MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE...

Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

MODELADO Y CONTROL AVANZADO

DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

Autora: Gloria García Armario

Tutor: Daniel Limón Marruedo

Dep. Ingeniería de sistemas y Automática

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2017

MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

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Trabajo Fin de Grado


MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE

UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

Autora:

Gloria García Armario

Tutor:

Daniel Limón Marruedo

Profesor titular

Dep. de Ingeniería de Sistemas y Automática

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2017


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Proyecto Fin de Carrera: MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE

DESTILACIÓN

Autor: Gloria García Armario Tutor: Daniel Limón Marruedo

El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2017

El Secretario del Tribunal


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6

A mi familia

A mis amigos


7

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, me gustaría agradecer a mi tutor, Daniel Limón Marruedo, por toda la

atención y la ayuda prestada, sin las cuales este trabajo no habría sido posible.

Agradecer también, de todo corazón, a mi familia y a mis amigos más cercanos, pues han sido

esenciales, sobre todo por su apoyo en los momentos de flaqueza.

A veces, una sonrisa es el mejor de los alicientes.

Gloria García Armario


Sevilla, 2017


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9

RESUMEN

El presente trabajo tiene como objeto crear un modelo de simulación de una columna de

destilación específica, situada en el laboratorio del departamento de Ingeniería de Sistemas y

Automática.

Para ello, nos ayudaremos del software de simulación Aspen HYSYS, que ofrece una gran

variedad de recursos para simular procesos de la industria química. De tal forma, se hará un

estudiar el proceso químico en cuestión seguido de un desglose de las funcionalidades de la

herramienta HYSYS.

En última instancia, se hallará un modelo dinámico listo para diseñar distintas estrategias de

control que se puedan aplicar a la columna real. Como base para dicho modelo dinámico, se

construirá otro modelo en estático, algo más complejo, que represente el proceso real.


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ABSTRACT

The aim of this Project is building a simulation model for a specific distillation column, located

in one of the Systems and Automatics Engineering Department laboratories

We will be using Aspen HSYSYS software, which allows the user to create a wide range of

different processes within chemical industry. We will also focus on the basis of the distillation

process and the functions of HYSYS that may be needed.

In the end, we will create a dynamic model so that different control strategies can be tested on

it. We will use a previous steady-state model as the first step in modeling, providing us with

some required parameters, even though the steady state model is a little more complex in

order to implement the real features in the column.


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CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................................... 7

RESUMEN .............................................................................................................................................. 9

ABSTRACT ............................................................................................................................................ 10

ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................................................. 13

ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................................................ 15

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 16

CAPÍTULO 2: LA DESTILACIÓN. FUNDAMENTOS. .................................................................................. 17

2.1-INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 17

2.2-EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR ........................................................................................................... 17

2.3-PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO .................................................................................................. 18

2.4-ESTRUCTURA GENERAL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN.......................................................... 19

2.5-CLASIFICACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN ............................................................................. 20

2.6-TIPOS DE PLATOS ............................................................................................................................. 20

2.7-EFECTO DEL REFLUJO ....................................................................................................................... 22

2.8-EFECTOS NO DESEADOS ................................................................................................................... 23

CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA ........................................................................................... 24

3.1-ESQUEMA GENERAL ......................................................................................................................... 24

3.2-ELEMENTOS ..................................................................................................................................... 26

3.2.1-CALDERÍN .................................................................................................................................. 26

3.2.2-TORRE DE PLATOS..................................................................................................................... 27

3.2.3-CONDENSADOR ........................................................................................................................ 28

3.2.4-ACUMULADOR .......................................................................................................................... 28

3.2.5-BOMBA DE ALIMENTACIÓN. ..................................................................................................... 29

3.3-PECULIARIDADES Y ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA ........................................................................ 29

CAPÍTULO 4: DATOS EXPERIMENTALES PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL MODELO ................................. 32

4.1-CONDICIONES DE PARTIDA. ............................................................................................................. 32

4.2-VARIACIÓN EN EL CAUDAL DE ALIMENTACIÓN. ............................................................................... 33

4.3-VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE REFLUJO ........................................................................................ 33

4.4-VARIACIÓN EN LA POTENCIA DEL CALDERÍN. ................................................................................... 34

CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN HYSYS ........................................................................................................ 36

5.1-PANEL PRINCIPAL ............................................................................................................................. 37

5.1.1-Properties Environment ............................................................................................................ 37

5.1.2-Simulation Environment ........................................................................................................... 38

5.1.3-Safety Analysis Environment .................................................................................................... 39

5.1.4-Energy Analysis Environment ................................................................................................... 39

5.2-PAQUETES DE PROPIEDADES ........................................................................................................... 40

5.2.1-Ecuaciones de Estado ............................................................................................................... 40

5.2.2-Modelos de actividad. .............................................................................................................. 41

5.2.3-MODELOS DE Chao Seader Y Grayson Streed ........................................................................... 42

5.2.4-Modelos de presión de vapor ................................................................................................... 43


12

5.2.5-Gas ácido, glicol y electrolito .................................................................................................... 43

CAPÍTULO 6: MODELADO ESTÁTICO ..................................................................................................... 44

6.1-ELECCIÓN DE COMPONENTES Y PAQUETES DE FLUIDOS ................................................................. 44

6.2-ELEMENTOS USADOS ....................................................................................................................... 44

6.3-CONSTRUCCIÓN DEL MODELO ......................................................................................................... 47

6.4- VALIDACIÓN DEL MODELO. ............................................................................................................. 50

CAPÍTULO 7: MODELADO DINÁMICO ................................................................................................... 56

7.1- ADAPTACIÓN DEL MODELO ............................................................................................................. 56

7.2-COLOCACIÓN DE CONTROLADORES ‘PRIMARIOS’ ........................................................................... 60

7.3- VALIDACIÓN DEL MODELO DINÁMICO. ........................................................................................... 63

CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES ............................................................................................................... 67

CAPÍTULO 9: LÍNEAS FUTURAS ............................................................................................................. 68

REFERENCIAS ....................................................................................................................................... 69


13

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1: DIAGRAMA DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR DE AGUA Y ETANOL A 1 ATMÓSFERA. .......................................... 18

FIGURA 2: ESQUEMA GENERAL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN. .......................................................................... 19

FIGURA 3: ESQUEMA DE UNA CAMPANA DE BORBOTEO. (1)..................................................................................... 21

FIGURA 4: ESQUEMA DE UN PLATO DE VÁLVULAS. (1) ............................................................................................. 21

FIGURA 5: REPRESENTACIÓN DE UN PLATO PERFORADO. (1) .................................................................................... 21

FIGURA 6: PLATO DE LA PLANTA BAJO ESTUDIO...................................................................................................... 22

FIGURA 7: IMAGEN DE LA PLANTA. ...................................................................................................................... 24

FIGURA 8: ESQUEMA DE LA PLANTA. ................................................................................................................... 25

FIGURA 9: CALDERÍN. ....................................................................................................................................... 27

FIGURA 10: PLATOS EN LA COLUMNA Y SUS SENSORES. ........................................................................................... 27

FIGURA 11: CONDENSADOR. ............................................................................................................................. 28

FIGURA 12: ROTÁMETRO. ................................................................................................................................. 28

FIGURA 13: ACUMULADOR. .............................................................................................................................. 29

FIGURA 14: VÁLVULA DE TRES VÍAS. .................................................................................................................... 29

FIGURA 15: BOMBA DE ALIMENTACIÓN. .............................................................................................................. 29

FIGURA 16: ZONA DE ALIMENTACIÓN. ................................................................................................................. 29

FIGURA 17: UNIÓN CONDENSADOR-CABEZA DE LA COLUMNA. ................................................................................. 30

FIGURA 18: CICLO DE LA VÁLVULA DE TRES VÍAS. ................................................................................................... 31

FIGURA 19: VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA CON LA POTENCIA DEL CALDERÍN. ........................................................... 35

FIGURA 20: VENTANA DE INICIO DE HYSYS. ......................................................................................................... 36

FIGURA 21: ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES. ...................................................................................................... 37

FIGURA 22: ELECCIÓN DE PAQUETE TERMODINÁMICO. ........................................................................................... 38

FIGURA 23: PESTAÑA DE LOS COEFICIENTES BINARIOS. ............................................................................................ 38

FIGURA 24: VENTANA DE SIMULACIÓN. ............................................................................................................... 39

FIGURA 25: VENTANA DE ANÁLISIS DE SEGURIDAD. ................................................................................................ 39

FIGURA 26: VENTANA DE ANÁLISIS ENERGÉTICO. ................................................................................................... 40

FIGURA 27: ELEMENTO COLUMNA DE DESTILACIÓN. ............................................................................................... 44

FIGURA 28: ELEMENTO COLUMNA DE ABSORCIÓN. ................................................................................................ 45

FIGURA 29: ELEMENTO BOMBA. ........................................................................................................................ 45

FIGURA 30: ELEMENTO VÁLVULA........................................................................................................................ 45

FIGURA 31: ELEMENTO CONDENSADOR. .............................................................................................................. 46

FIGURA 32: ELEMENTO SEPARADOR. ................................................................................................................... 46

FIGURA 33: ELEMENTO RECICLO. ........................................................................................................................ 46

FIGURA 34: ELEMENTO DIVISOR. ........................................................................................................................ 47

FIGURA 35: ELEMENTO MEZCLADOR. .................................................................................................................. 47

FIGURA 36: DIAGRAMA DE REFLUJO. ................................................................................................................... 48

FIGURA 37: CASE STUDY. ................................................................................................................................. 49

FIGURA 38: MODELO COMPLETO EN ESTÁTICO. ..................................................................................................... 55

FIGURA 39: TAMAÑOS EN LA TORRE.................................................................................................................... 56

FIGURA 40: TAMAÑO DEL CONDENSADOR. ........................................................................................................... 56

FIGURA 41: TAMAÑO DEL CALDERÍN. .................................................................................................................. 56

FIGURA 42: PARTES DE UN PLATO. (7) ................................................................................................................ 57

FIGURA 43: DIMENSIONADO DE VÁLVULA. ........................................................................................................... 58

FIGURA 44: CAMBIOS EN TOLERANCIAS Y MÉTODO DE RESOLUCIÓN........................................................................... 58

FIGURA 45: VÁLVULAS EXTERNAS. ...................................................................................................................... 59

FIGURA 46: VÁLVULA Y BOMBA PARA EL REFLUJO. ................................................................................................. 59


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FIGURA 47: CONTROLADORES I. ......................................................................................................................... 61

FIGURA 48: CONTROLADORES II. ........................................................................................................................ 61

FIGURA 49: VARIABLES EXPORTADAS E IMPORTADAS. ............................................................................................. 62

FIGURA 50: HOJA DE CÁLCULO. .......................................................................................................................... 62

FIGURA 51: SP REMOTO. .................................................................................................................................. 63


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ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1: DESCRIPCIÓN DE VÁLVULAS DEL SISTEMA ................................................................................................. 26

TABLA 2: DISTRIBUCIÓN TERMOPARES ................................................................................................................. 26

TABLA 3: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN, R=2 Y P=1KW. .............................................................................. 33

TABLA 4: TEMPERATURAS PARA R=2 Y P=1KW. ................................................................................................... 33

TABLA 5: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN Y P=1KW. ...................................................................................... 34

TABLA 6: TEMPERATURAS PARA F=45ML/MIN Y R=2. ........................................................................................... 34

TABLA 7: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO I. ............................................................................................................ 50

TABLA 8: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO II. ........................................................................................................... 50

TABLA 9: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO III. .......................................................................................................... 51

TABLA 10: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO IV. ........................................................................................................ 51

TABLA 11: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO V. ......................................................................................................... 52

TABLA 12: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VI. ........................................................................................................ 52

TABLA 13: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VII. ....................................................................................................... 53

TABLA 14: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO VIII. ...................................................................................................... 53

TABLA 15: VALIDACIÓN PARA ESCENARIO IX. ........................................................................................................ 54

TABLA 16: PARÁMETROS FINALES DE LOS CONTROLADORES. .................................................................................... 62

TABLA 17: COMPARATIVA CASO BASE ENTRE PLANTA REAL Y MODELO DINÁMICO. ........................................................ 63

TABLA 18: EFECTO DE VARIAR EL CAUDAL DE ENTRADA EN LA PLANTA ORIGINAL. .......................................................... 64

TABLA 19: EFECTO DE VARIAR EL CAUDAL DE ENTRADA EN EL MODELO DINÁMICO. ....................................................... 64

TABLA 20: EFECTO DE VARIAR LA POTENCIA DEL CALDERÍN EN LA PLANTA ORIGINAL. ..................................................... 64

TABLA 21: EFECTO DE VARIAR LA POTENCIA DEL CALDERÍN EN EL MODELO DINÁMICO.................................................... 65

TABLA 22: EFECTO DE VARIAR LA RELACIÓN DE REFLUJO EN LA PLANTA ORIGINAL. ........................................................ 65

TABLA 23: EFECTO DE VARIAR LA RELACIÓN DE REFLUJO EN EL MODELO DINÁMICO. ...................................................... 65


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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de fin de grado tiene como objetivo la creación de un modelo para la

simulación de la columna de destilación que dispone el departamento de Ingeniería de

Sistemas y Automática en uno de sus laboratorios. Se trata de una columna de dimensiones

pequeñas que fue concebida para pruebas a pequeña escala en un entorno totalmente

académico.

Se tratará de conseguir un modelo dinámico que represente en la mayor medida posible, el

comportamiento de la misma. Para ello se hará uso de Aspen HYSYS, una herramienta de

simulación de procesos químicos que cada vez cuenta con más adeptos a nivel mundial.

Para ello, primero se ha revisado el proceso de destilación que se quiere modelar.

Posteriormente, se presentan los distintos elementos que conforman la planta real.

La creación del modelo se ha realizado en dos fases: en la primera, se ha desarrollado un

modelo estático de la planta y se ha validado con modelos experimentales. Realizado este

modelo, se ha extendido a modo dinámico, mucho más complejo, pues requiere la elección y

diseño de los controladores de bajo nivel que garanticen un comportamiento dinámico

estable.


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CAPÍTULO 2: LA DESTILACIÓN. FUNDAMENTOS.

2.1-INTRODUCCIÓN

La destilación es un proceso de separación de los componentes que conforman una mezcla. La

base de la destilación es el equilibrio de fases, específicamente el equilibrio vapor-líquido y, en

algunos casos, el equilibrio vapor-líquido-líquido. La destilación solo puede efectuar la

separación de componentes químicos si las composiciones de las fases líquida y vapor que se

encuentren en equilibrio son diferentes.

Veamos dos conceptos que tienen un papel relevante en el proceso de la separación: la

presión de vapor y la volatilidad relativa.

La presión de vapor es una propiedad física de un componente puro. Se trata de la presión que

un componente puro ejerce a una temperatura dada cuando están presentes tanto la fase

líquida como la gaseosa. Solo depende de la temperatura, suele ser una dependencia fuerte,

con un incremento exponencial al aumentar la temperatura.

La volatilidad relativa se define como el cociente entre la fracción molar de vapor partido de la

fracción molar líquida de cada componente:

A mayor volatilidad relativa, mayor facilidad en la separación.

2.2-EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR

El punto de ebullición de los componentes resulta el parámetro crítico en los procesos de

destilación. Son los datos del equilibrio líquido vapor los que determinan la altura de la

columna para un cierto grado de separación. Las gráficas de equilibrio líquido-vapor se

construyen a partir de los diagramas de punto de ebullición. Estas gráficas muestran el punto

de burbuja y el de rocío de una mezcla binaria a una presión constante.

Un aspecto importante en destilación es si nos encontramos ante una mezcla aceotrópica. Un

aceótropo es una mezcla líquida que, al evaporarse, produce la misma composición que el

líquido. Un aceótropo que contiene una fase líquida en contacto con vapor se denomina

aceótropo homogéneo. Un aceótropo homogéneo no puede separarse con la destilación

convencional. No obstante, la destilación de vacío se puede usar, ya que las bajas presiones

pueden cambiar el punto aceotrópico. Otra posibilidad es añadir una sustancia adicional para

mover el aceótropo a una posición más favorable. Cuando esta sustancia aparece en

cantidades apreciables a la cabeza de la columna, la operación se denomina destilación

aceotrópica. Cuando el componente adicional aparece en su mayoría en el fondo de la

columna, la operación se llama destilación extractiva.


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En el presente trabajo nos serviremos de una mezcla de etanol y agua (mezcla aceotrópica),

siendo sus diagramas de equilibrio los que se muestran a continuación (a una presión de 1

atmósfera).

Figura 1: Diagrama de equilibrio líquido-vapor de agua y etanol a 1 atmósfera.

Como puede apreciarse, a partir de unas concentraciones en el líquido de 80% molar de

etanol, no es posible conseguir en la fase vapor más pureza por mucho que se incremente la

temperatura.

2.3-PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La destilación se define como el proceso en el que una mezcla líquida o vapor de dos o más

sustancias se separa en fracciones de sus componentes de una pureza deseada, aplicando o

extrayendo calor. El proceso se basa en el hecho de que el vapor de una mezcla en ebullición

será más rico en el componente con menor punto de ebullición (el más volátil). Por tanto,

cuando este vapor se enfríe o condense, el resultado contendrá más componentes volátiles. Al

mismo tiempo, la mezcla original tendrá más cantidad del componente menos volátil.

Cuando la diferencia entre los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla es

grande, se puede conseguir una separación de buena calidad fácilmente mediante una

destilación en una sola etapa (destilación simple, la que se emplea en los alambiques, por

ejemplo). Si los puntos de ebullición varían solo ligeramente, es probable que se requieran más

etapas para un mismo grado de separación. En la mezcla más simple de dos líquidos

mutuamente solubles con estructuras químicas similares, la capacidad para evaporizarse de

cada uno no varía con la presencia del otro. El punto de ebullición de una mezcla 50-50, por

ejemplo, estaría a medio camino entre los puntos de ebullición de las sustancias puras, y el

grado de separación alcanzado en una destilación simple (de una etapa) dependerá solamente

de la capacidad de cada sustancia de evaporarse a dicha temperatura (Ley de Raoult).

Si se calientan dos líquidos indisolubles, cada uno permanece independiente a la presencia del

otro y se evapora hasta un límite determinado solo por su propia naturaleza. Dicha mezcla


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siempre hierve a una temperatura más baja que a la que lo haría cada sustancia por separado.

Este efecto se puede aplicar a sustancias que resultarían dañadas por un sobrecalentamiento si

se destilara a la antigua usanza. También se puede llevar a cabo la destilación a temperaturas

inferiores a su punto de ebullición normal mediante una evacuación parcial en la columna. A

menor presión, menor temperatura de destilación.

2.4-ESTRUCTURA GENERAL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN

Hay varios componentes importantes en una columna de destilación que se encargan de

transferir energía en forma de calor o mejorar la transferencia de materia. Típicamente son:

-Una carcasa vertical en la que se produce la separación de los componentes líquidos.

-Platos/bandejas o rellenos que aumentan la separación de componentes.

-Reboiler o calderín que suministra la energía para llevar a cabo la evaporización necesaria

para el proceso de destilación.

-Un condensador que enfría y condensa el vapor que abandona la cabeza de la columna.

-Un acumulador de reflujo en el que se recoge el destilado. Parte de este líquido se vuelve a

introducir en la columna (reflujo).

Figura 2: Esquema general de una columna de destilación.

La mezcla líquida que se procesa se denomina alimentación. Normalmente se introduce cerca

del centro de la columna, en el plato denominado etapa de alimentación. La etapa de

alimentación divide la columna en la zona de enriquecimiento (parte superior) y en la zona de

agotamiento (parte inferior). La alimentación fluye descendentemente por la columna hasta

llegar al calderín. Se suministra vapor al calderín para generar vapor. Este vapor generado se

reintroduce en el fondo de la columna. El líquido que abandona el calderín es conocido como


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producto de fondo. El vapor asciende por la columna y al salir por la parte superior de la

unidad, un condensador se encarga de enfriarlo. El condensado es almacenado en un

recipiente llamado acumulador de reflujo. Parte de este líquido se devuelve a la cabeza de la

columna y se llama corriente de reflujo. El líquido condensado que se retira del sistema es lo

que se conoce como producto de cabeza o destilado.

2.5-CLASIFICACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN

Existe una gran variedad de configuraciones para columnas de destilación, cada una diseñada

para realizar un tipo específico de separación. Un método simplificado de clasificar las

columnas es a partir de cómo operan. De esta forma, los dos grandes grupos son por lotes o

continuas. En la operación por lotes, la alimentación de la columna se introduce, como bien

indica su nombre, por porciones. Esto es, la columna se carga con una cantidad determinada

(un lote) y se lleva a cabo la destilación. Una vez alcanzada la separación deseada se introduce

una nueva carga en la corriente de la alimentación. Por el contrario, las columnas en modo

continuo procesan un flujo continuo de alimentación. No hay interrupciones, a menos que se

trate de algún fallo y se precise una parada. Son capaces de alcanzar grandes rendimientos y es

el tipo más común de los dos.

A su vez, las columnas continuas se pueden clasificar en distintas categorías según:

-La naturaleza de la alimentación. Columna binaria, con dos componentes, o columna

multicomponente, en cuya alimentación coexisten más de dos componentes.

-El número de corrientes de producto que tenga. Columnas multiproducto, cuando poseen

más de dos corrientes de producto.

-El lugar por el que sale la alimentación adicional en caso de que haga falta para ayudar con la

separación. Destilación extractiva, si la alimentación adicional aparece en la corriente de

producto de fondo, o destilación aceotrópica, cuando la alimentación adicional aparece en la

corriente de producto de cabeza.

-El interior de la columna. Columna de platos, cuando se incluyen platos de varios diseños para

retener el líquido para asegurar el contacto líquido-vapor y mejorar la separación, o columna

de relleno, cuando en lugar de platos se recurre a un relleno que efectúa el contacto entre el

vapor y el líquido.

2.6-TIPOS DE PLATOS

Los términos plato o bandeja son intercambiables. Hay muchos tipos de diseños de platos,

aunque los más comunes son platos de campana de borboteo, platos de válvula y platos

perforados.

Los platos con campana de borboteo tienen una especie de chimenea en cada agujero

y un “gorrito” que cubre el tubito. La tapa se coloca de modo que haya un espacio


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entre el tubito y la propia tapa para dejar paso al vapor. El vapor sube por la chimenea

y es dirigido hacia abajo por el “gorrito”, descargándose por las ranuras de la tapa y,

finalmente, burbujeando a través del líquido sobre el plato.

Figura 3: Esquema de una campana de borboteo. (1)

En los platos de válvula, las perforaciones están cubiertas por unas tapas móviles. El

vapor que fluye levanta las tapas, creando, de ese modo, una zona para el paso del

vapor. La tapa móvil hace que el vapor fluya horizontalmente hacia el líquido,

aportando una mezcla mejor que en los platos perforados

Figura 4: Esquema de un plato de válvulas. (1)

Los platos perforados son simplemente platos de metal con agujeros en ellos. El vapor

pasa hacia arriba y a través del líquido del plato. La disposición, número y tamaño de

los agujeros son parámetros de diseño. Debido a su eficiencia, amplio rango de

operación, facilidad de mantenimiento y factores de coste, los platos perforados y de

válvula han reemplazado a los platos de campana de borboteo en muchas

aplicaciones.

Figura 5: Representación de un plato perforado. (1)

El flujo de líquido y vapor a través de una columna de platos es complejo. El líquido cae por los


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bajantes por acción de la gravedad de un plato al inmediatamente inferior. Un rebosadero en

el plato asegura que siempre hay líquido y se diseña de modo que lo que se acumule tenga una

altura adecuada (para que por ejemplo las campanas de borboteo estén cubiertas de líquido).

El vapor asciende por la columna y se fuerza a pasar a través del líquido, por las aberturas de

cada plato. El área de paso de vapor en cada bandeja se conoce como área de bandeja activa.

El vapor más caliente fluye por el líquido del plato superior y transfiere calor al líquido.

Durante este proceso, parte del vapor se condensa añadiéndose al líquido de la bandeja. El

condensado, sin embargo, se vuelve más rico en el componente menos volátil que antes

estaba en el vapor. Además de eso, debido al calor que aporta el vapor, el líquido sobre el

plato hierve, generando más vapor. Este vapor, que se desplaza hacia el plato superior, es más

rico en el componente más volátil. Este contacto íntimo y continuo entre el vapor y el líquido

se produce en cada plato y permite la separación de componentes con un bajo punto de

ebullición y aquellos con un punto de ebullición superior. En esencia, una bandeja hace las

veces de mini columna. Cuantas más bandejas tenga una columna, mejor será la separación.

Figura 6: Plato de la planta bajo estudio.

Por otra parte, al aumentar el contacto entre el vapor y el líquido, se aumenta el grado de

separación en la bandeja. Esto implica que para el mismo grado de separación hacen falta

menos platos. Esto repercute en menos costes de construcción y consumo de energía. Los

platos por sí solos no siempre proporcionan el contacto íntimo perseguido. Por tanto, el diseño

de los platos suele ir acompañado de un relleno adicional. Los rellenos son objetos pasivos

cuyo único papel es aportar una superficie de contacto adicional entre el vapor y el líquido de

la columna, y hacerlo sin introducir una caída de presión excesiva. Un gran salto de presiones

significa que hace falta más energía para conducir el vapor ascendentemente por la columna,

lo cual aumentaría los costes de operación.

2.7-EFECTO DEL REFLUJO

Si el destilado se reintroduce en la columna a la salida del condensador haciendo que

descienda sobre una serie de platos a la vez que el vapor, a medida que asciende hacia el

condensador se burbujea en ese líquido en cada plato, el vapor y el líquido interactuarán de

manera que parte del componente más pesado (menos volátil) presente en el vapor

condensará y parte del componente más ligero (más volátil) del líquido se evaporará. La

interacción en cada plato es equivalente a una redestilación. Este proceso recibe varios

nombres en la industria entre los que destacan rectificación y destilación fraccionada.

A medida que aumenta la relación de reflujo mejora la separación y se necesitan menos

bandejas para alcanzar el mismo grado de separación. Esto es gracias a que se reintroduce un


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flujo de líquido cada vez más rico en los componentes más volátiles. Bajo condiciones de

reflujo total, el número de bandejas necesarias es mínimo, a expensas de no tener caudal de

destilado. Por el contrario, en condiciones de reflujo mínimo se requieren infinitos platos para

llevar a cabo la separación deseada. Por otra parte, también hay que tener en consideración

que a mayor reflujo, mayor será el calor que tendrá que aportar el calderín.

2.8-EFECTOS NO DESEADOS

Una consideración crítica en el diseño de una columna de destilación es la condición del flujo

de vapor. Fenómenos indeseables de formación de espuma, arrastre, lloriqueo e inundación

pueden introducir significantes ineficiencias en la separación.

La formación de espuma se refiere a la expansión del líquido debido al paso de vapor. Aunque

de esa manera se favorece el contacto líquido-vapor, una expansión excesiva conduce a una

acumulación de líquido en la bandeja. En algunos casos, este efecto llega a ser tan grande que

la espuma se mezcla con el líquido del plato de arriba.

El arrastre se produce cuando el vapor que asciende se lleva consigo parte del líquido del plato

superior, provocado, al igual que la formación de espuma, por unos altos niveles de flujo de

vapor. Un arrastre excesivo puede desembocar en inundación.

El lloriqueo es un fenómeno producido por un caudal de vapor demasiado bajo. La presión

ejercida por el vapor es insuficiente para mantener el líquido en la bandeja. Por tanto, el

líquido comienza a filtrarse por las perforaciones de los platos. Un lloriqueo desmesurado

acaba en descarga. Eso es, el líquido de cada bandeja cae de lleno en el fondo de la columna

(efecto dominó) y la columna ha de ser reiniciada. Los factores que avisan del lloriqueo son

una caída de presión pronunciada en la columna y una reducida eficiencia de separación.

La inundación es debida a un flujo excesivo de vapor, provocando que el líquido sea arrastrado

ascendentemente a lo largo de la columna. El aumento de la presión debido al exceso de vapor

hace retroceder el líquido de los bajantes, ocasiona un incremento en el nivel de líquido

acumulado en el plato superior. Dependiendo del grado de inundación, la capacidad máxima

de la columna puede verse reducida notablemente. La inundación causa un incremento severo

en la presión diferencial de la columna y un decremento significativo en la eficiencia de

separación.

En resumen, muchos de los problemas anteriormente mencionados son consecuencia de un

flujo de vapor inadecuado. La velocidad del flujo de vapor es dependiente del diámetro de la

columna. A la hora de diseñar una columna, hay que tenerlo en consideración.


24

CAPÍTULO 3: DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA

3.1-ESQUEMA GENERAL

El equipo está instalado en una estructura tubular de acero encajada sobre cuatro pies

ajustables.

Esta planta consta de una torre de platos perforados dividida en dos secciones de cristal que

contiene cuatro platos cada una. Cada sección está separada por una zona central de

alimentación dispuesta verticalmente para que se produzca un flujo líquido-vapor a

contracorriente. También incluye un calderín, dos tanques de 5 litros cada uno, una bomba de

alimentación peristáltica, un condensador, tanques de productos de fondo y de cabeza,

decantador o acumulador, una válvula de reflujo, un recipiente para almacenar el aceótropo,

una bomba de vacío y toda la instrumentación necesaria.

Además, todos los recipientes del sistema están conectados a una salida común de aire en la

parte de arriba del tanque de producto de cabeza. Este conducto está conectado por un tubo

al aire libre.

Figura 7: Imagen de la planta.

Además de cada uno de los elementos que se irán describiendo poco a poco, en la estructura

se incluye un conjunto de válvulas y de sensores que permiten un conexionado efectivo para la

operación. El esquema de los mismos es el que sigue:


25

Figura 8: Esquema de la planta.

A continuación, se enumeran las válvulas presentes, su función y su distribución en la planta.

Nombre de la válvula Localización Función

V1 Lateral del calderín. Con ella se regula la salida de

producto de fondo.

V2 Fondo del calderín. Para drenar el contenido del recipiente o tomar muestras

del producto.

V3 Conducto de reflujo.

Con ella drenamos el contenido de dicho conducto

o se toman muestras del destilado.

V4 Fondo del tanque de

destilado. Para drenar o tomar

muestras.

V5 Suministro de agua de

refrigeración. Regula el caudal de entrada

de refrigeración.

V6 Fondo de la columna. Junto con V7 permite medir

la caída de presión en la torre de platos. (Sin servicio).

V7 Cabeza de la columna. Junto con V6 permite medir

la caída de presión en la torre de platos. (Sin servicio).

V8 Fondo del recipiente de

dosificación de aceótropos.

Si se mantiene abierta se realizará una destilación

atmosférica.

V9 Válvula de reflujo.

Cuando se mantiene abierta regula la dosificación del

reflujo según el contador de la propia válvula.

V10 Fondo del decantador. Determina si el decantador

actúa como tal o como


26

acumulador.

V11 Fondo del tanque de producto de fondo.

Para tomar muestras o drenar el recipiente.

V12 Fondo del tanque de

destilado. Permite vaciar el contenido del recipiente en el calderín.

V13 No se encuentra instalada.

V14 Suministro de agua fría.

Permite el paso de agua fría hacia la bomba de vacío, en

caso de llevar a cabo una experiencia a presión

reducida.

V15 Bomba de vacío. Para regular el vacío

obtenido. Tabla 1: Descripción de válvulas del sistema

Los sensores de temperatura de que se disponen son todos termopares, situados en los platos

y en determinadas zonas estratégicas (T1 hasta T14). Los ocho primeros están situados en la

columna y miden la temperatura del líquido en cada plato.

La distribución de los termopares es la siguiente:

Nombre del sensor Localización dentro de la planta

T1 Plato superior de la columna (primero).

T2 Segundo plato.

T3 Tercer plato.

T4 Cuarto plato.

T5 Quinto plato (entrada alimentación).

T6 Sexto plato.

T7 Séptimo plato.

T8 Octavo plato (último).

T9 Líquido en el calderín.

T10 Vapor que llega al condensador.

T11 Entrada de agua de refrigeración.

T12 Salida de agua de refrigeración.

T13 Corriente de reflujo.

T14 Alimentación (después del intercambiador de

producto de fondo). Tabla 2: Distribución termopares

3.2-ELEMENTOS

3.2.1-CALDERÍN

El calderín está situado en la base de la columna, fabricado en acero inoxidable. Incorpora un

elemento calefactor sumergible. Para regular el nivel de líquido, en el exterior se encuentra

una pequeña columna de vidrio sobre la que se puede realizar un control visual y además, en

su interior se sitúa un sensor que previene de un recalentamiento del elemento calefactor en

caso de una operación mínima.


27

Con él se pueden llevar a cabo tanto destilación continua como por lotes. En modo continuo, la

válvula V1 permanece abierta y el producto de fondo fluye del calderín a través de un

intercambiador al tanque de fondos. Con este intercambiador es posible precalentar la

alimentación de la columna redireccionándola a través de un serpentín que hace las veces de

refrigerador de producto de fondo en el que el calor se transfiere desde el producto que

abandona el calderín. Cuando se conecta directamente la alimentación fría, el producto del

calderín se puede enfriar haciendo pasar agua fría por el serpentín. Para la producción por

lotes, la válvula V1 se cierra de modo que el calderín se llene con la carga inicial, más o menos

10 litros, de mezcla binaria.

Tanto el calderín como la propia torre de platos están aislados para reducir las pérdidas de

calor.

Figura 9: Calderín.

3.2.2-TORRE DE PLATOS

La columna de cristal incorpora un total de ocho platos perforados de 50mm de diámetro

dividida en dos secciones. Los platos están unidos por una barra central y cada uno incorpora

un rebosadero y un tubito bajante que favorecen el intercambio líquido-vapor de las distintas

etapas. En el último plato de cada sección de la columna, esta interacción se lleva a cabo en un

tubo con forma de U.

Figura 10: Platos en la columna y sus sensores.


28

3.2.3-CONDENSADOR

El vapor que sale del último plato pasa a un condensador que emplea agua como refrigerante, que

se hace pasar por un serpentín. Puede aislarse para permitir que se lleven a cabo balances de

calor. La carcasa del condensador incorpora una válvula de descarga de presión con el cometido

de proteger el sistema de un posible bloqueo y fallo de la refrigeración. El caudal de agua

refrigerante de entrada se controla con un rotámetro y el flujo se controla con una válvula de

diafragma. La alimentación de agua de refrigeración se conecta con boquilla de entrada y sirve

también para poner en funcionamiento la válvula de vacío cuando se requiere un funcionamiento

a baja presión. La válvula V14 controla el suministro de agua que le llega a la válvula de vacío.

Figura 11: Condensador.

Figura 12: Rotámetro.

3.2.4-ACUMULADOR

El condensado se recoge en un decantador de vidrio (básicamente es un separador de fases), el

cual es ignorado para ensayos de operación normal abriendo la válvula V10 (sin acumular

producto). Cuando se hace uso del decantador, la válvula V10 se cierra para que las tuberías para

el exceso y defecto de flujo puedan actuar.

Con la válvula V10 abierta, el condensado pasa directamente a través del decantador a la entrada

de la válvula de control de reflujo por ratio, la cual no es más que una válvula solenoide de tres

vías. Dependiendo de cómo se ajusten los temporizadores de reflujo, el condensado es dirigido

hacia la cabeza de la columna o hacia el tanque de almacenamiento de producto de cabeza. El

contenido de dicho tanque se puede drenar en el calderín y reusarse mediante la válvula V12.


29

Figura 13: Acumulador.

Figura 14: Válvula de tres vías.

3.2.5-BOMBA DE ALIMENTACIÓN.

Nuestra alimentación es impulsada hacia la torre mediante una bomba y puede hacerse en tres

puntos: en el plato superior, en el quinto o en la parte inferior de la columna. La conexión más

habitual en los procesos de destilación es la zona intermedia.

La bomba tiene la capacidad de impulsar el líquido con una velocidad que varía entre las 0 y 300

rpm, siendo equivalente a un intervalo de flujo volumétrico que varía entre 0 y 300mL/min

aproximadamente.

Figura 15: Bomba de alimentación.

Figura 16: Zona de alimentación.

3.3-PECULIARIDADES Y ESTADO ACTUAL DE LA PLANTA

Antes de pasar al modelado en HYSYS, hay que tener en cuenta las particularidades que hacen de

ésta, una columna diferente y cuyo modelado no es tan sencillo como pueda parecer a simple

vista.

Lo primero que llama nuestra atención al echarle el primer vistazo, es el tubo vertical que une la

cabeza de la columna con el condensador. Su función es la siguiente: hacer que la corriente de

reflujo vuelva a la columna por gravedad, sin necesitar de instalar una bomba. Para ello, sólo es

necesario colocar el condensador a una cierta altura, de modo que el condensado tenga la


30

suficiente presión para fluir de nuevo hacia el interior de la torre de platos. Sin embargo, el hecho

de no colocar una bomba acarrea graves consecuencias en lo que a pérdidas se refiere. A lo largo

del tubo fluye el vapor desde el primer plato y, si estuviéramos en un caso ideal, todo ese flujo

llegaría íntegro al interior del condensador. Ese caso ideal se alcanzaría teniendo un aislamiento

perfecto en las paredes del tubo que asegurara que el flujo de calor hacia el exterior fuera nulo.

Como no es así, la mayor parte del vapor se condensa en las paredes y desciende de nuevo al

primer plato, disminuyendo considerablemente el flujo de condensado con respecto al caso ideal.

Figura 17: Unión condensador-cabeza de la columna.

Por otra parte, la válvula de reflujo tampoco se puede reproducir tal cual es en la simulación. Se

trata de una válvula de tres vías que conecta el acumulador con el plato superior y el tanque de

acumulación de producto de cabeza. Para cada ciclo se fija el tiempo que la válvula conecta el

acumulador con la columna, produciéndose un reflujo total en ese período, y el resto del ciclo la

válvula uniría el acumulador con el tanque de producto destilado, reflujo nulo. No obstante,

dentro de la simulación se introducirá como parámetro el reflujo el cociente de los tiempos de

reflujo total y reflujo nulo. Por ejemplo, si se fija que durante seis segundos la válvula devuelva el

líquido a la columna y durante tres segundos lo deposite en el tanque de destilado, se dirá que el

reflujo es de 2.


31

Figura 18: Ciclo de la válvula de tres vías.

Finalmente, hay que mencionar que el manómetro que ofrece la caída de presión de la columna

no se encuentra operativo, de modo que éste dato se inferirá a partir de las temperaturas del

líquido de los platos (sobre todo de la del de cabeza) y del calderín.


32

CAPÍTULO 4: DATOS EXPERIMENTALES PARA LA IDENTIFICACIÓN DEL MODELO

En este capítulo se pretende caracterizar estáticamente la columna a partir de varios ensayos. Con

el perfil de temperaturas obtenidas en cada caso, ajustaremos el modelo en HYSYS. Se dispone de

tres parámetros sobre los que podemos actuar: corriente de alimentación (F), potencia del

calderín (P) y relación de reflujo (R). Los parámetros iniciales serán 45mL/min como flujo de

alimentación, 1 kW de potencia en el calderín y un reflujo de 2.

El objetivo de estos ensayos será obtener unas temperaturas para realizar el modelado estático

más fiable posible. Lo primordial será encontrar la caída de presión que se produce a lo largo de

los platos. Como escenarios, se dejará la potencia del calderín y el caudal de reflujo constantes y

se variará el caudal de alimentación (a 40mL/min y 50mL/min). Posteriormente, volviendo al

caudal inicial y manteniendo la potencia fija, se modificará la relación de reflujo (a 1 y a 3). Por

último, con el caudal de alimentación fijo y la relación de reflujo inicial, le llega el turno a la

potencia del calderín, que se moverá entre 0,8 y 1,2 kW.

La planta está conectada a un terminal en el cual, mediante LabView, se muestran en la interfaz las

distintas temperaturas. Dichas temperaturas se pueden almacenar a lo largo del tiempo en un

fichero para Matlab, lo que nos permite seleccionar los datos que nos interesan: una vez alcanzada

cierta estabilidad, podemos obtener la temperatura media de cada plato.

4.1-CONDICIONES DE PARTIDA.

Fijamos un caudal de alimentación de 45mL/min, un ratio de reflujo de 2 y una potencia de 1 kW

en el calderín.

Lugar del sensor Temperatura media (:C)

Primer plato 75.3129 Segundo plato 76.7818

Tercer plato 77.8531 Cuarto plato 79.4566 Quinto plato 81.6124 Sexto plato 82.9522

Séptimo plato 84.7414 Octavo plato 86.5472

Líquido del calderín 88.1070 Vapor hacia el condensador 77.5765

Entrada de agua de refrigeración

13.8339

Salida de agua de 18.6737


33

refrigeración

Reflujo 35.4839 Alimentación 20.9181

Tabla 3: Temperaturas para F=45mL/min, R=2 y P=1kW.

4.2-VARIACIÓN EN EL CAUDAL DE ALIMENTACIÓN.

Se emplea un reflujo de 2 y una potencia de 1kW. Las temperaturas medias, en ⁰C, se recogen en

la siguiente tabla:

Lugar del sensor F=40mL/min F=50mL/min

Primer plato 76.5468 76.6579 Segundo plato 77.9638 78.0354

Tercer plato 78.8250 78.8007 Cuarto plato 80.3524 80.3669 Quinto plato 80.9299 80.9983 Sexto plato 82.2537 82.0604

Séptimo plato 83.5442 83.3280 Octavo plato 85.3020 85.1706

Líquido del calderín 88.1765 88.2125 Vapor hacia el condensador 78.8617 79.0711


13.3935 13.4436

Salida de agua de refrigeración

16.6998 16.4172

Reflujo 28.4656 28.6343 Alimentación 22.9653 22.7095

Tabla 4: Temperaturas para R=2 y P=1kW.

Se observa cómo, al aumentar el caudal, los platos de la zona de enriquecimiento (los que se

encuentran por encima del plato de alimentación) aumentan de temperatura mientras que los de

la zona de agotamiento (por debajo del plato de alimentación) sufren una disminución. Esto

ocurre porque al incrementar el volumen de líquido que se introduce, cae hacia el calderín

enfriando cada plato que encuentra a su paso. En ese momento, el calderín dispondrá de más

sustancia que calentar y más vapor que producir. Este incremento de vapor ascendente es lo que

provoca la subida de temperatura de los platos superiores.

4.3-VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE REFLUJO

Se emplea un caudal de alimentación de 45mL/min y una potencia de 1kW. Las temperaturas

medias, en ⁰C, se recogen en la siguiente tabla:

Lugar del sensor R=1 R=3



34



Líquido del calderín 88.4169 88.1176 Vapor hacia el condensador 79.9297 78.2387


13.3112 13.2933


17.0246 16.4287

Reflujo 28.6852 28.9079 Alimentación 23.2526 23.3272

Tabla 5: Temperaturas para F=45mL/min y P=1kW.

Ahora que el caudal líquido que se introduce por cabeza aumenta, es lógico que la temperatura de

todos los platos disminuya. Se produce el mismo efecto que en el apartado anterior, sólo que

ahora es igual para toda la columna. No obstante, el vapor que asciende al condensador tiene

menor temperatura, debido al choque térmico: lo que se reintroduce está a 40⁰C grados menos

que el plato.

4.4-VARIACIÓN EN LA POTENCIA DEL CALDERÍN.

Disponemos de 45mL/min en el caudal de alimentación y un reflujo de 2. Las temperaturas

medias, en ⁰C, se recogen en la siguiente tabla:

Lugar del sensor R=0.8kW P=0.9kW P=1kW P=1.1kW P=1.2kW

Primer plato 74.9967 75.1312 75.3129 75.9410 75.3371 Segundo plato 76.4102 76.7707 76.7818 77.3409 76.7964

Tercer plato 77.2448 77.7351 77.8531 77.9965 77.6353 Cuarto plato 78.9036 79.3413 79.4566 79.4693 79.1625 Quinto plato 80.8708 81.4133 81.6124 79.5793 80.5313 Sexto plato 82.0572 82.7134 82.9522 81.3308 81.6168

Séptimo plato 84.0774 84.3938 84.7414 82.6754 82.8231 Octavo plato 86.3796 86.3185 86.5472 84.6035 84.7064

Líquido del calderín 87.9613 87.8126 88.1070 88.1506 88.0767 Vapor hacia el condensador

77.2624 77.4322 77.5765 78.2899 77.6188


13.8111 13.9268 13.8339 14.2831 14.1525


17.4636 17.9994 18.6737 18.1656 18.1548

Reflujo 34.7137 33.9211 35.4839 33.7802 34.1779 Alimentación 20.9178 20.993 20.9181 20.5437 20.8631

Tabla 6: Temperaturas para F=45mL/min y R=2.


35

Para una variación de la potencia aplicada al calderín, en general, el perfil de temperatura de los

platos aumenta a medida que lo hace la potencia. Sin embargo, el comportamiento para este

escenario es, sin duda, el más curioso de los tres que hemos analizado. La potencia de 1kW

parece ser, en algunos casos, un punto de inflexión: para un valor superior de la potencia,

disminuye en gran medida la temperatura y, sin embargo, para un valor nuevamente superior de

potencia, la temperatura vuelve a aumentar aunque no supera el valor para 1kW. Veamos mejor

este fenómeno con una gráfica.

Figura 19: Variación de la temperatura con la potencia del calderín.

Aquí se aprecia cómo la zona de enriquecimiento tiene un comportamiento distinto que la de

agotamiento. En la primera, la temperatura a una potencia de 1.1kW es un máximo mientras que

para la segunda se trata de un mínimo. Tanto el plato 4 como el calderín se alejan de grandes

cambios en su temperatura.


36

CAPÍTULO 5: DESCRIPCIÓN HYSYS

Figura 20: Ventana de inicio de HYSYS.

HYSYS es una poderosa herramienta de simulación para el mundo de la ingeniería química. Sirve

para el modelado de procesos que abarcan desde la exploración y producción, pasando por los

procesamientos de gas e instalaciones criogénicas hasta procesos químicos y de refinerías. Está

pensada principalmente para el tratamiento de crudos, aunque incluye en sus bases de datos los

componentes suficientes como para realizar casi cualquier tipo de operación química. A nivel

académico también goza de una gran popularidad, usada para la investigación.

Si bien es cierto que dispone de una interfaz intuitiva y fácil de usar, la cual resulta similar a las

ventanas de Windows , se necesita de un bagaje amplio sobre el proceso que se pretende

simular/diseñar. Es por eso que gran parte del tiempo que se precisa para llevar a cabo cualquier

simulación se destina a solventar los errores que detecta el propio programa y que impiden

continuar con el modelo.

Esta herramienta tiene, a su vez, dos modos de funcionamiento: modo estático y modo dinámico.

El primero de ellos se trata, principalmente, de las características que presenta el proceso químico

en cuestión una vez alcanzado el régimen permanente. Partiendo de unas determinadas

condiciones de entrada, el programa genera las salidas en dicho régimen. El modo dinámico, por

su parte cuenta con una serie de ecuaciones adicionales que posibilitan evaluar los cambios en las

salidas a lo largo del tiempo. Es en este modo en el que se aplican técnicas de control.

Con HYSYS ocurre como con la mayoría de programas, continuamente se desarrollan nuevas

versiones que salen al mercado con opciones más competentes y versátiles. En este trabajo nos

centraremos en la versión v8.6, de 2014.


37

5.1-PANEL PRINCIPAL

A grandes rasgos, una vez que hemos abierto nuestra ventana en HYSYS, encontramos cuatro

categorías situadas en la esquina inferior izquierda. Veamos lo que aportan cada una de ellas:

5.1.1-Properties Environment

El entorno de propiedades permite inicializar la lista de componentes y combinarla con los

paquetes de propiedades (colecciones de métodos de cálculo) para formar paquetes de fluidos-

las combinaciones de componentes y ecuaciones que se usan de base para las corrientes de

materia de la simulación.

Se debe crear al menos un paquete de fluidos para entrar en el entorno de simulación, pero se

pueden crear tantos como se deseen aplicar a situaciones específicas dentro del diagrama de flujo;

por ejemplo, hay veces que conviene aplicar un paquete de propiedades diferente a un

refrigerante o agua de refrigeración. La combinación del refrigerante y el paquete de propiedades

apropiado resultarán en un paquete de fluidos aparte que se aplicará solo al fluido de

refrigeración.

El entorno de propiedades también maneja avanzadas funciones básicas como reacciones,

ensayos de crudo o mapas de componentes hipotéticos. De todas formas, éstas son herramientas

de alto nivel que sólo son necesarias en situaciones muy concretas.

Figura 21: Elección de los componentes.


38

Figura 22: Elección de paquete termodinámico.

Figura 23: Pestaña de los coeficientes binarios.

La pestaña de coeficientes binarios muestra una tabla con los parámetros de interacción de cada

componente con el resto. Dependiendo de las propiedades elegidas estarán disponibles distintos

métodos de estimación.

5.1.2-Simulation Environment

Una vez definidos los paquetes de fluidos, podemos pasar al entorno de simulación. Se emplea

para construir una representación visual del flujo de proceso, lo que se conoce como diagrama de

flujo del proceso. El tablón de navegación ofrece un acceso rápido a las herramientas para definir,

editar y analizar las distintas partes del proceso: las corrientes (materiales o de energía), modelos

de operaciones de unidad y herramientas de análisis necesarias para modelar el proceso y guardar


39

y analizar los resultados.

Figura 24: Ventana de simulación.

5.1.3-Safety Analysis Environment

El entorno de análisis de seguridad se emplea para añadir válvulas de escape de presión a la

operación de la unidad o a las corrientes. Se diseña a válvula, se crean y analizan múltiples

escenarios límites, se calculan las pérdidas de carga tomando base en los estándares API 520/521,

se dimensiona la válvula y las líneas de E/S y se genera la documentación para agencias

reguladoras.

Figura 25: Ventana de análisis de seguridad.

5.1.4-Energy Analysis Environment

El entorno de análisis energético se usa para explorar las variaciones en un modelo de planta con

el fin de reducir costes energéticos. El analizador de energía (Aspen Energy Analizer) examina la


40

planta al completo y sugiere cambios en especificaciones de hardware para reducir el uso de

energía.

El Energy Analyzer viene integrado en HYSYS y transfiere toda la información térmica y de

conectividad creando un escenario de análisis. Se pueden realizar modificaciones en dicho

escenario o desarrollar más de uno con los que comparar el original.

Figura 26: Ventana de análisis energético.

5.2-PAQUETES DE PROPIEDADES

La elección del paquete de propiedades tiene una gran importancia en el proceso de simulación,

ya que representa la base sobre la que se asienta todo lo demás. Por ese motivo dedicaremos un

apartado a resumir cuándo conviene escoger uno u otro.

Las propiedades se clasifican en cinco grandes categorías: ecuaciones de estado, modelos de

actividad, modelos de Chao Seader y Grayson Streed, modelos de presión de vapor y el

misceláneo, que incluye gas ácido, electrolito y glicol.

5.2.1-Ecuaciones de Estado

Los modelos basados en ecuación de estado han demostrado ser buenos prediciendo las

propiedades de la mayoría de los fluidos con hidrocarburos en un amplio rango de condiciones de

operación. Su aplicación se centra en sustancias no polares o ligeramente polares.

GCEOS: Permite definir e implementar nuestra propia ecuación cúbica de estado

generalizada, incluyendo reglas de mezcla y movimiento de volumen.

Kabadi Danner: Este modelo es una modificación de la ecuación de estado SRK original,

pensada para mejorar los cálculos del equilibrio vapor-líquido-líquido para sistemas de

hidrocarburos y agua, especialmente para regiones diluidas.

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/GCEOS.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Kabadi_Danner.htm


41

Lee-Kessler Plocker: Representa el modelo general más preciso para sustancias no polares

y mezclas, siendo recomendado para torres de etileno.

Peng-Robinson: El modelo Peng-Robinson es ideal para cálculos de equilibrio líquido-

vapor y para calcular densidades de líquidos en sistemas de hidrocarburos. Principalmente

se usa para: deshidratación de glicoles, procesamiento de gas criogénico, separación de

aire, torres atmosféricas de crudo, torres de vacío, sistemas de crudo, sistemas con

depósitos, inhibición de hidratos y sistemas con alto contenido en hidrógeno.

PRSV: Doble modificación de la ecuación de estado de Peng-Robinson que extiende su

aplicación a sistemas moderadamente no ideales. Realiza rigurosos cálculos de destello

trifásico en sistemas acuosos que contengan H2O, CH3OH o glicoles, así como sistemas

que contengan hidrocarburos o no hidrocarburos en la segunda fase líquida.

Generalmente se usa en procesamiento de gas criogénico, separación de aire, sistemas

químicos y alquilación de HF.

SRK: En muchos casos, el modelo de Soave-Redlich-Kwong aporta resultados comparables

con el de PR, aunque su rango de aplicación es sustancialmente más limitado. No

obstante, representa con bastante exactitud condiciones de vacío y componentes

pesados, así como productos ligeros y sistemas de altas presiones. Generalmente se usa

para: deshidratación de glicoles, agua ácida, procesamiento de gas criogénico, separación

de aire, torres atmosféricas de crudo, torres de vacío, sistemas de crudo, sistemas con

depósitos, inhibición de hidratos y sistemas con alto contenido en hidrógeno.

Sour PR: El modelo ácido de Peng-Robinson combina la ecuación de estado de PR y el

modelo ácido API de Wilson para manejar sistemas de agua ácida aplicable a ciclones de

agua ácida, lazos de tratamiento de agua, columnas de crudo o cualquier proceso que

contenga hidrocarburos, gases ácidos y agua. El modelo funciona bien siempre que la

presión parcial del agua no supere las 6.8 atm (100 psia).

Sour SRK: El modelo ácido de SKR combina Soave Redlich Kwong con el modelo ácido API

de Wilson. Se aplica a los mismos sistemas que el método anterior.

Zudkevitch Joffee: Se trata de una modificación de la ecuación de estado de Redlich

Kwong. Presenta mejoras para las predicciones del equilibrio líquido-vapor en sistemas de

hidrocarburos o que contengan hidrógeno.

BWRS: El modelo Benedict-Webb-Rubin-Starling se usa para aplicaciones y estudios de

compresión. Está específicamente pensado para componentes en fase gaseosa y trata la

termodinámica compleja que se lleva a cabo en las compresiones, muy útil en la industria

petroquímica.

5.2.2-Modelos de actividad.

Los modelos de actividad tratan sistemas altamente no ideales y tienen una naturaleza mucho más

empírica comparada con las predicciones de propiedades de la industria de hidrocarburos.

Tradicionalmente, el tratamiento de sistemas químicos no ideales o polares se lleva a cabo usando

métodos de modelo dual. En este tipo de método se hace uso de una ecuación de estado para

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Lee_Kesler_Plocker.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Peng_Robinson.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/PRSV.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/SRK.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Sour_PR.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Sour_SRK.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Zudkevitch_Joffee.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/BWRS.htm


42

predecir los coeficientes de fugacidad del vapor y para la fase líquida se emplea un modelo de

coeficiente de actividad. Debido a que los datos experimentales se encuentran definidos para un

rango específico, estos métodos de propiedades dejan de ser eficaces para aplicaciones más

generales.

Chien Null: Generalmente se usa para sistemas químicos con componentes altamente no

ideales.

Extended NRTL: Es una variación del modelo NRLT aplicable a sistemas con una gran

diferencia de puntos de ebullición entre componentes o en los que se requiere la solución

simultánea de equilibrios vapor-líquido o líquido-líquido y existe una gran diferencia en los

puntos de ebullición de los componentes o en su propia concentración.

General NRTL: Otra variación del modelo NRLT con la misma aplicabilidad que el anterior.

Margules: No tiene base teórica pero resulta muy útil en estimaciones rápidas e

interpolación de datos.

NRTL: La ecuación Non-Random-Two-Liquid (dos líquidos no aleatorios) es una extensión

de la ecuación de Wilson. Para sistemas químicos y alquilación de HF con componentes

altamente no ideales.

UNIQUAC: La ecuación UNIversal QUAsi Chemical emplea mecánica estadística y la teoría

cuasiquímica de Guggenheim para representar la estructura del líquido. Se puede aplicar a

una gran variedad de mezclas que contengan agua, alcoholes, nitrilos, aminas, ésteres,

cetonas, aldehídos, hidrocarburos halogenados e hidrocarburos.

Van Laar: Se utiliza para sistemas químicos con componentes fuertemente no ideales. No

ofrece buenos resultados para sistemas con hidrocarburos halogenados y alcoholes.

Wilson: Ofrece un método termodinámicamente consistente a la hora de predecir el

comportamiento multicomponente a partir de datos de equilibrio binario, aunque no se

puede usar para sistemas de dos fases líquidas. Representa satisfactoriamente casi todas

las soluciones líquidas no ideales a excepción de electrolitos y soluciones que muestren

limitada miscibilidad.

5.2.3-MODELOS DE Chao Seader Y Grayson Streed

Son métodos más antiguos y semi-empíricos.

Chao Seader: Recomendado para problemas con agua principalmente líquida o vapor, ya

que incluye correlaciones especiales que representan las tablas de vapor.

Grayson Streed: No es más que una extensión del método anterior que hace especial

énfasis en el hidrógeno.

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Chien_Null.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Extended_NRTL.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/General_NRTL.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Margules.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/NRTL.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/UNIQUAC.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/van_Laar.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Wilson.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Chao_Seader.htm


43

5.2.4-Modelos de presión de vapor

Para mezclas ideales a bajas presiones. Se consideran mezclas ideales los sistemas de

hidrocarburos y mezclas como las cetonas y los alcoholes, en los que el comportamiento de la fase

líquida se aproxima al ideal.

No son recomendables para cálculos de equilibrio líquido-vapor en sistemas que operan a altas

presiones o con cantidades significativas de hidrocarburos ligeros.

Antoine: Para sistemas de fraccionamiento de hidrocarburos pesados.

Braun K10: Se aplica estrictamente a sistemas de hidrocarburos pesados a bajas

presiones. Si hay una gran cantidad de gases ácidos o hidrocarburos ligeros, no ofrecerá

una buena precisión.

Esso Tabular: Posee las mismas características que el método anteriormente descrito.

5.2.5-Gas ácido, glicol y electrolito

Este grupo contiene paquetes especializados cuyas propiedades no se corresponden a las

categorías previamente presentadas.

Acid Gas Package: Principalmente se emplea para simular la retirada de gases ácidos

como el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno de las corrientes del proceso. Se

activa automáticamente si entre los componentes aparece alguna de las siguientes

aminas: DGA, DIPA, MDEA, MEA, PZ, PZ+MDEA, Sulfolano-DIPA, Sulfolano-MDEA, TEA y

DEA.

DBR Amine Package: Para el tratamiento de aminas. Las predicciones de modelo

termodinámico presentan mejoras basadas en los últimos datos experimentales

disponibles en el mercado.

ASME Stream: Se restringe a un solo componente, el agua. Accede a las tablas de vapor

ASME 1967. Para presiones menores a 15000 psia y temperaturas comprendidas entre -

32ºF y 1500 ⁰F

Glycol PPkg: Contiene la ecuación de estado de Twu-Sim-Tassone para determinar el

comportamiento de fase de una mezcla de agua y glicol de trietileno.

NBS Stream: Se concentra en el comportamiento del agua. Se basa en las tablas de vapor

NBS 1948, que, indirectamente, tienen mejores resultados en las proximidades del punto

crítico que las tablas ASME 1967.

MBWR: Modificación de la ecuación Benedict/Webb/Rubin. Recomendada para sistemas

con gases seleccionados e hidrocarburos ligeros.

OLI_Electrolyte: Se usa para predecir las propiedades de equilibrio de un sistema químico

en una solución acuosa.

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Antoine.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Braun_K10.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Esso_Tabular.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/acidgas/About_the_Acidgas_Property_Package.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/DBR_Amine_Package.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/ASME_Steam.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/Glycol_PPkg.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/NBS_Steam.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/MBWR.htm

mk:@MSITStore:D:/(x86)/ASPENH~1.6/HYSYS-Basics.chm::/SimBasis/OLI_Electrolyte.htm


44

CAPÍTULO 6: MODELADO ESTÁTICO

El primer paso es conseguir la convergencia de nuestra columna de destilación en modo estático.

Este modo no es más que la característica de cualquier proceso una vez alcanzado el régimen

permanente. Es extremadamente útil cuando solo interesa conocer el punto al que evoluciona el

sistema a partir de unas entradas dadas. Cuando un modelo no converge, es que no se alcanza el

equilibrio con esas condiciones iniciales.

Si por el contrario, lo que interesa es observar la evolución temporal del sistema, hay que pasar a

una simulación dinámica. En cualquier caso, lo más recomendable es partir de un modelo estático

que converja y pasarlo posteriormente a dinámico.

6.1-ELECCIÓN DE COMPONENTES Y PAQUETES DE FLUIDOS

Como ya se ha explicado en el capítulo introductorio del simulador, lo primero que se ha de hacer

es seleccionar todas las sustancias que van a participar en nuestro proceso. En este caso, nos hace

falta seleccionar agua y etanol.

Para el paquete de fluidos hemos escogido las ecuaciones de Wilson. Como demuestra Luis

Guillermo, de la Universidad de Pereira (Colombia) , este modelo reproduce correctamente el

comportamiento de la mezcla de agua y etanol a bajas presiones. (2)

6.2-ELEMENTOS USADOS

COLUMNA DE DESTILACIÓN

Figura 27: Elemento columna de destilación.

Este objeto requiere tres corrientes de

materia: la alimentación (F en la figura), el

destilado (D) y los productos de fondo (B);

junto con dos de energía, los cuales

representan la potencia suministrada al

calderín y el calor cedido por el condensador.

Como especificaciones, precisa de los detalles de la corriente de alimentación, normalmente se

emplean presión, temperatura, flujo másico y composición. Aun así, el sistema queda con dos

grados de libertad, por lo que habrá que escoger entre una lista, las especificaciones que más nos

interesen.


45

COLUMNA DE ABSORCIÓN

Figura 28: Elemento columna de absorción.

El principio de funcionamiento de una

columna de absorción no es exactamente el

mismo que el de una columna de destilación.

No obstante, al especificar el número de

platos y tratarse de una mezcla binaria, los

resultados son idénticos al de una columna

de destilación sin condensador (al menos, en

el modo estático). Por eso vamos a optar por

esta herramienta ya que podremos modelar

el comportamiento de la cabeza de la planta.

Se precisan dos corrientes de entrada y una especificación interna adicional.

BOMBA

Figura 29: Elemento bomba.

En este caso la usaremos para aumentar

presión de la corriente de entrada. En la

columna real, los líquidos descienden por

gravedad desde el condensador hacia el

primer plato o hacia los tranques de

producto de cabeza. Sin embargo, con HYSYS

tendremos que hacer uso de este elemento.

Si la corriente de entrada está perfectamente definida, solo hay que especificar la presión de la

corriente de salida (o si lo preferimos, la potencia consumida por la bomba).

VÁLVULA

Figura 30: Elemento válvula.

Se suele usar para modelar la caída de

presión que sufre el fluido al atravesar un

conducto. Ya se verá en el capítulo siguiente

que en el modo dinámico permiten regular el

caudal.


46

CONDENSADOR

Figura 31: Elemento condensador.

También llamado enfriador. Permite

disminuir la temperatura de una corriente. A

partir de una corriente definida a la entrada,

necesitamos conocer la temperatura de la

salida (o el calor cedido) y la caída de presión

del elemento.

SEPARADOR

Figura 32: Elemento separador.

Este recipiente lleva a cabo una separación

de una corriente que contenga fracción

líquida y gaseosa en otras corrientes de

líquido puro y vapor puro. Solo hace falta

que la corriente de entrada tenga una

fracción de vapor mayor de cero y menor

que uno, no necesita más especificaciones.

RECICLO

Figura 33: Elemento reciclo.

Para casos en los que precisemos que una

corriente de salida se reutilice en una etapa

previa. Las condiciones de las corrientes de

entrada y salida deben ser similares y

encontrarse dentro de unas determinadas

tolerancias, tolerancias que pueden ser

modificadas por el usuario según convenga.

Si se hace uso del reciclo en el modo dinámico, la corriente de salida automáticamente se actualiza

con los valores de la de entrada.


47

DIVISOR DE CORRIENTES

Figura 34: Elemento divisor.

En esencia es una separación de corrientes

según unas proporciones. No tiene caída de

presión, pero necesita que se fijen los

porcentajes de fluido que sale en una

dirección o en otra. Pueden conectarse

tantas salidas como sean precisas.

MEZCLADOR DE CORRIENTES

Figura 35: Elemento mezclador.

Es el punto de unión de varias corrientes. Es la operación opuesta al elemento anterior. Se pueden conectar tantas entradas como se quiera.

6.3-CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

Antes de nada, abriremos el selector de unidades, que se encuentra en la esquina superior

izquierda de la pestaña Home. En Unit Set podemos personalizar las unidades según nos convenga

o nos resulten más cómodas. Para este proyecto, las presiones estarán en atmósferas, los caudales

volumétricos en mL/min, etc.

En primer lugar vamos a colocar una columna de destilación básica (la que incorpora condensador

y calderín) y procederemos a dar los valores a la corriente de entrada.

Nos basaremos uno de los ensayos que se hicieron, en el que la temperatura de la corriente de

entrada era 23⁰C, el caudal de 40 mL/min y la composición era de 40% de etanol y 60% de agua

(en volumen).

Al abrir las propiedades de la corriente, se observa que el caudal volumétrico real no es posible

definirlo en la primera hoja (Conditions), si no que el que ahí aparece es en condiciones estándar.

Por ellos, vamos probando valores similares al que queremos conseguir y en la hoja Properties,

encontramos Flujo Líquido real (Actual Liquid Flow). Trabajaremos con un flujo de 40,02 mL/min.

Para la presión, comenzaremos con una superior a la que hace falta. Por ejemplo, 2 atm.


48

Una vez conectada la alimentación en el quinto plato y habiendo establecido el resto de corrientes

que se precisan (productos de cabeza y fondo, potencias del calderín y del condensador) hay que

definir algunos parámetros internos. Lo primero, los ocho platos que tiene nuestra la columna y el

tipo de condensador: total. Posteriormente, el tipo de calderín: el normal (Regular type).

Seguidamente, toca definir las presiones de fondo y de cabeza. Debido a que no tenemos

habilitado el sensor de la caída de presión a lo largo de la columna, comenzamos introduciendo 1

atm para la cabeza (en el condensador) y 1.045 atm en el calderín. Estos últimos datos están

basado en la experiencia de Susana Álvarez en cuyo Proyecto Fin de Carrera (3) estuvo

caracterizando la misma columna para una mezcla de ciclohexano y metil-ciclohexano. Aunque

hay bastantes probabilidades de que al cambiar la mezcla también lo hagan las presiones, nos

servirán como datos de partida.

Una vez que se han definido las especificaciones iniciales, se nos abre una ventana en la que

podemos navegar para introducir nuevos datos u observar los resultados de la simulación.

En la página Specs de la pestaña Design tenemos que añadir dantas especificaciones como grados

de libertad queden en la columna. En este caso, son dos. Por ello vamos a introducir la relación de

reflujo (Reflux Ratio) y la potencia del calderín (Column Duty).

Para la potencia del calderín no hay complicación, usamos 1kW (uno de los parámetros fijados en

la planta real). Sin embargo, para el dato del reflujo primero debemos atender al funcionamiento

interno de la planta. Como se ha mencionado ya en capítulos anteriores, nuestra columna dispone

de un tubo que conecta la cabeza de la columna con el condensador. En dicho conducto, debido a

las pérdidas que sufre, gran parte del vapor que asciende se condensa y vuelve a caer en el primer

plato haciendo las veces de un reflujo interno no controlable. Ya es su proyecto, Susana – estimó

que sería de un 60% del volumen que ascendía. De este modo, analizamos el reflujo total:

Figura 36: Diagrama de reflujo.

El reflujo se define como el volumen que retorna a la torre por cada unidad que sale

completamente de ella. Si tenemos un reflujo de 2, querrá decir que por cada mililitro que salga de

destilado, 2 mL vuelven a la columna. Aplicando una conversión sencilla para un reflujo externo de


49

2: Teniendo 1 mL en el destilado y 2 mL en el reflujo externo, la entrada al condensador habrá sido

de 3 mL. Si tenemos en cuenta que por el tubo asciende el 40% del volumen que entra, lo que se

convierte en reflujo interno (o indeseable) es

. Eso nos da un reflujo total de

2+4,5=6,5.

Repitiendo los cálculos para reflujos externos de 1 y 3, obtenemos unos valores de reflujo total de

4 y 9 respectivamente.

Estos valores son solo orientativos, ya que el volumen de la mezcla líquida para una masa dada no

es el mismo que el de la mezcla en estado gaseoso.

Ya está todo listo para que la columna converja. Una vez logrado, podemos comprobar que el

perfil de temperaturas poco tiene que ver con el real. Por eso, vamos a probar distintas

combinaciones de presiones hasta dar con una solución que se aproxime a la real.

Con la herramienta Case Study (en la pestaña Home) es muy sencillo probar distintas

configuraciones sin tener que entrar en cada elemento y modificar la variable en cuestión. Esta

herramienta permite analizar múltiples escenarios ahorrándonos un gran esfuerzo.

Figura 37: Case Study.

La solución más viable en este caso es la que tiene 0,95 atm en la cabeza de la columna y 1,23 atm

en la cola.

En este aspecto, HYSYS se encarga de dar un tamaño a los componentes internos de la columna

(platos, calderín y condensador). En principio no tienen una gran influencia en el modo estático así

que hasta que no queramos cambiar a dinámico no habrá que modificarlos.


50

6.4- VALIDACIÓN DEL MODELO.

A continuación se procede a mostrar la distinta casuística de los experimentos sobre la planta real

para el modelo.

Para F=45mL/min, R=2 y P=1kW

Sensor Modelo (:C) Valor real(:C) Error absoluto Error relativo (%)

Primer plato 76,4656 75,3129 1,1527 1,5305

Segundo plato 77,5649 76,7818 0,7831 1,0199

Tercer plato 78,7048 77,8531 0,8517 1,0940

Cuarto plato 79,9870 79,4566 0,5304 0,6676

Quinto plato 81,7484 81,6124 0,1360 0,1667

Sexto plato 82,6711 82,9522 -0,2811 0,3388

Séptimo plato 83,6166 84,7414 -1,1248 1,3273

Octavo plato 84,7472 86,5472 -1,8000 2,0798

Líquido del calderín 86,1663 88,1070 -1,9407 2,2026

Alimentación 21,0000 20,9181 0,0819 0,3915

Tabla 7: Validación para escenario I.

Los errores más pequeños se encuentran en la etapa de alimentación y en las bandejas contiguas,

mientas que en los últimos platos, las variaciones son mayores.


Sensor Modelo (:C) Valor real (:C) Error absoluto Error relativo (%)

Primer plato 76,47370969 76,6579 -0,1842 0,2403

Segundo plato 77,57713485 78,0354 -0,4583 0,5873

Tercer plato 78,7242861 78,8007 -0,0764 0,0970

Cuarto plato 80,0220591 80,3669 -0,3448 0,4291

Quinto plato 81,82752955 80,9983 0,8292 1,0238

Sexto plato 82,74871458 82,0604 0,6883 0,8388

Séptimo plato 83,68418636 83,3280 0,3562 0,4275

Octavo plato 84,78247945 85,1706 -0,3881 0,4557


Alimentación 23 22,7095 0,2905 1,2792

Tabla 8: Validación para escenario II.

Para esta configuración, la aproximación es bastante buena. Las mayores diferencias se dan en el

plato de la alimentación y en el calderín.


51



Primer plato 76,47715058 76,5468 -0,0696 0,0910

Segundo plato 77,57622718 77,9638 -0,3876 0,4971

Tercer plato 78,71324367 78,825 -0,1118 0,1418

Cuarto plato 79,98463018 80,3524 -0,3678 0,4577

Quinto plato 81,70404609 80,9299 0,7741 0,9566

Sexto plato 82,63052079 82,2537 0,3768 0,4581

Séptimo plato 83,58558931 83,5442 0,0414 0,0495

Octavo plato 84,74784461 85,302 -0,5542 0,6496


Alimentación 23 22,9653 0,0347 0,1511 Tabla 9: Validación para escenario III.

A excepción de la temperatura del calderín, el modelo reproduce adecuadamente el perfil.



Primer plato 76,49114894 77,6815 -1,1904 1,5323

Segundo plato 77,61309832 79,1972 -1,5841 2,0002

Tercer plato 78,78262211 79,9775 -1,1949 1,4940

Cuarto plato 80,09760427 81,2632 -1,1656 1,4343

Quinto plato 81,854283 80,4946 1,3597 1,6892

Sexto plato 82,78328376 82,6993 0,0840 0,1016

Séptimo plato 83,74395808 83,9681 -0,2241 0,2669

Octavo plato 84,93312122 85,6912 -0,7581 0,8847


Alimentación 23 23,2526 -0,2526 1,0863 Tabla 10: Validación para escenario IV.

En esta ocasión parece que los errores son mayores y que solo en tres platos se alcanza un error

relativo menor al grado centígrado.


52



Primer plato 76,46261325 75,9366 0,5260 0,6927

Segundo plato 77,55579323 77,3496 0,2062 0,2666

Tercer plato 78,68694493 78,2538 0,4331 0,5535

Cuarto plato 79,95864662 79,8833 0,0753 0,0943

Quinto plato 81,72143388 80,9054 0,8160 1,0086

Sexto plato 82,64374717 82,0219 0,6218 0,7581

Séptimo plato 83,58358852 83,2539 0,3297 0,3960

Octavo plato 84,6922057 85,0399 -0,3477 0,4089


Alimentación 23 23,3272 -0,3272 1,4027

Tabla 11: Validación para escenario V.

Presenta una gran similitud al caso de 50mL/min, R=2 y P=1kW. Los mayores errores se

encuentran en el plato de alimentación y en el calderín.

Para F=45mL/min, R=2 y P=0.8kW


Primer plato 76,45832992 74,9967 1,4616 1,9489

Segundo plato 77,5634265 76,4102 1,1532 1,5093

Tercer plato 78,71610627 77,2448 1,4713 1,9047

Cuarto plato 80,0294082 78,9036 1,1258 1,4268

Quinto plato 81,88618994 80,8708 1,0154 1,2556

Sexto plato 82,80502022 82,0572 0,7478 0,9113

Séptimo plato 83,73172843 84,0774 -0,3457 0,4111

Octavo plato 84,80040046 86,3796 -1,5792 1,8282


Alimentación 21 20,9178 0,0822 0,3930

Tabla 12: Validación para escenario VI.

Presenta errores apreciables en todas las etapas, salvo en el sexto y séptimo plato.


53



Primer plato 76,46323838 75,1312 1,3320 1,7729

Segundo plato 77,57060144 76,7707 0,7999 1,0419

Tercer plato 78,7241736 77,7351 0,9891 1,2724

Cuarto plato 80,03060759 79,3413 0,6893 0,8688

Quinto plato 81,83905376 81,4133 0,4258 0,5230

Sexto plato 82,76178265 82,7134 0,0484 0,0585

Séptimo plato 83,70055842 84,3938 -0,6932 0,8214

Octavo plato 84,80970467 86,3185 -1,5088 1,7479


Alimentación 21 2,0993 0,0070 0,0333

Tabla 13: Validación para escenario VII.

Las temperaturas de la zona central son similares a las reales. El resto discrepa un poco más.



Primer plato 76,47768659 75,941 0,5367 0,7067

Segundo plato 77,57583252 77,3409 0,2349 0,3038

Tercer plato 78,7118207 77,9965 0,7153 0,9171

Cuarto plato 79,98252842 79,4693 0,5132 0,6458

Quinto plato 81,70445148 79,5793 2,1252 2,6705

Sexto plato 82,63280288 81,3308 1,3020 1,6009

Séptimo plato 83,58721186 82,6754 0,9118 1,1029

Octavo plato 84,74278293 84,6035 0,1393 0,1646


Alimentación 21 20,5437 0,4563 2,2211

Tabla 14: Validación para escenario VIII.

Salvo el plato de la alimentación y el calderín, se vuelve a tener una buena reproducción.


54



Primer plato 76,4811394 75,3371 1,1440 1,5186

Segundo plato 77,57785839 76,7964 0,7815 1,0176

Tercer plato 78,70985169 77,6353 1,0746 1,3841

Cuarto plato 79,96939346 79,1625 0,8069 1,0193

Quinto plato 81,65401153 80,5313 1,1227 1,3941

Sexto plato 82,58362214 81,6168 0,9668 1,1846

Séptimo plato 83,54718853 82,8231 0,7241 0,8743

Octavo plato 84,73363205 84,7064 0,0272 0,0321


Alimentación 21 20,8631 0,1369 0,6562

Tabla 15: Validación para escenario IX.

El error relativo se mantiene más o menos a lo largo de toda la columna, encontrando un mínimo

en el octavo plato y alcanzando el máximo en la etapa siguiente, el calderín.

Cabe destacar que en la mayoría de los casos, la diferencia más notoria se encuentra en los

extremos de la torre mientras que en la zona central se aproxima en gran medida. Esto puede

deberse al efecto que el líquido subenfriado que desciende del condensador tiene mayor efecto

en los platos de lo que HYSYS refleja. El programa realiza los cálculos a partir de un reflujo

constante que, en caso de bajar mucho de temperatura, provocaría un descenso del caudal de

vapor que asciende al condensador y una peor separación. En la planta real el reflujo no es

constante, lo cual impide que se alcance un régimen permanente; se trata de un transitorio

constante.

Una vez que damos por válidas estas presiones, podemos pasar a la siguiente fase. Sin borrar nada

de lo que ya tenemos, añadimos en la misma plantilla una columna de absorción con calderín.

Como bien se explicó un poco antes, necesitamos dos caudales de entrada: uno de ellos será la

alimentación (en el plato 5) y otro la unión de los dos reflujos (en el plato 1). Las propiedades del

caudal de entrada se pueden copiar de la alimentación de la columna previa. (Abriendo el menú

de la corriente, en la parte baja encontramos la opción Define from stream.., la cual copia todas las

propiedades de la corriente que se seleccione seguidamente). Lo mismo haremos con el caudal de

reflujo total, el cual rellenaremos con los datos de la corriente de reflujo que obtuvimos con la

columna previa.

Para visualizar los elementos internos de la columna basta con pulsar sobre la misma con el botón


55

derecho del ratón y seleccionar Open flowsheet as a new tab, con lo que abriremos una nueva

pestaña con el interior de la columna. Ahora, en las especificaciones solo incluimos la potencia

suministrada al calderín para que el nuevo elemento converja.

Seguidamente, conectamos a la salida de la columna un condensador o enfriador, y forzamos a

que la salida tenga una fracción de vapor del 0,4. Posteriormente se conectará a un separador,

cuya salida líquida será el reflujo interno que se produce en el tubo. La salida gaseosa del

separador pasará nuevamente por un enfriador, que lo llevará hasta la temperatura a la que está

el reflujo en la columna real, aproximadamente a unos 33⁰C. Separamos en reflujo externo y

destilado (como el reflujo es de dos, la separación será de

a

) y lo único que nos queda es hacer

pasar las dos corrientes de reflujo por un mezclador, obteniendo una corriente de reflujo total.

Esta corriente deberá parecerse lo máximo posible a la corriente superior de entrada para poder

conectarse ambas a un reciclo. El esquema final queda de la siguiente manera:

Figura 38: Modelo completo en estático.

El programa calcula que en el tubo se producen unas pérdidas de 0,473 kW y que el flujo de calor

desde que el vapor entra en el condensador hasta que vuelve al primer plato es de 0,3648 kW.

Al cambiar de punto de funcionamiento, como por ejemplo, aumentar el caudal de alimentación,

habría que ir modificando iterativamente los valores de caudal de reflujo (uno de los parámetros

de entrada) y, si la variación es notoria, también la de las composiciones de etanol y agua en dicha

corriente hasta que el reciclo converja. Una alternativa es copiar las propiedades de la corriente

Reflujo total en Copia de reflujo e iniciar la simulación estática hasta que el error entre esas dos

corrientes sea mínimo.


56

CAPÍTULO 7: MODELADO DINÁMICO

7.1- ADAPTACIÓN DEL MODELO

La creación de un modelo dinámico requiere el correcto dimensionamiento de los tamaños,

volúmenes, longitudes y medidas varias de los equipos, pues condicionan los tiempos

característicos de evolución. Por ello, el modelo dinámico debe ser un modelo más sencillo que

el estático para reducir el número de parámetros que se deben identificar.

El modelo dinámico se dimensionará a partir de las características de la planta real y de los

parámetros obtenidos en el simulador estático.

A continuación, usamos el elemento de la columna de destilación básica, con su condensador y

calderín con las mismas especificaciones que en el apartado anterior (1kW para el calderín y

un reflujo de 6.5).

El modo dinámico cuenta con una serie de ecuaciones para resolver el sistema completamente

distintas a las del modo estacionario. Lo primero que hay que hacer es dotar de un tamaño

coherente la columna, el calderín y el condensador. Será más sencillo si nos movemos dentro

del diagrama interno del bloque. Se puede hacer desde el panel principal, en la pestaña

Flowsheet/Modify, si seleccionamos la columna aparece la opción Enter subflowsheet. Otra

opción es hacer click con el botón derecho del ratón y pulsar Open subflowsheet as a new tab y

así tendremos una nueva pestaña que no habrá que cerrar para volver al diagrama principal.

A continuación se muestran los valores introducidos:

Figura 39: Tamaños en la torre.

Figura 40: Tamaño del condensador.

Figura 41: Tamaño del calderín.

Cada uno de los campos que se han rellenado son aquellos de los que se pueden tener datos

fiables, bien porque vengan en el propio manual técnico de la columna o porque se puedan


57

hacer mediciones sobre los elementos. En la figura

adjunta se muestra parte de la terminología en inglés.

Para la torre de platos sabemos que el diámetro de

cada plato es de 50mm y que la altura de cada plato es

de 60mm. La altura del rebosadero es la propia

distancia entre platos. En nuestra columna, la forma en

la que el líquido viaja al plato inferior es a través de un

pequeño conducto vertical que une ambos platos.

Aproximadamente, el diámetro de dicho conducto

tiene 1cm. El grosor del plato se supone de 2cm y

forzosamente, la altura máxima de líquido que se

puede acumular en el plato tiene que ser de 4cm. El programa impide que se introduzca un

número menor que dicha cifra.

En la mayor parte de la bibliografía encontrada, la mejor opción es emplear la opción de

autodimensionado de HYSYS, Tray Sizing. El problema radica que para el tamaño de la torre,

HYSYS obliga a escoger una torre de relleno para poder dimensionarla correctamente, ya que

según advierte en los mensajes de error, para tamaños tan pequeños, los platos perforados no

proporcionan la eficiencia que aportaría el relleno.

Para el resto de parámetros dejamos el valor por defecto que introduce HYSYS o,

simplemente, dejamos la casilla vacía.

Las medidas del calderín son las reales y para el dimensionado del condensador, haciendo una

aproximación del líquido que puede almacenar el propio condensador junto con lo que

almacena el acumulador y el líquido que recorre las tuberías, usaremos un tamaño inicial de 5

litros.

En el apartado Nozzles se pueden especificar los diámetros del conexionado de los equipos, su

posición, etc.

La segunda acción que hay que llevar a cabo es colocar válvulas y dimensionarlas. Se colocan

válvulas en las corrientes de alimentación, reflujo, producto de fondo y producto de cabeza. En

el caudal de reflujo habrá que añadir además una bomba, que le devuelva la presión que

perderá al pasar por la válvula. En la pestaña Design entramos en la ventana Parameters,

donde introducimos dicha caída de presión. Seguidamente, en la pestaña Rating,

seleccionamos Simple resistance equation del campo Valve Manufacturers. Para si correcto

funcionamiento, se le asignará un valor al parámetro k según la siguiente relación:

√ ,

donde Vop es la abertura de la válvula en tanto por uno, es la caída de presión en la válvula

y y Q son la densidad y el caudal másico del fluido que la atraviesa respectivamente. De

todas formas, HYSYS autocalcula los valores de k con tan sólo hacer click en Size Valve.

Figura 42: Partes de un plato. (7)


58

Figura 43: Dimensionado de válvula.

Para que la columna converja habrá que cambiar el método de resolución. Cada vez que se

introduzcan nuevos elementos en un diagrama interno a otro elemento (como es el caso de

añadir una válvula y una bomba dentro de una columna de destilación), habrá que abrir el

menú de la columna y en la ventana Solver de la pestaña Parameters, en lugar de HYSIM

Inside-out tiene que aparecer Modified HYSIM Inside-out. Si al pulsar Run, la columna sigue sin

converger, habrá que endurecer las tolerancias hasta que lo haga.

Figura 44: Cambios en tolerancias y método de resolución.

Otro aspecto que hay que tener presente es la de proporcionar unas restricciones en las

corrientes de entrada y salida de nuestro sistema: la alimentación, el producto de cabeza y el

producto de fondo. Para que HYSYS pueda resolver el sistema de ecuaciones, hay que dar unos

valores, bien de flujo o bien de presiones, para que todo converja. En este caso,

seleccionaremos la restricción de presión. Para ello, abriremos el menú de cada una de las

corrientes de los extremos y en la pestaña Dynamics seleccionamos la especificación de


59

presión. También se revisarán el resto de corrientes por si hay alguna que tenga seleccionada

alguna casilla de este tipo y que no sea de las anteriormente mencionadas.

El asistente de dinámico (Dynamics Assistant) proporciona una recopilación de los cambios

recomendados para que el modelo pase correctamente de modo. No obstante, pueden

realizarse otra serie de modificaciones siempre que el número de ecuaciones planteadas por el

sistema coincida con el número de variables conocidas de que disponga. Existe la opción de

comprobar la coherencia en las ecuaciones a partir de Equation Summary, aunque solo está

habilitado una vez hayamos pasado a dinámico.

El funcionamiento de la bomba también requiere que se marquen dos especificaciones: una

será la potencia y otra la eficiencia.

El resultado es el siguiente:

Figura 45: Válvulas externas.

Figura 46: Válvula y bomba para el reflujo.


60

7.2-COLOCACIÓN DE CONTROLADORES ‘PRIMARIOS’

Basándonos en la biografía específica de control de columnas de destilación, para una columna

binaria con una alimentación se suelen colocar cinco controladores: nivel y presión en

condensador y calderín y flujo de entrada. Para esta simulación se empleará la siguiente

configuración: se instalarán controladores de flujo en la entrada, de nivel en el condensador y

en el calderín y de temperatura en el vapor que asciende desde el calderín y en el reflujo.

Los distintos tipos de controladores se encuentran en la pestaña Dynamics de la paleta de

elementos. Hacen falta cinco de tipo PID. Estos controladores necesitan una variable para

controlar (PV) y un elemento sobre el que ejercer la acción de control (OP). El Set Point (SP)

podrá ser local, se introduce manualmente, o remoto, en cuyo caso el valor se tomará desde

otro lugar. Además de ello hay que aclarar cuándo la acción de control es directa o inversa. Si

el valor de la variable supera el de referencia (PV>SP) y se hace necesario aumentar la OP, es

de acción directa. Si fuera necesario disminuir la OP, sería de acción inversa.

Otra manera de verlo es: Si al aumentar el valor de OP, el valor de la variable medida (PV)

también aumenta (característica estática positiva), es de acción inversa. Por el contrario, si un

incremento positivo de OP provoca una disminución en PV (característica estática negativa), la

acción es directa. Se introducirá como parámetros de control iniciales los recomendados por

W. L. Luyben (4). El tipo de algoritmo que HYSYS usa por defecto es el de control en velocidad;

para todos los que implementemos, se cambiará por el de posición con anti-wind up que

cumple la siguiente expresión:

[

( )]

Siendo el valor de la salida del controlador para un error igual a cero (el valor que tenía

en el modo estático), T el tiempo de muestreo e el término integral que responde a

.

Nivel en el condensador: La PV sería el porcentaje de líquido en el condensador y la

OP se aplicaría sobre la válvula que regula el caudal de destilado. Sería de acción

directa. Comenzaríamos con un control proporcional de Kc=2.

Nivel en el calderín: La PV sería el porcentaje de líquido en el calderín y la OP se

aplicaría sobre la válvula que regula el caudal de producto de fondo. Al igual que el de

antes, es de acción directa y como constante de proporcionalidad se usa Kc=2.

Flujo de entrada: Como PV marcamos el flujo volumétrico de la alimentación (después

de la válvula) y como OP elegimos la válvula que regula ducho caudal. Esta vez

empleamos un controlador PI con Kc=0.5 y Ti=0.3 minutos. Es de acción directa.

Temperatura de Boilup: Como PV seleccionamos la temperatura de la corriente que

asciende desde le calderín hacia el fondo de la torre, y como OP, la potencia que se

suministra al calderín. Los parámetros de control de temperatura deberían ajustarse a

partir de ensayo, bien por Ziegler-Nichols o por Tyreus-Luyben; sin embargo, al

empezar la simulación sin tener estos controladores ejerciendo corremos el riesgo de

que se desestabilice todo, así es que le damos Kc=5 y Ti=10 minutos. Estos parámetros


61

son los recomendados por Luyben para el control de la presión, control que se realiza

a partir del calor aportado, al igual que aquí. Es de acción inversa.

Temperatura de R (reflujo): Ocurre exactamente igual que con el control de

temperatura de Boilup. Esta vez el OP es la potencia del condensador pero los

parámetros son los mismos (Kc=5 y Ti=10 minutos). De acción inversa.

El resultado es el que se muestra:

Figura 47: Controladores I.

Figura 48: Controladores II.

Ahora podemos hacer el cambio a modo dinámico, pero antes de iniciar el tiempo conviene

ajustar completamente los controladores. Se hará una pequeña modificación en las

dimensiones de dos válvulas. Para ajustar los parámetros de control de nivel de condensador y

calderín comenzaremos con un reflujo nulo, de modo que todo lo que sale del condensador

sea el destilado. Para ello colocaremos la válvula del reflujo al 0% (por ella pasará un caudal del


62

orden de ) y se recalculará la k de la válvula de corriente de destilado para la misma

caída de presión y un caudal másico igual al de reflujo junto con el de destilado.

A partir de los parámetros iniciales, mediante prueba y error, obtenemos los siguientes valores

para cada uno de los controladores instalados:

CONTROLADOR Kc Ti(min)

Nivel condensador 2.40 2.80 Nivel calderín 2.50 0.10 Flujo alimentación 0.50 0.30 Temperatura R 3.50 5.00 Temperatura Boilup 2.55 5.00

Tabla 16: Parámetros finales de los controladores.

Ahora podemos volver a dimensionar la k para que vuelvan a pasar los caudales para los que

fueron pensadas.

Si analizamos el valor que toma el cociente entre los caudales de destilado y de reflujo, no se

cumple el ratio que se especificó en la parte estática. Es por ello por lo que se procede a

instalar otro controlador de flujo pero, esta vez, con set point remoto. En la paleta aparece un

Spreadsheet, que no es más que una pequeña hoja de cálculo a cuyas celdas se puede hacer

referencia y de la que tomaremos el set point. El primer paso es importar una variable del

sistema, en nuestro caso, el caudal volumétrico de la corriente de destilado. Se le asignará una

celda, aunque se puede modificar. En la pestaña Spreadsheet podremos crear dos casillas más:

una para el valor de la relación de reflujo y otra para el producto del ratio y el caudal de

destilado. Ese será el valor del SP del caudal de reflujo. Luego, podremos exportarlo y estará

listo para su uso.

Figura 49: Variables exportadas e importadas.

Figura 50: Hoja de cálculo.

Para usar el SP en el PID hay que incluir un pequeño cambio: en el campo Remmote Setpoint

habrá que localizar la casilla correspondiente dentro de la hoja de cálculo. El resto se efectúa

igual que se ha explicado anteriormente. Los parámetros del controlador son Kc=0.5 y 0.3

minutos.


63

Figura 51: SP remoto.

7.3- VALIDACIÓN DEL MODELO DINÁMICO.

Aunque en el modo estático fijamos unas presiones para la cabeza y para el fondo de la

columna, en el modo dinámico se va modificando, al igual que ocurre en la realidad. Debido a

esto, nuestro modelo se ha desviado un poco de las condiciones de partida y se encuentra con

una presión de 0.87 atm en la cabeza y 1.25 atm en el fondo.

Como primer ejemplo, se mostrará el caso de partida para la planta real y para el modelo. Las

temperaturas se muestran en ⁰C para un caudal de alimentación (F) de 45mL/min, una relación

de reflujo (R) igual a 2 y una potencia suministrada al calderín de 1kW.

Lugar del sensor Planta real Modelo dinámico

Primer plato 75.3129 74,8823 Segundo plato 76.7818 76,5210

Tercer plato 77.8531 78,1115 Cuarto plato 79.4566 79,7551 Quinto plato 81.6124 81,6684 Sexto plato 82.9522 83,0037

Séptimo plato 84.7414 84,3173 Lugar del sensor 86.5472 85,7952

Primer plato 88.1070 88,1000 Tabla 17: Comparativa caso base entre planta real y modelo dinámico.

En general, el perfil es bastante parecido, salvo la temperatura del primer plato. La causa

parece ser la presión que toma el programa, menor que la real; por eso, la temperatura de

cabeza del modelo siempre va a ser menor que la real.

A continuación se muestran seis tablas, tres de ellas corresponden al sistema real y las otras

tres de lo que ofrece el modelo dinámico. Las variaciones de un mismo parámetro estarán

recogidas en una misma tabla. Todas las temperaturas se expresan en ⁰C.


64

Variaciones en el caudal de la alimentación





Líquido del calderín 88.1765 88.2125 Tabla 18: Efecto de variar el caudal de entrada en la planta original.


Primer plato 74,8712 74,8538 Segundo plato 76,5254 76,4968

Tercer plato 78,1298 78,0935 Cuarto plato 79,7792 79,7525 Quinto plato 81,6576 81,7028 Sexto plato 83,0085 83,0388

Séptimo plato 84,3429 84,3447 Octavo plato 85,8449 85,8023

Líquido del calderín 88,1000 88,1000 Tabla 19: Efecto de variar el caudal de entrada en el modelo dinámico.

A simple vista nos damos cuenta de que el perfil de temperaturas no es de lo más parecido. En

el modo dinámico se hace más evidente que nuestra columna cuenta con una serie de

elementos que empeoran su funcionamiento (subenfriamiento del reflujo, conducto que

asciende al condensador y por el que cae gran cantidad de vapor condensado, etc). No

obstante, las subidas y bajadas de temperaturas son similares.

Variaciones en la potencia del calderín.

Lugar del sensor P=0.8kW P=0.9kW P=1.1kW P=1.2kW

Primer plato 74.9967 75.1312 75.9410 75.3371 Segundo plato 76.4102 76.7707 77.3409 76.7964

Tercer plato 77.2448 77.7351 77.9965 77.6353 Cuarto plato 78.9036 79.3413 79.4693 79.1625 Quinto plato 80.8708 81.4133 79.5793 80.5313 Sexto plato 82.0572 82.7134 81.3308 81.6168

Séptimo plato 84.0774 84.3938 82.6754 82.8231 Octavo plato 86.3796 86.3185 84.6035 84.7064

Líquido del calderín 87.9613 87.8126 88.1506 88.0767 Tabla 20: Efecto de variar la potencia del calderín en la planta original.


65

Lugar del sensor R=0.8kW P=0.9kW P=1.1kW P=1.2kW

Primer plato 74,8560 74,7576 74,9265 74,9654 Segundo plato 76,2185 76,2936 76,6574 76,8580

Tercer plato 77,5981 77,8027 78,3250 78,6579 Cuarto plato 79,0677 79,3830 80,0325 80,4689 Quinto plato 80,7690 81,2376 81,9826 82,4868 Sexto plato 82,0460 82,5464 83,3559 83,9217

Séptimo plato 83,3006 83,8379 84,7055 85,3311 Octavo plato 84,6839 85,2943 86,2140 86,9055

Líquido del calderín 86,7200 87,5900 88,5200 89,3000 Tabla 21: Efecto de variar la potencia del calderín en el modelo dinámico.

En este caso, para una potencia de 1.1kW, el modelo tiene un comportamiento más intuitivo

que la propia planta: no se produce un cambio en las tendencias de las temperaturas, a mayor

potencia, mayor será la temperatura que alcance cada plato. De todas formas, también hay

platos que no siguen esta norma, como el primero para P=0.9kW o el séptimo plato para las

potencias superiores. Esto puede deberse a que las presiones no estén bien ajustadas.

Cambios en el reflujo





Líquido del calderín 88.4169 88.1176 Tabla 22: Efecto de variar la relación de reflujo en la planta original.


Primer plato 75,0780 74,7252 Segundo plato 76,7165 76,3760

Tercer plato 78,3235 77,9538 Cuarto plato 79,9723 79,5709 Quinto plato 81,7752 81,4985 Sexto plato 83,1479 82,8018

Séptimo plato 84,4959 84,0859 Octavo plato 85,9828 85,5558

Líquido del calderín 88,1200 88,0900 Tabla 23: Efecto de variar la relación de reflujo en el modelo dinámico.

Las temperaturas de los platos de la zona de enriquecimiento del modelo difieren bastante con

las de la columna real. La zona de agotamiento no presenta tanta desvinculación. Además, en

el modelo, variar la relación de reflujo no afecta tanto, ya que en los ensayos con el simulador

no se ha tenido en cuenta el gradiente de temperaturas entre el vapor que asciende al

condensador y el propio reflujo. Al bajar hasta cierto punto el modelo comienza a presentar


66

inestabilidades, lo cual incita a modificar los elementos internos e incluir parte de lo que se

expuso en la parte estática, con sus controladores adicionales.


67

CAPÍTULO 8: CONCLUSIONES

Tal y como se planteó al principio, se ha encontrado un modelo estático que se asemeja en

cierta medida al comportamiento de la planta real. No obstante, la calidad del modelo

mejoraría notablemente si se continuaran variando los elementos de condensado por

separadores y enfriadores que permitieran reproducir el reflujo interno de la columna.

En parte se debe a que el circuito de condensado de la planta real es mucho más complejo que

el condensador simple que se incluye en la columna de HYSYS. El propio diseño de la planta

dificulta en gran medida que un software preparado para simulaciones de alta complejidad

logre reproducir las condiciones reales. Para este tamaño de columna no es recomendable

usar platos perforados, sino relleno, por lo que el dimensionado de la propia torre no se ha

podido llevar a cabo correctamente. Además de eso, la gran cantidad de pérdidas que

presenta el tubo que une la torre con el condensador tiene un gran impacto sobre el

comportamiento de la destilación. Tanto las temperaturas de los platos se ven afectadas como

la del propio calderín. Si se ignora el controlador de temperatura del boilup y se fija la potencia

aportada al calderín, la temperatura del boilup es notablemente superior que la de la planta

real. Si forzamos a que haya grandes pérdidas por convección se reduce algo, pero no lo

suficiente. Esto también es un problema a la hora de reproducir los ensayos en los cuales el

parámetro modificado es dicha potencia.

La función del mencionado conducto es facilitar la caída del reflujo por gravedad y

reintroducirla en la columna sin necesidad de instalar una bomba. Si se incorporara esa bomba

se eliminaría un gran problema.

Sin embargo, no es sólo el efecto del reflujo interno lo que impide que la columna lleve a cabo

una buena labor en la destilación. El caudal del reflujo posee una temperatura tan baja, que las

consecuencias son aún más graves, pues provocan que el calderín no sea capaz de aportar la

energía necesaria para lograr el mismo grado de separación que si la condensación no

desembocara en subenfriamiento.

Una posible solución sería minimizar el trayecto que recorre el caudal de reflujo hasta que

entre en la columna, además de emplear un material en los conductos con mínimas pérdidas.

Otro aspecto digno de mención es el mecanismo de la válvula de tres vías. Provoca que la

planta real se encuentre en un transitorio perenne: al redirigir el flujo hacia un lado u otro

provoca que la torre esté una parte del ciclo recibiendo un reflujo muy frío y la otra parte sin

reflujo. Para los ensayos se empleó un segundo de espera para volver a recibir reflujo. Quizás

reduciendo este intervalo se alcance la idealidad (reflujo continuo).

Finalmente, resulta muy complicado realizar un análisis tan exhaustivo de un proceso químico

cuando no se tiene demasiado bagaje sobre procesos químicos. En la industria, los modelados

se llevan a cabo por varios ingenieros durante varios meses. En mi caso, la mayor parte del

tiempo ha ido destinada al entendimiento del software y de sus mecanismos de resolución,

quedando relegado a un segundo plano, las estrategias de control sobre la columna de

destilación.


68

CAPÍTULO 9: LÍNEAS FUTURAS

A pesar de todo lo expuesto en el capítulo anterior, ahondando mucho más en las

herramientas de HYSYS se podría llegar a un modelo de alta calidad.

En el tema de control también se puede seguir profundizando. Para ello, se puede recurrir a

implementar un control por matriz dinámica, haciendo uso del DMCplus que incorpora el

propio HYSYS. También se ha conseguido, desde el departamento de Ingeniería de Sistemas y

Automática, realizar una comunicación vía OPC HYSYS-Matlab. En esa línea, se podrían

implementar una gran variedad de estrategias de control multivariable que aplicar al modelo.

A partir de los modelos matemáticos, una vez alcanzado una solución fiable y viable, estos

controladores se podrían probar en la planta real y contrastar resultados. No obstante, lo más

recomendable sería realizar una serie de mejoras en la columna para que su comportamiento

sea más parecido al de las columnas de las plantas de ingeniería (aunque a pequeña escala).

Para


69

REFERENCIAS

1. [En línea] http://www.wermac.org/equipment/distillation_part2.html.

2. Modelos termodinámicos para el equilibrio vapor-líquido a bajas presiones: Fase líquida,

Modelo de Wilson. A., Luis Guillermo Ríos. Universidad Tecnológica de Pereira (Colombia) :

Scientia et Technica, 2004.

3. Álvarez Peláez, Susana. Ingeniería básica para una planta piloto para el control automático

de columnas de destilación.

4. Luyben, William L. Distillation Design and Control using Aspen Simulation. s.l. : Wiley-

Interscience, 2006.

5. Nicholas P. Cheremisinoff, Ph.D. Handbook of Chemical Processing Equipment. s.l. : Elsevier

Inc., 2000.

6. Luyben, William L. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. s.l. :

Marcel Dekker, Inc., 2002.

7. Norman P. Lieberman, Elizabeth T. Lieberman. Working Guide to Process Equipment, Third

Edition. s.l. : McGraw Hill Professional, 2008.

8. Castro, Pedro Ollero de y Camacho, Eduardo Fernández. Instrumentación y control de

plantas químicas. s.l. : Síntesis, 2012.

MODELADO Y CONTROL AVANZADO DE UNA COLUMNA DE...

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