AUTOMATIZACIÓN DE UN REACTOR TANQUE-AGITADO BATCH-II

Objetivo de éste artículo

En un artículo anterior presentamos la primera parte de la automatización de un reactor batch (https://simulacionblog.com/automatizacion-de-un-reactor-tanque-agitado-batch-i/).

Allí presentamos el P&ID del reactor;  explicamos la lógica del funcionamiento de la instrumentación, haciendo hincapié en las funciones de PLC, que manejan  la inicialización, la carga, y la descarga del reactor, que son los eventos normales de la operación; y explicamos también el evento de excepción “elevación de presión en la chaqueta”.

En este artículo queremos presentar la estructura general del programa de simulación, mediante un diagrama de flujo ANSI, que puede observarse a continuación, en la Figura 1, y otros aspectos atinentes a la instrumentación discreta, y a su funcionamiento.

Figura 1. Diagrama de flujo ANSI simplificado del programa de simulación

Figura 1. Diagrama de flujo ANSI simplificado del programa de simulación

El programa de simulación

El programa de simulación, que -por su extensión- no presentaremos en este artículo, se resume por medio del diagrama de flujo ANSI de alto nivel que se presenta en la Figura 1, donde puede apreciarse que hay dos secuencias que se realizan antes que el reactor comience a funcionar, que son la incialización y el arranque.

En la realidad factual esas secuencias se realizan antes que el reactor comience a funcionar.

En la simulación ocurren antes que los eventos y acciones que dependen del tiempo se simulen, lo que presupone que la inicialización y el arranque ocurren instantáneamente, lo que sin embargo de no ser estrictamente posible, puede considerarse como tal, por su corta duración.

Las acciones inherentes a estas subrutinas se describieron en el artículo anterior.

También presentaremos algunos resultados de la simulación, resaltando -precisamente mediante el uso de esta herramienta- algunos aspectos que consideramos muy importantes, como la adecuada especificación de la válvula de seguridad, y la de la válvula de modulación del flujo de vapor, por ejemplo.

También intentaremos, a la par que abordamos los aspectos mencionados, enfatizar algunos aspectos  relevantes de la operación del reactor.

Simulación de los eventos y acciones que dependen del tiempo

Como puede osbervarse en la Figura 1, los eventos y acciones que dependen del tiempo se simulan mediante el lazo iterativo que controla el tiempo entre T=0, y T= Tmax, valor -éste último- que fija el analista del proceso, y que -sin embargo de que en principio determina la máxima duración de la simulación-, se subordina a la posible terminación de la parada del reactor por alcance de la concentración deseada, cuando ésta ocurra antes de Tmax.

Evento LLENADO DEL REACTOR

El reactor llena primero con el reactivo A, y luego con el reactivo B. Como estos eventos deben ocurrir a tiempo cero (T=0), ésta es la condición desencadena el LLENADO DEL REACTOR, como se puede observar en el diagrama de flujo de la Figura 1.

En mérito a la simplicidad del diagrama no se muestra una lógica interna del evento LLENADO DEL REACTOR, que incluye la comprobación de que éste no esté ni parcial, ni totalmente, lleno, condición que puede originarse en una falla que pudiera haber ocurrido durante el transcurso de la parada anterior a la que simulamos, causando que el nivel de la mezcla reaccionante no sea cero a T=0, lo que implica que el programa deba posibilitar que éste se vacíe antes que se pueda llenarse con reactivos frescos A, y B.

Secuencias de INTEGRACIÓN DE ECUACIONES DIFERENCIALES y CONTROL DE TEMPERATURA

La lógica, y la manipulación de estos dos eventos en la simulación es esencialmente la misma que ya expusimos en un artículo anterior (https://simulacionblog.com/modelado-y-simulacion-de-la-dinamica-de-la-chaqueta-de-calentamiento-un-reactor-batch/); es estándar en la simulación de procesos de este tipo, y por eso nos parece que no amerita ninguna explicación adicional.

Evento EMERGENCY SHUTDOWN

La lógica de este evento merece comentarse con un poco de detalle, por su importancia, y también por la manera en que lo hemos tratado.

En la simulación, y en el diseño conceptual, el reactor está protegido del evento excepcional “elevación de presión en la chaqueta”, por dos componentes, que son, en su orden: una válvula de seguridad, calibrada para abrirse a una presión Pvset_seg igual al 50% de la presión de diseño, y una alarma de presión alta PAH, calibrada al mismo valor que, cuando se dispara, cierra una válvula discreta que bloquea el flujo de vapor de calefacción, anulando –de facto– la acción de la válvula neumática de modulación de ese flujo, manejada por el control de temperatura.

Vale la pena indicar que el cierre de la válvula de bloqueo de vapor, y la apertura simultánea de la válvula de seguridad son eventos independientemente concurrentes, no entrelazados, que constituyen la base del sistema que protección del reactor, que a continuación describiremos brevemente.

Las acciones de este evento se dan de la siguiente manera: Cuando la presión sobrepasa el valor de calibración de la válvula de seguridad, ocurren dos cosas: (1) La válvula de seguridad se abre; y (2) La válvula discreta de bloqueo de vapor (véase el artículo anterior) se cierra, debiendo enfatizarse, al respecto, que el primer evento es es necesario, y suficiente -en principio- para detener la elevación de presión en la chaqueta; y que el segundo, sin embargo de no ser suficiente, es necesario, porque -por lógica elemental- no es posible ejecutar una parada de emergencia sin interrumpir el flujo de vapor de calefacción.

Evento DESCARGA DEL REACTOR por obtención de la concentración deseada de producto

Respecto del tiempo virtual máximo Tmax de duración de la simulación, es importante notar que la parada puede terminar antes que ese tiempo transcurra, como se dijo anteriormente.

También es importante indicar que esto puede suceder porque la reacción, por su velocidad, puede obtener la concentración deseada del producto antes que transcurra Tmax, que es un tiempo que el analista ha fijado arbitrariamente; y que -en los casos en que esto ocurra- la alarma de concentración alta, CAH se activará, desencadenando la descarga y la consiguiente parada del reactor.

Esta lógica se puede observar en el diagrama de flujo de la Figura 1.

Resultados de la simulación

Evento VACIADO-LLENADO DEL REACTOR

Los resultados de la simulación de este evento, que cuando el reactor ha quedado lleno, o semilleno a causa de un evento de excepción que presuntamente ha ocurrido en la parada anterior, se convierte realmente en dos eventos que son: vaciado primero, y llenado después,  se muestran el gráfico de variación de nivel de la mezcla versus tiempo, en la Figura 2; y el de variación de los flujos de vaciado-llenado, en la Figura 3.

Figura 2. Variación del nivel de mezcla de reacción versus tiempo

Figura 2. Variación del nivel de mezcla de reacción versus tiempo

En la Figura 2 es posible observar el transcurso del nivel del reactor, desde un estado “semilleno”, caracterizado por un nivel de 0.4 m, consecuencia presunta de un evento de excepción ocurrido durante el transcurso de la parada anterior a la que se analiza, hasta un tiempo que puede estimarse como de 0.08 h, en que se vacía, para inmediatamente empezar a llenarse hasta adquirir el nivel de operación.

Figura 3. Flujos de vaciado llenado del reactor semi-lleno

Figura 3. Flujos de vaciado llenado del reactor semi-lleno

En la Figura 3 puede observarse, en cambio, la variación en el flujo de vaciado F3, la del  flujo de llenado de A, F1; y la del flujo de llenado de B, F2, con el tiempo. Es importante indicar que la iniciación y conclusión de estos flujos se manejan por medio de las funciones de PLC, como se indicó en el artículo precedente; y que esto se realiza mediante un entrelace de apertura-cierre de la válvula de descarga, con una secuencia contraria de cierre-apertura de la válvula que maneja la carga del reactivo A; y, cuando se ha terminado el llenado de éste, mediante un entrelace del mismo tipo, con la válvula que maneja la carga del reactivo B.

Para ilustrar esto último, a continuación se muestran las respectivas matrices de incidencia de las válvulas FV-135, FV-125, y FV-130 (véase el P&ID, en el artículo anterior), que manejan  el flujo de vaciado del reactor, el de llenado de A; y el de llenado de B, respectivamente.

Figura 4. Matriz de incidencia de válvulas discretas durante el ciclo de vaciado

Figura 4. Matriz de incidencia de válvulas discretas durante el ciclo de vaciado

Figura 5. Matriz de incidencia durante el ciclo de carga de A

Figura 5. Matriz de incidencia de válvulas discretas durante el ciclo de carga de A

Figura 6. Matriz de incidencia de válvulas discretas durante el ciclo de carga de B

Figura 6. Matriz de incidencia de válvulas discretas durante el ciclo de carga de B

Integración de las ecuaciones diferenciales de conservación de masa y energía, y control de temperatura

Los resultados correspondientes a estas secuencias se presentan a continuación, en las figuras 7,  8, y 9, sin mayores comentarios por haberse mencionado antes.

Figura 7. Conservación de masa en la chaqueta del reactor

Figura 7. Conservación de masa en la chaqueta del reactor

Figura 8. Concentración de reaccionantes y producto versus tiempo

Figura 8. Concentración de reaccionantes y producto versus tiempo

Figura 9. Control de temperatura

Figura 9. Control de temperatura

Evento EMERGENCY SHUTDOWN

Los resultados de este evento se indican a continuación, en forma gráfica.

La elevación de presión se causa, en la simulación, mediante la “instalación” de una trampa de vapor de baja capacidad, que produce la inundación de la chaqueta, asunto que -obviamente- constituye un error garrafal, trágicamente catastrófico, como veremos.

Como el programa permite simular la operación “desinstalando” la válvula de seguridad, y “reinstalándola” luego, eso es lo que haremos, para presentar los dos casos, y -mediante los respectivos resultados-, los indudables beneficios de la instalación de la válvula de seguridad, y la acción de “parada de emergencia” de la instrumentación, que -como la caballería en las películas de vaqueros- salva al reactor de su destrucción por explosión.

Figura 10. Conservación de masa en chaqueta-explosión

Figura 10. Conservación de masa en chaqueta-explosión

Figura 11. Nivel de condensado en chaqueta-Explosión

Figura 11. Nivel de condensado en chaqueta-explosión

Figura 12. Presión en chaqueta-explosión

Figura 12. Presión en chaqueta-explosión

Como se puede apreciar en la gráfica de la Figura 10, la errónea “instalación” de una trampa de vapor de capacidad inadecuada, produce que el flujo másico de vapor que se alimenta a la chaqueta  a través de la válvula de modulación del flujo de vapor, sea mucho mayor que el condensado que es posible desalojar a través de la trampa respectiva, produciendo una condición de desequilibrio.

Esta condición produce, a su vez, la inundación de la chaqueta, que puede apreciarse en la Figura 11, lo que -y esto no se muestra- reduce apreciablemente el área de condensación de vapor, lo que -a su vez- produce la explosión que puede apreciarse en la Figura 12, debido a las causas indicadas, así como a la “desinstalación virtual” de la válvula de seguridad que hemos implementado en la simulación sólo como ilustración, sin muertos ni heridos, gracias a Dios.

Para contraste, en la siguientes figuras presentamos el funcionamiento del reactor, con la misma trampa de inconsulta capacidad, pero con la válvula de seguridad “reinstalada”, lo que -sin embargo de malograr la parada- salva al reactor, como habíamos indicado antes.

Figura 13. Conservación de masa en la chaqueta-con válvula de seguridad

Figura 13. Conservación de masa en la chaqueta-con válvula de seguridad

Figura 14. Nivel de condensado en la chaqueta-con válvula de seguridad

Figura 14. Nivel de condensado en la chaqueta-con válvula de seguridad

Figura 15. Presión en chaqueta-con válvula de seguridad

Figura 15. Presión en chaqueta-con válvula de seguridad

 Con respecto a la operación del reactor con la válvula de seguridad “reinstalada”, se pueden hacer los siguientes comentarios.

En la Figura 13 puede observarse que la interacción entre la alarma de presión alta, PAH, y la válvula de bloqueo, ha interrumpido el flujo de vapor a un tiempo aproximado de 0.4 h, y que la acción misma de bloqueo se ha producido de manera casi instantánea por acción de la respectiva función del PLC.

Se debe remarcar también, que a las 0.4 h, que es el tiempo virtual en que la simulación termina, la chaqueta se muestra inundada, y que esto se debe a que, aunque el flujo de vapor se acaba de interrumpir, todavía no ha transcurrido el tiempo suficiente para que la chaqueta descargue el condensado,  como puede apreciarse en la Figura 14, pero que sin lugar a dudas los descargará a un tiempo mayor que 0.4 h, que no se muestra.

En la Figura 15 puede apreciarse que, merced a la acción de la válvula de seguridad, cuando la parada termina, la presión de la chaqueta es igual a 1 atm.

Figura 16. Lote malogrado por parada de emergencia

Figura 16. Lote malogrado por parada de emergencia

En la Figura 16 puede apreciarse, así mismo, el efecto del evento de excepción sobre la calidad del lote, que se desecha, porque el reactor se descarga, como se puede apreciar en la gráfica de la Figura 17, a continuación.

Figura 17. Flujos de vaciado, llenado, y vaciado-evento de excepción "elevación de presión en chaqueta"

Figura 17. Flujos de vaciado, llenado, y vaciado-evento de excepción “elevación de presión en chaqueta”

En un artículo futuro presentaremos la especificación de las válvulas de modulación de vapor, y de seguridad, y algunos aspectos referentes a la operación del reactor.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

Enter your email address to follow this blog and receive notifications of new posts by email.

Únete a otros 1.775 seguidores

Categorías
Artículos y comentarios sobre modelado y simulación de plantas, y equipos de la industria química, con ejemplos
PREGUNTAS O INQUIETUDES
PUEDEN ENVIAR SUS PREGUNTAS/INQUIETUDES RESPECTO DE ARTÍCULOS DEL BLOG, O TEMAS AFINES A gasteaux@hotmail.com ASUNTO: BLOG DE INGENIERÍA QUÍMICA
A %d blogueros les gusta esto: