Dinámica y Control de Procesos

Dinámica y Control de Procesos

Proyecto Final

La figura muestra un reactor agitado permanentemente, de volumen constante, en el cual se produce la reacción química:

La reacción es endotérmica, por lo que el reactor dispone de una chaqueta a través de la cual circula agua caliente para proveer el calor necesario en la reacción. La chaqueta tiene un volumen constante.

La velocidad de producción de D puede ser expresada como:

Al reactor se alimentan soluciones acuosas de los reactivos A y B. La solución del reactivo A es preparada en un tanque de mezclado situado aguas arriba del reactor. Tanto el sólido como el agua entran a la misma temperatura. Se puede despreciar el calor de mezclado. Al tanque de mezclado se alimenta A sólido y agua, se agitan a alta velocidad para formar la solución que luego se alimenta al reactor. El sólido es llevado al tanque de mezclado a través de una banda transportadora desde el silo de almacenamiento. La banda transportadora se mueve gracias a un par de cilindros metálicos de 20 cm de diámetro. Uno de los cilindros esta conectado a un motor que hace que este gire sobre su propio eje. La velocidad (en r.p.m.) con la gira el motor depende de la señal que reciba el motor desde la sala de control. La relación entre señal m1 y r.p.m. puede expresarse como:

Donde G es una constante.

La banda transportadora tiene 1 metro de ancho, y el sólido circula en ella ocupando por completo el ancho de la banda y con una altura uniforme de 10 cm.

El tanque de mezclado donde se prepara la solución de A, tiene una sección transversal de 2 m2. En condiciones normales el nivel de liquido es de 1.5 m. En la tubería que alimenta la solución de A al reactor, esta colocada una válvula manual que, en condiciones normales de operación no cambia su apertura, tal como se muestra en la figura.

En la tabla 1 se reportan valores de estado estacionario y parámetros de diseño de los equipos.

Tabla 1. Valores de diseño y de estado estacionario para el proceso

Variable Valor Unidades Variable Valor Unidades

Volumen del reactor 3.5 m3 ko 0.27025x1013 m3mol-1min-1

Densidad solución A 1200 kg/m3 Ea 64586 J mol-1

Densidad solución B 1000 kg/m3 R 8.314 J mol-1K-1

Densidad solución sale reactor 1100 kg/m3 Cp líquido calentamiento 4181.3 J kg-1K-1

FAo 1.5 m3/min Coeficiente global de transferencia de Calor U 600 Btu hr-1ft-2F-1

FBo 2.0 m3/min Calor de reacción 13934 J mol-1

CAo 3.2 mol/ m3 Cp productos reactor 4599.43 J kg-1K-1

CBo 5.1 mol/ m3 Cp solución A 3972.2 J kg-1K-1

TAo 303 K Cp solución B 4599.4 J kg-1K-1

TBo 298 K Área transferencia calor 2.3 m2

Flujo entrante a la chaqueta 2.3 m3/min Temperatura entrada fluido chaqueta 323 K

Densidad fluido calentamiento 1000 kg/m3 Densidad del A sólido 500 kg/m3

Volumen de la chaqueta 1.2 m3 Señal a motor 51 %

Cp sólido A 3800 J kg-1K-1 PM sólido A 107587 Kg/Kmol

Se pide:

- Desarrollar un modelo dinámico del proceso descrito, e implementarlo usando Simulink.

- Diseñar un lazo de control para mantener estable la concentración de producto D.

- Diseñar un lazo de control que permita mantener estable la temperatura del reactor.

- Redacte un informe técnico donde presente el modelo desarrollado, el diseño de los lazos de control y el análisis de los resultados conseguidos. El informe debe discutir todas las suposiciones y simplificaciones realizadas durante la formulación del modelo. Así como, analizar todas las pruebas realizadas durante el diseño de los lazos de control: como se escogieron

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