AUTOMATIZACIÓN DE UN REACTOR TANQUE-AGITADO BATCH-I

Objeto de este artículo

El objeto de este artículo es  exponer de manera narrativa – y, Dios mediante, simple- la estructura del control de un reactor operado en modalidad batch donde se realiza la reacción endotérmica A + B → C, con objeto de facilitar la adecuada comprensión de los resultados de su simulación, que se presentarán en un artículo subsiguiente.

Características de la operación de un reactor batch tanque-agitado

El comportamiento de un reactor de este tipo es transitorio desde el comienzo hasta el fin del la parada. Transitorio implica que los valores de las variables del proceso cambian con el tiempo.

La “transitoriedad” es absoluta en el caso de las concentraciones de las especies químicas, porque varían continuamente; es relativa en el caso de la temperatura de reacción, y en el caso del nivel del reactor porque la temperatura es una variable controlada, que sólo varía hasta que llega al valor deseado; y porque el nivel sólo varía durante el llenado del reactor, que ocurre después del arranque, y antes del comienzo de la reacción.

Estas características del reactor batch, que lo hacen diferente del reactor continuo, determinan que su automatización requiera de una combinación de control regulatorio y de control discreto, que debe implementándose mediante controladores regulatorios convencionales, y funciones discretas de PLCs.

Esto, que se puede apreciar a simple vista en el P&ID de la Figura 1, implica también que -en estos reactores- los dos tipos de instrumentación deban ejercer su acción de manera simultánea, como se podrá apreciar en mayor detalle en un artículo siguiente.

Introducción a algunos conceptos básicos

Para entrar en materia mencionaremos en las siguientes secciones, muy brevemente, algunas ideas acerca de variables continuas, eventos discretos, alarmas, variables manipuladas, instrumentación regulatoria y discreta, arranque, y algunas algunas ideas adicionales que podrían interesar dentro del contexto de la automatización del reactor.

Variables continuas y su control

Estas variables se representan por medio de funciones matemáticas continuas. Esto significa que -en la vida real, y si se acepta la redundancia- estas variables deben tener valores continuos, para todos los tiempos, lo que -dicho sea de paso, y paradójicamente- no sucede en la simulación digital, que -por ser una realidad virtual digital- las representa (en realidad factual) como valores discretos que la simulación produce cada ΔT.

La temperatura del reactor es un ejemplo de variable continua. Por eso, para controlarla, debe utilizarse un controlador de acción continua, que module, o maneje, otra variable continua, que en este caso es el flujo de vapor, y que se conoce como variable manipulada. La modulación en este caso se realiza por medio de la válvula neumática de control FV-110, como puede observarse en el P&ID de la Figura 1

Eventos discretos

Estos eventos son aquellos que, por lo general, sólo pueden tener estados específicos,  discretos, mutuamente excluyentes, como, por ejemplo: prendido o apagado; lleno o vacío; valor alto, medio, o bajo, etc.

Estos eventos pueden ser “normales”, o de excepción.

Eventos discretos normales

Los eventos normales, que son los que el ingeniero diseñador del proceso ha previsto que sucedan en el transcurso de la operación, se inician por acción del operador, o por acción de la instrumentación discreta (PLCs), o regulatoria. En este caso, son eventos normales los estados lógicos de las alarmas LAM-127=TRUE, LAH-125=TRUE, por ejemplo, y las acciones que estos estados desencadenen por medio de sus entrelaces, o interlocks.

Eventos discretos de excepción

Los eventos de excepción pueden iniciarse, entre otras causas, por acción errónea de un operador mal entrenado; por errores del diseño; por especificación o reemplazo erróneo de accesorios, como válvulas de seguridad, trampas de vapor, válvulas, etc.; o por fallas de los componentes del sistema, como el motor y/o turbina de agitación, válvulas de admisión de vapor, válvulas de carga, o de descarga, etc.

Sin embargo de que estos eventos no forman parte de de la operación “normal”, el diseñador debe reconocer que pueden ocurrir, y prever su manejo.

Un ejemplo de evento discreto de excepción es una sobrepresión en la chaqueta.

Eventos discretos del reactor batch del ejemplo

Algunos de los eventos discretos del caso que presentamos pueden ser los siguientes, por ejemplo: (1) El arranque del motor de agitación (M198=TRUE), indispensable para poder operar el reactor;  (2) Los valores característicos de tres niveles, que ocurren durante la operación del reactor (LAL-120, LAM-127, y LAH-125), inherentes a la carga y descarga del reactor; y (3) La activación de alarmas y el emprendimiento de las acciones preventivas o correctivas ante la ocurrencia de eventos específicos, sean estos normales o excepcionales, como el cierre o apertura de válvulas discretas.

Alarmas

Las alarmas no son controles, como algunos estudiantes erróneamente creen, a veces. Tienen “set points”, o “valores de disparo”, y desencadenan, dentro de la lógica de entrelace, o “interlocking”, eventos discretos.

Típicas alarmas pueden ser: (1) Alarma de presión alta en la chaqueta (https://simulacionblog.com/modelado-y-simulacion-de-la-dinamica-de-la-chaqueta-de-calentamiento-un-reactor-batch/, http://youtu.be/0Y4OnurXuJA), que desencadena el evento de cierre de la válvula discreta de bloqueo FV-132 (FV132=FALSE); y (2) Las alarma de  nivel bajo, de nivel medio, y de nivel alto, ya mencionadas.

¿Variables “continuas” que se manejan en forma discreta?

Es probable que los amables lectores, que hayan tenido la paciencia, y hayan llegado hasta esta parte del artículo, puedan preguntarse: ¿por qué, si la variable “nivel de la mezcla reaccionante” es intrínsecamente continua, y -como tal- adquiere valores continuos durante el llenado, se maneja mediante instrumentación discreta en el caso del reactor batch?

La contestación a la pregunta es que el manejo es discreto porque lo que interesa en el reactor batch son tres valores discretos del nivel de la mezcla reaccionante, que desencadenan acciones específicas; y porque en ningún caso puede este nivel, ni debe, sobrepasar el valor de la altura (física) de operación del reactor.

P&ID del reactor tanque-agitado batch

En la figura siguiente se muestra el P&ID, que representa el esquema de la instrumentación que se propone para la automatización del reactor batch que se va a usar para producir C.

Figura 1. P&ID, reactor batch para producción de C en base de A y B

Figura 1. P&ID, reactor batch para producción de C en base de A y B

En la figura siguiente puede apreciarse la lista de los componentes de la instrumentación que se muestra en el P&ID de la Figura 1.

Figura 2. Lista de componentes de la instrumentación regulatoria y discreta

Figura 2. Lista de componentes de la instrumentación regulatoria y discreta

Instrumentación regulatoria del reactor

En la Figura 1 puede apreciarse que la instrumentación regulatoria está compuesta por dos lazos: El de control de temperatura, que ejerce su acción mediante la modulación del flujo de vapor; y el de control del valor del coeficiente total de transferencia de calor, que ejerce su acción mediante la modulación de la velocidad de rotación del eje de la turbina de agitación, que se implementará en otra simulación.

Variables manipuladas de la instrumentación regulatoria

El lazo de control de temperatura ejerce su acción mediante la manipulación del flujo de vapor, que -a su vez- determina la velocidad de calentamiento, y -al final- la temperatura de reacción.

El lazo de control del coeficiente de transferencia de calor, debe manipular la velocidad de la turbina de agitación, lo que – a su vez- determina el valor del coeficiente interno de transferencia de calor del reactor, lo que -a su turno-  determina el valor del coeficiente global de transferencia de calor.

Instrumentación discreta del reactor

El sistema de instrumentación discreta del reactor está constituido por cuatro subsistemas.

El primero maneja la secuencia de inicialización del reactor; el segundo maneja el arranque; el tercero maneja el llenado del reactor; y el cuarto maneja el incremento de la presión en la chaqueta.

A continuación se presentan breves descripciones de cada uno de ellos.

Subsistema de inicialización del reactor

Este subsistema está representado en la simulación por la subrutina INICIAL, cuyo diagrama de flujo ANSI se muestra en la Figura 3. Esta secuencia de verificación asegura que los componentes de la instrumentación se encuentren en los estados lógicos correctos para el arranque, que se indican en la Figura 2.

Subsistema de arranque del reactor

Para arrancar el reactor, el operador debe mantener un corto “diálogo” con el simulador, en la realidad virtual; y con una interfase tangible de usuario, en la realidad factual.

Si el resultado de la secuencia de inicialización ha sido satisfactorio, el simulador indicará al operador que el reactor puede arrancar.

Luego, el simulador formulará dos preguntas al operador, un tanto farisaicas, porque el operador debe responderlas afirmativamente so pena de abortar el arranque.

Las preguntas son: (1) “¿Va a encender el motor de agitación?“, acción que -una vez llevada a cabo- equivale, en la vida real,  a energizar todos los subsistemas del sistema de control; y, (2) En caso de que el reactor esté lleno, o semi-lleno (lo cual no es normal, pero debe preverse): “¿Confirma que quiere vaciar el reactor?“.

Una vez contestadas afirmativamente las preguntas indicadas, el sistema automático da comienzo la secuencia de llenado, que consiste en lo que a continuación se indica brevemente

Subsistema de llenado del reactor

Este subsistema está compuesto por las alarmas LAL-120, LAM-127, y LAH-115, y por las válvulas discretas FV-125, FV-130, y FV-135.

La lógica de la carga de reactivos es simple. Si el reactor está vacío (LAL-120= TRUE, LAM-127=FALSE, LAH-115=FALSE, FV-135=FALSE),  la válvula FV-125 se abre, acción que da comienzo a la carga el reactivo A, que continúa hasta que la alarma LAM-127 adquiere el valor TRUE, evento que señala la terminación de la carga  del reactivo A en el reactor.

La terminación de la secuencia mencionada  determina que la válvula FV-125 adquiera el valor FALSE, y se cierre; y que la válvula FV-130 adquiera el valor TRUE, y se abra, y que con ello comience la carga del reactivo B en el reactor.

Cuando el reactivo B alcanza su nivel máximo, la alarma LAH-115 se activa, adquiere el valor TRUE, y la válvula FV-130 se cierra, terminando con ello la secuencia de carga del reactor.

A partir del momento en que el reactor se carga, comienza la reacción, en la simulación, pudiendo argumentarse que, en la realidad factual, la reacción comienza realmente antes, en modalidad semi-batch, cuando empieza a cargarse el reactivo B sobre el reactivo A.

Subsistema de descarga del producto

Este subsistema se maneja mediante la alarma de concentración alta CAH-145, que tiene un “valor deseado” conveniente, que en la simulación se ha fijado en 0.45 kg mole de C por m³, equivalente a una conversión de A de 90%.

La lógica es simple: cuando la concentración llega al “valor de disparo” de la alarma, se abre la válvula FV-135 (FV-135=TRUE), y se descarga el reactor hasta que h<0.001 m, momento en el que se cierra la válvula FV-135 (FV-135=FALSE); se cierra la válvula de FV-132 (FV-132=FALSE), que bloquea el flujo de vapor; y se paga el motor de agitación (M-198=FALSE), con lo que se suspende el suministro de energía a todos los sistemas de la instrumentación del reactor.

Subsistema de manejo de elevación de presión en la chaqueta

El sistema de manejo de la elevación de la presión en la chaqueta se maneja por medio de la subrutina EMERGENCY_SHUTDOWN.

La elevación de la presión en la chaqueta se produce, en la simulación, mediante un “erróneo reemplazo de la trampa da vapor”, por una trampa de capacidad diez veces menor que la original, lo que -en la simulación- se causa mediante el simple cambio del valor original del coeficiente de descarga de la trampa, de Kt=5.00 a Kt=0.5 m3/h-atm^0.5, provocando con ello la inundación de la chaqueta, la consecuente elevación de la presión, y la consecuente explosión, de no mediar la apertura de una válvula de seguridad de coeficiente igual a 200 kg vapor/h-atm, que evita la “catástrofe virtual”.

Para evitar esta catástrofe se ha instalado (virtualmente, claro está) una válvula de seguridad que se abre a la misma presión a la que se cierra la válvula discreta de bloqueo de vapor FV-132 (FV-132=FALSE), acción que se inicia cuando la alarma de presión alta PAH-122 se dispara y se entrelaza con la válvula mencionada, abriéndola (FV-SEG=TRUE).

Diagrama de flujo ANSI de la subrutina INICIAL

A continuación se presenta el diagrama de flujo ANSI de la subrutina INICIAL.

Figura 3. Verificación de estado lógico inicial de los componentes del sistema de control del reactor antes del arranque

Figura 3. Verificación de estado lógico inicial de los componentes del sistema de control del reactor antes del arranque

Interfase de usuario del simulador

Figura 4. Interfase de usuario del simulador de automatización del reactor

Figura 4. Interfase de usuario del simulador de automatización del reactor

One comment on “AUTOMATIZACIÓN DE UN REACTOR TANQUE-AGITADO BATCH-I
  1. Edwin dice:

    hola, necesito saber cueles son las lineas neumáticas y cuantos psi, la linea de corriente eléctrica mA. de este tanque por favor lo antes posible…..

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