Proyecto Fin de Carrera

Ismael D. González Valverde

1. INTRODUCCIÓN

Este proyecto trata sobre la creación de modelos dinámicos que representen el comportamiento de torres de destilación y el control automático de los mismos con el fin de obtener una aplicación práctica de los resultados o de carácter académico. Todo el trabajo está realizado en MatLab y MatLab GUI en base a la programación previa y modelos del reputado profesor Sigurd Skogestad y su “Dynamics and Control of Distillation Columns” (1996) actualizando el propio código, incorporando nuevas funciones y dotándolo de una interfaz gráfica. Antes de describir el proyecto, es conveniente hacer un breve repaso tanto del proceso de destilación como del control del mismo, para tener presente ciertos aspectos importantes que se utilizarán más adelante. La destilación es un proceso de separación donde se trabaja con fases de líquido y vapor. En las zonas donde coexisten ambas fases se mantiene la misma temperatura y presión, utilizándose tanto rellenos, aleatorios u ordenados, como bandejas de platos para conseguir la mezcla íntima de las dichas fases. La corriente de alimentación se introduce en uno o varios puntos de la torre, estableciéndose una corriente liquida que desciende y otra de vapor que asciende, de forma natural debido a la diferencia de densidades. Las columnas de destilación poseen un hervidor en la parte inferior que vaporiza parte de la corriente liquida y la vuelve a introducir en la torre en forma de vapor, y un condensador en la parte superior que condensa todo el vapor pudiéndose recircular a la torre parte de este líquido a la columna. El producto se obtiene por cabeza y cola con una composición determinada según el diseño y la operación de la columna. El número de etapas varía según los fluidos a separar y la composición de los productos deseada en la salida. Existen varios tipos de destilación, dependiendo de los compuestos a separar, la pureza requerida del producto, etc.

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En este proyecto se utilizará una destilación fraccionada, que es básicamente el tipo de destilación descrita antes. Se utiliza para compuestos en los que sus puntos de ebullición son cercanos y se especifica una pureza determinada, que no se podría conseguir sin las distintas etapas que utiliza la columna. Asimismo, la destilación puede ser simple, empleándose para compuestos en los que hay una diferencia de puntos de ebullición notable entre ellos. En este caso, se prescindiría de las etapas y lo que se obtiene es un producto de destilado, tras pasar por el condensador, cuya composición estará determinada por la temperatura y presión de operación exclusivamente. No se hace uso de corrientes de reciclo. La destilación a vacío (presión inferior a la atmosférica) se utiliza para reducir la temperatura de operación de la torre y separar los componentes con un rendimiento superior, sin que haya una degradación de los mismos por altas temperaturas. La destilación azeotrópica se utiliza para mezclas de compuestos en los que existe un azeótropo que impide conseguir un rendimiento mayor. Normalmente se añade otro compuesto distinto que cambia la interacción de los compuestos iniciales, rompiendo el azeótropo, aunque después el producto debe pasar por otra operación de separación para eliminar este agente añadido. Se utilizan también cambios de presiones para el evitar el punto donde se encuentra el azeótropo. Por último, la destilación por arrastre con vapor es una operación más compleja en la que se opera añadiendo vapor de agua a la operación. Los compuestos con los que se trabaje deben ser insolubles en agua, y esta actuará reduciendo la temperatura de ebullición de la mezcla debido al aumento de presión total por su presión de vapor. Al ser insolubles, los componentes se podrá retirar fácilmente el agua del producto. En este proyecto, como se indico antes, sólo se tiene en cuenta la destilación fraccionada binaria, en la que además la volatilidad relativa de la mezcla (relación entre la volatilidad de ambos compuestos) sea prácticamente constante. La volatilidad de un compuesto viene dada por su presión de vapor a una temperatura determinada. Tampoco se trabajará con mezclas azeotrópicas.

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El control automático de procesos se basa en mantener un valor deseado en una variable determinada de un sistema. Este valor se consigue operando con la diferencia entre el valor deseado y el actual (error) en una o varias variables del sistema que estén relacionadas con la primera. A esto se le llama lazo de control y dentro del control de un sistema pueden existir varios, e incluso puede haber interacciones entre ellos que deben ser tenidas en cuenta. El control en las torres de destilación tiene, al menos, cuatro lazos de control, y debe tenerse en cuenta la interacción que hay entre ellos para llevar a cabo una correcta automatización del proceso. Habrá que emparejar variables manipuladas con distintas variables de control dependiendo de las características propias del sistema en particular, después de realizar un análisis detallado de las interacciones según las especificaciones. Para controlar el sistema se suele utilizar una ley de control basado en acciones Proporcional, Integral y Derivativa (PID). Ésta actúa operando con la información recogida por sensores dispuestos en el sistema y actuando sobre las variables manipuladas para alcanzar la referencia impuesta en la variable a controlar. Las distintas partes de este tipo de controlador son: -Proporcional: Se caracteriza por la constante (Kc) del controlador que multiplica la señal de error. -Integral: Esta parte se utiliza para eliminar error en régimen estacionario. Actúa mientras haya una variación entre la referencia impuesta y la variable controlada, integrando esta diferencia en el tiempo. Se caracteriza por un parámetro denominado tiempo integral que divide el valor de la integral, siendo usual que ésta se multiplique por el valor de Kc. -Derivativo: Esta parte se basa en la compensación cuando el error varía mediante la derivación del mismo y la adición a las partes anteriores. Un problema de esta parte del controlador es la adición de ruido a la señal de salida. Normalmente, estas acciones se agrupan como P, PI o PID.

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En el control de la torre de destilación se utilizará solo acción proporcional (P) para el control de nivel en hervidor y condensador al no ser relevante anular el error en régimen estacionario. Se utilizarán las acciones proporcional e integral (PI) para control de las composiciones de destilado y colas. No se usará una parte derivativa puesto que no es necesaria al ser estos lazos de respuesta lenta. En el software que se desarrolla en este PFC se realiza también un análisis frecuencial para el control del sistema. Este análisis se lleva a cabo obteniendo el modelo del sistema tras una linealización del mismo, para obtener la respuesta en frecuencia se aplican ondas sinusoidales de frecuencia variable a las distintas funciones de transferencia. Para tratar las interacciones entre las variables y elegir las variables adecuadas para el control se trabaja con la Matriz de Ganancias Relativas (RGA). Esta da información sobre el comportamiento del sistema en lazo abierto y lazo cerrado, midiendo la interacción entre lazos y ayudando a encontrar los mejores emparejamientos entre variables controladas y manipuladas para diseñar una estrategia de control multivariable descentralizada. Se hace un estudio de las matrices CLDG y PRGA para determinar el efecto tanto de las perturbaciones como de la interacción entre lazos para un correcto control de las composiciones. La matriz CLDG (Closed-Loop Disturbance Gain) muestra las perturbaciones efectivas sobre las composiciones (variables controladas) frente a perturbaciones en el caudal y la composición de la alimentación (variables de perturbación) teniendo en cuenta la interacción entre los lazos de control. La matriz PRGA (Performance RGA) tiene los mismos elementos en la diagonal que RGA, pero sus elementos no diagonales son distintos. Esta matriz representa el efecto de las interacciones en lazo cerrado con control multivariable descentralizado.

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En cuanto a la estructura de este documento, en el segundo capítulo se describirán los antecedentes de este proyecto. Asimismo, se dará información sobre otros programas utilizados en la actualidad, algunos de ellos usados en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla, además de otros modelos y sistemas de control utilizados a día de hoy. En el tercer capítulo se indican de los objetivos del PFC, y en el cuarto capítulo se hace un análisis de las soluciones adoptadas para cada uno de los objetivos y las especificaciones impuestas en este trabajo. También se estudiará

el flujo de

información dentro del propio programa. En el quinto capítulo se expondrá el diseño del programa final en su totalidad, la metodología que se ha seguido y cómo funciona el mismo. Se explicará en detalle la interfaz gráfica. En el sexto capítulo se proponen una serie de pruebas a modo de ejemplo en cuanto al funcionamiento del programa. Así, se analizarán una serie de datos y se estudiarán los resultados obtenidos de la ejecución del mismo y se hará una discusión sobre estos. Por último, en el séptimo capítulo se mostrará posibles mejoras del mismo. Al final de la memoria se ofrece la bibliografía utilizada y los anexos, que incluye la lista de operaciones y el manual de usuario.

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