Laboratorio de operación de separación reacción y control

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Laboratorio de operación de separación reacción y control

Gina Alexandra Ardila; Karen Nataly Díaz; Katherin Viviana Peña; Karen Andrea Pico

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental 11 de mayo de 2017

Grupo 1-C

Pre informe 1: Control de flujo

Planteamiento del problema

El control de flujo por medio de válvulas, es una de las variables más controladas en una planta de procesos, incluso es posible encontrarse fácilmente con este tipo de elementos finales de control en nuestra vida cotidiana. Estas hacen parte no solo de equipos específicos, sino también de sistemas de tuberías que transportan diversos tipos de fluidos de proceso y de servicio. Es necesario hacer un control sobre las válvulas para realizar de manera más eficiente los procesos, evitar pérdidas energéticas y daños en las líneas de transporte y en equipos a las cuales se conectan, de lo contrario, no hacerlo implicaría grandes inversiones de dinero y riesgos de seguridad. Por lo cual se ve la necesidad de establecer lazos de control que permitan manipular adecuadamente los flujos de masa en el proceso. En la planta piloto de Ingeniería Química en la Universidad Nacional, se puso en funcionamiento hace poco tiempo un nuevo equipo, utilizado por los estudiantes para aprender acerca de las pérdidas energéticas en una tubería. Para garantizar su buen funcionamiento y una larga vida útil, que justifiquen su inversión, es necesario establecer sus lineamientos de operación y tener un control efectivo sobre el flujo, para lo cual fue instalada una válvula isoporcentual de dos vías, de la cual se desea estudiar su correcto funcionamiento y establecer en qué otro tipo de operaciones podría implementarse.

Justificación

En diversos procesos industriales se emplean flujos de materia con el objetivo de generar una alteración en una variable a controlar, es el caso de flujos de vapor o agua para controlar la temperatura de un equipo enchaquetado, la concentración de un reactivo dentro de un reactor, el nivel de un tanque de almacenamiento o mezclado, entre otras. Con los ejemplos previamente expuestos es fácil llegar a la conclusión que las aplicaciones del control mediante la manipulación de un flujo son diversas y muy importantes en la industria, sin embargo, el control de estas variables suele implementar a su vez un control sobre el flujo mismo, de manera tal que el control de la variable controlada sea más efectivo. Es por esto que el control de flujo es importante, ya que se emplea en el control de muchas otras variables relacionadas en diferentes procesos industriales.

Objetivos General

Estudiar el funcionamiento de la válvula isoporcentual de dos vías como elemento de control de flujo, sobre una tubería.

Específicos

• Hallar la curva característica efectiva de la válvula con diferentes porcentajes de apertura.

• Medir el tiempo de respuesta del flujo hasta la estabilización, ante la perturbación del cambio de apertura.

• Hallar la ganancia en el elemento de control trabajado.

• Regular los parámetros en el controlador para lograr un control efectivo por medio de la sintonización ante los cambios de setpoint y velocidad de la bomba.

Marco teórico

El cuerpo de la válvula contiene en su interior el obturador, que realiza la función de control de paso del fluido y puede actuar en la dirección de su propio eje o bien tener un movimiento rotativo. Está unido a un vástago que pasa a través de la tapa del cuerpo y que es accionado por el servomotor. Es necesario usar este tipo de motores ya que pueden ser controlados en posición, teniendo la capacidad de ubicarse en cualquier posición y mantenerse estable en ella. Para posicionar el servomotor, se debe enviar una señal de pulso, creando pulsos positivos de 5 voltios. El tiempo de pulso determinará la posición del servomotor.

La válvula de control a utilizar carece de servomotor, sin embargo cuenta con un actuador para abrir o cerrar la válvula.

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Figura 1. Partes de una válvula de control con actuador

Debido a que la mayoría de los procesos son no lineales, la elección correcta de la característica de válvula puede contrarrestar las no linealidades de la combinación sensor/transmisor/unidad de proceso. El propósito de la caracterización del flujo es obtener en el proceso una ganancia relativamente constante para las condiciones de operación.

• Características de caudal inherente

El obturador determina la característica de caudal de la válvula; es decir, la relación que existe entre la posición del obturador y el caudal de paso del fluido. La característica de un fluido incompresible fluyendo en condiciones de presión diferencial constante a través de la válvula se denomina característica de caudal inherente y se representa usualmente considerado como abscisas la carrera del

obturador de la válvula (desplazamiento del vástago) y como ordenadas el porcentaje de caudal máximo bajo una presión diferencial constante.

Las curvas características más comunes son la apertura rápida, lineal e isoporcentual, siendo las más importantes estas dos últimas. Las curvas características se obtienen mecanizando el obturador para que al variar la carrera el orificio de paso variable existente entre el contorno del obturador y el asiento configure la característica de la válvula.

La curva isoporcentual se caracteriza porque al principio de la carrera de la válvula, la variación de. caudal es pequeña, y al final, pequeños incrementos en la carrera se traducen en grandes variaciones de caudal. Se usan cuando la caída de presión varía con el flujo, donde la mayor parte de la caída de presión del sistema de control es a través de la válvula.

En la característica lineal, por otra parte, la capacidad de la válvula varía linealmente con la carrera del obturador: el caudal es directamente proporcional a la carrera y la caída de presión a través de la válvula no cambia con el flujo.

Finalmente, la característica de apertura rápida facilita un máximo cambio de caudal a bajas aperturas, siendo posteriormente muy pequeña su ganancia. Cerca del 90% de la capacidad de la válvula se obtiene al 30% de apertura del obturador. El obturador con esta característica tiene la forma de un disco plano y el caudal aumenta mucho al principio de la carrera llegando rápidamente al máximo. Este tipo de válvulas se utilizan para un servicio de encendido / apagado frecuente, tal como en procesos discontinuos o semicontinuos, o cuando se requiere un flujo "instantáneamente grande", es decir, para sistemas de seguridad o alivio.

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Figura 2. Tipos de características inherentes de la válvula.

Adicionalmente a las anteriormente nombradas, existen la parabólica modificada, con un comportamiento entre lineal e isoporcentual, y la lineal modificada, con un comportamiento que cae entre la curva lineal y la de apertura rápida.

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Figura 3. Cambio de la curva característica de la válvula según la cabeza de presión estática en la línea

• Características de caudal efectivas

Es importante señalar que en la mayor parte de las válvulas que trabajan en condiciones reales, la presión diferencial cambia cuando varía la apertura de la válvula, por lo cual la curva real que relaciona la carrera de la válvula con el

caudal, se aparta de la característica de caudal inherente. Esta nueva curva recibe el nombre de característica de caudal efectiva. Como la variación de presión diferencial señalada depende de las combinaciones entre la resistencia de la tubería, y las características de las bombas y tanques del proceso, es evidente que una misma válvula instalada en procesos diferentes presentará inevitablemente curvas características efectivas distintas.

Expresando la pérdida de la presión de la válvula a su capacidad nominal (apertura completa), con relación a la pérdida de carga del sistema (línea + válvula) se obtiene un coeficiente r. El valor de este coeficiente dependerá del tamaño relativo de la válvula con relación al de la tubería y de la resistencia de la tubería con relación al conjunto (menor resistencia mayor r). Para cada valor de r puede construirse una curva característica efectiva que se apartará de la curva inherente y que coincidirá con ella cuando r=1, es decir, cuando la línea no absorbe presión y queda toda disponible para la válvula. Si el valor de r fuera muy pequeño la válvula de control absorbería muy poca presión y quedaría muy distorsionada la característica inherente.

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Figura 4. Tipos de características efectivas de la válvula y su relación con el factor de correlación r.

• Histéresis

La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el índice o la pluma del instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida.

El efecto de histéresis por dicha acción, estará en la respuesta a cada acto, es decir cuando abre, dejará el flujo pasar, con un “esfuerzo” de la válvula pequeño en comparación del “esfuerzo” que se debe hacer para cerrar, ya que se va en contra de la presión del flujo entrante. En base a lo anterior la histéresis se denota por cada acto hecho por la válvula, en el que cada uno es un proceso de inercia diferente y por lo tanto las respuestas de ida y vuelta llegarán a ser sutil o considerablemente diferentes.[pic 6]

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