escriba, Pe, Tasa, Ma, ha, Pi, Da, F, x, I)
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 1) = T
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 2) = Ta
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 3) = Tac

If Escriba = “si” And Ta >= 91.4 Then
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 4) = P & “**”
Escriba = “no”

Else
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 4) = I
End If
If Ta >= 91.4 Then

Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 5) = Pe
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 6) = Tasa
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 7) = Ma
ha = (4 * Ma) / (Pi * Da ^ 2 * Roa(Ta))
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 8) = ha
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 9) = SumVap
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 10) = SumF
Fila = Fila + 1
Else

Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 5) = P
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 6) = 0
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 7) = Ma
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 8) = (4 * Ma) / (Pi * Da ^ 2 * Roa(Ta))
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 9) = SumVap
Worksheets(“Sheet1”).Cells(Fila, 10) = SumF
Fila = Fila + 1
End If
End Sub
Sub Control_de_Corriente(Ta, Taset, P, Deltat, Kc, Ti, SumCorr, I)
SumCorr = SumCorr + (Taset – Ta) * Deltat
I = Kc * (Taset – Ta) + (Kc / Ti) * SumCorr
If I > 500 Or I < 0 Then
SumCorr = 0
P = 0
Else
P = (220 * I) / 1000
‘Mac = Roac * Vac
‘DeltaTac = ((P) / (Mac * Cac)) * Deltat
‘Tac = Tac + DeltaTac
End If
End Sub
Sub Evaporacion(Ma, Tasa, Deltat, Ta, SumVap)
If Ta >= 91.4 Then
Ma = Ma + (F – Tasa) * Deltat
SumVap = SumVap + Tasa * Deltat
Else
Tasa = 0
End If
End Sub
Sub Control_de_Nivel(ha, haset, Kca, Tia, Deltat, Kv, F, Ta, SumF, x)

SumCorrha = SumCorrha + (haset – ha) * Deltat
pp = Kca * (haset – ha) + (Kca / Tia) * SumCorrha
‘If ha > 0.4 Then Stop

If pp < 20.628 Then
pp = 20.628
SumCorrha = 0
ElseIf pp > 82.728 Then
pp = 82.728
SumCorrha = 0
End If
x = (pp – 20.628) / (82.728 – 20.628)
F = Kv * x * Sqr(400) ‘400 kPa
SumF = SumF + F * Deltat
End Sub
Function Roa(Ta)

Roa = -0.0036 * Ta ^ 2 – 0.0656 * Ta + 1000.4
End Function

 

Como comentario final puedo agregar que el ajuste de los parámetros de control no fue fácil, pero tampoco imposible.

 

 

Acerca de

Professor of modeling and simulation, and process design at Escuela Politécnica Nacional, in Quito, Ecuador. . In the past I was a P4, P5, and D1 at the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, located in the Kingdom pf the Netherlands

Publicado en Sin categoría
7 comments on “FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA QUÍMICA III
  1. María Gabriela Ruiz Hinojosa dice:

    Saludos, Inge. Felicidades por su blog, y felicidades por continuar en el mundo académico. Es imprescindible que aquellos que han acumulado sabiduría a lo largo de los años la compartan con el mundo, especialmente en Ecuador, donde las personas que tienen algo interesante que decir no tienen tanta cabida. Por favor, continúe así, pues espero contar con su sabiduría si algún día tengo la oportunidad de trabajar como profesora.
    Soy Ingeniera Química y actualemente estoy desarrollando mis estudios de doctorado en Bélgica. Y realmente creo que no hay nada como la experiencia.
    Lindo día

    • Muchísimas gracias por sus gentileza palabras y por su amable comentario.Todo lo mejor para usted.

    • Gracias María Gabriela. Muchos éxitos en sus proyectos. La experiencia es importante, pero en nuestro pais no se valora.

      Saludos atentos

      • María Gabriela Ruiz Hinojosa dice:

        Talvez no se valora porque se invisibiliza. Sin embargo, yo creo que las sociedades más exitosas son las que han sabido aprovechar la sabiduría de los mayores. Por eso, le animo a continuar compartiendo sus conocimientos.

  2. EDISSON dice:

    Estimado Ingeniero,
    Le agradezco su generosidad al impartir sus conocimientos en los diferentes artículos publicados. El artÍculo sobre la producción de aldehído cinámico me pareció muy útil desde el punto de vista del diseño experimental, ya que permite mediante una simulación digital evaluar el comportamiento de los diferentes componentes del sistema.
    Le solicito por favor podría explicar “La función de transferencia, transformada de Laplace y simulación digital”, aplicada a un caso común de la industria creo que este tema será de gran utilidad para los estudiantes que seguimos este blog.

    SALUDOS CORDIALES,
    EDISSON ARIAS

    • Estimado Edisson,

      Su comentario me parece muy interesante. Sin embargo creo que el trabajo con transformadas de Laplace es innecesariamente complicado y aproximado en los casos en que hay que linearizar, que son casi todos.

      De todas maneras le agradezco por su gentil comentario.

      Saludos Atentos,

    • Yo no trabajo con transformadas de Laplace porque presentan un montón de problemas. Trabajó en el dominio del tiempo.

      Saludos

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