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ANLISIS Y OPTIMIZACIN DE UNA PLANTA DE PURIFICACIN DE HIDRGENO TIPO PSA

INDICE GENERAL

TITULACIN: Ingeniera Automtica y Electrnica Industrial

AUTOR: Joan Maria Salvad Vilafranca

DIRECTOR: Lluis Massagues Vidal FECHA: Junio / 2007.

INFORMACIN CONFIDENCIAL

Este proyecto contiene informacin confidencial que no ha sido publicada.Para obtener ms informacin dirigirse a:

Llus Massagus Vidal Telfono: 977 559 695 Fax: 977 559 605 E-mail: [email protected]

INDICE GENERAL

MEMORIA DESCRIPTIVA

MEMORIA DE CLCULO

MEMORIA DE PLANOS

PRESUPUESTO

PLIEGO DE CONDICIONES

ANLISIS Y OPTIMIZACIN DE UNA PLANTA DE PURIFICACIN DE HIDRGENO TIPO PSA

MEMORIA DESCRIPTIVA

AUTOR: Joan Maria Salvad Vilafranca

DIRECTOR: Lluis Massagues Vidal

FECHA: Junio / 2007.

Anlisis y Optimizacin de una Planta de Purificacin de Hidrgeno Tipo PSA

MEMORIA DESCRIPTIVA

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INDICE

1 ANTECEDENTES ............................................................................................... 7

1.1 UBICACIN DE LA INSTALACIN........................................................................ 7

1.2 JUSTIFICACIN DE LA UNIDAD DE PSA............................................................... 8

1.2.1 Deshidrogenacin del Propano por Reaccin Cataltica (DHP) ................ 8

1.2.1.1 Descripcin Bsica del Proceso DHP .................................................. 8

1.3 PURIFICACIN DEL HIDRGENO POR ADSORCIN A PRESIN BALANCEADA ....... 9

1.3.1 Conceptos Bsicos..................................................................................... 9

1.3.1.1 La Adsorcin .................................................................................... 10

1.3.1.2 Capacidad de Carga .......................................................................... 11

1.3.1.3 La Selectividad ................................................................................. 12

1.3.1.4 El Adsorbente ................................................................................... 13

1.3.2 Proceso PSA (Pressure Swing Adsorption) .............................................. 14

1.3.3 Rendimiento del sistema .......................................................................... 18

1.3.4 Fases del Proceso.................................................................................... 20

1.3.4.1 Adsorcin (Adsorption)..................................................................... 20

1.3.4.2 Proporcionar Purga (Provide Purge) .................................................. 21

1.3.4.3 Despresurizacin (Blowdown) .......................................................... 22

1.3.4.4 Recibir Purga (Purge)........................................................................ 23

1.3.4.5 Represurizacin (Repress)................................................................. 23

1.3.4.6 Frente de Impurezas .......................................................................... 24

1.3.5 Unidades Multi-lecho ............................................................................. 24

1.4 DIRECTIVA EUROPEA ATEX 94/9/CE DEL 23/03/94 ........................................ 25

2 ANLISIS DEL PROCESO .............................................................................. 29


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2.1 INTRODUCCIN............................................................................................... 29

2.2 ESPECIFICACIONES DE DISEO ........................................................................ 30

2.3 DESCRIPCIN DEL PROCESO ............................................................................ 30

2.3.1 Configuracin Bsica.............................................................................. 30

2.3.2 Composicin de los Lechos...................................................................... 31

2.3.3 Modo de Funcionamiento ........................................................................ 31

2.3.3.1 Filosofa de Control .......................................................................... 31

2.3.3.2 Secuencia de Fases............................................................................ 32

Fase 1: Adsorcin .......................................................................................... 32

Fase 2: Proporcionar Purga ............................................................................ 33

Fase 3: Despresurizacin (Blowdown) ........................................................... 33

Fase 4: Recibir Purga ..................................................................................... 34

Fase 5: Tiempo de Espera (Idle) ..................................................................... 34

Fase 6: Represurizacin ................................................................................. 34

2.3.3.3 Ciclos de Trabajo a 4 Lechos............................................................. 35

2.3.3.4 Composicin del Gas de Cola............................................................ 35

2.3.3.5 Puesta en Marcha de la Unidad.......................................................... 35

3 ANLISIS DEL HARDWARE INSTALADO................................................. 37

3.1 EQUIPOS MECNICOS ..................................................................................... 37

3.1.1 Lechos de Absorbente.............................................................................. 37

3.1.2 Tanque Succin ....................................................................................... 38

3.1.3 Vlvulas de Seguridad ............................................................................. 39

3.2 EQUIPOS INSTRUMENTACIN........................................................................... 40

3.2.1 Vlvulas Automticas .............................................................................. 40


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3.2.1.1 Vlvulas de Corte Todo-Nada ........................................................... 40

3.2.1.1.1 Objetivo ....................................................................................... 40

3.2.1.1.2 Elementos Constructivos .............................................................. 41

3.2.1.2 Vlvulas de Corte Controladas .......................................................... 54

3.2.1.2.1 Objetivo ....................................................................................... 54


3.2.1.3 Vlvulas de Regulacin y Control ..................................................... 71

3.2.1.3.1 Objetivo ....................................................................................... 72


3.2.2 Transmisores de Presin ......................................................................... 75

3.2.2.1 Objetivo ............................................................................................ 75

3.2.2.2 Elementos Constructivos................................................................... 76

3.2.2.2.1 Mtodo de Medicin .................................................................... 76

3.2.2.2.2 Caractersticas Tcnicas ............................................................... 77

3.2.2.2.3 Encapsulado ................................................................................. 78

3.2.2.2.4 Calibracin................................................................................... 78

3.2.3 Transmisores de Temperatura ................................................................. 82

3.2.3.1 Objetivo ............................................................................................ 82


3.2.3.2.1 Mtodo de Medicin .................................................................... 84


3.2.3.2.3 Encapsulado ................................................................................. 86

3.2.3.2.4 Calibracin................................................................................... 87

3.2.4 Transmisores de Caudal .......................................................................... 87


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3.2.4.1 Objetivo ............................................................................................ 88


3.2.4.2.1 Mtodo de Medicin .................................................................... 88


3.2.4.2.3 Encapsulado ................................................................................. 92

3.2.4.2.4 Calibracin................................................................................... 92

3.2.5 Analizador en lnea.................................................................................. 97

3.2.5.1 Objetivo ............................................................................................ 97


3.2.5.2.1 Descripcin.................................................................................. 97

3.2.6 Hardware de Control............................................................................... 99

3.2.6.1 Sistema de Control Distribuido (DCS) .............................................. 99

3.2.6.2 Controladores.................................................................................. 100

3.2.6.3 Fuentes de alimentacin ................................................................. 101

3.2.6.3.1 Fuente de alimentacin AC /DC ................................................. 101

3.2.6.3.2 Fuente de alimentacin con proteccin intrnseca. ...................... 102

3.2.6.4 Mdulos I/O................................................................................... 103

3.2.6.4.1 VE4001S2T1B1 ......................................................................... 104

3.2.6.4.2 VE4003S1B1 ............................................................................. 104

3.2.6.4.3 VE4010B1 ................................................................................. 105

3.2.6.4.4 VE4011B1 ................................................................................. 106

3.2.6.4.5 VE4012S2B1 ............................................................................. 107

3.2.6.4.6 VE4013S1B1 ............................................................................. 108

3.2.6.5 Lazos de Control............................................................................. 109


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3.2.6.5.1 A-0407 ....................................................................................... 109

3.2.6.5.2 P-0403........................................................................................ 110

3.2.6.5.3 X-0411....................................................................................... 110

4 ANLISIS DEL SOFTWARE IMPLEMENTADO....................................... 112

4.1 SECUENCIA PRINCIPAL DE CONTROL ............................................................. 112

5 POSIBILIDADES DE MEJORA..................................................................... 112

5.1 REDIMENSIONADO DE LAS VLVULAS AUTOMTICAS.................................... 112

5.1.1 Modo de operacin NORMAL ............................................................... 113

5.1.2 Modo de operacin FUTURO................................................................ 114

5.2 OPERACIN CON 3 LECHOS ........................................................................... 115

5.2.1 Secuencia de Fases a 3 lechos ............................................................... 115

Fase1.Adsorcin.............................................................................................. 115

Fase2.Blowdown............................................................................................. 115

Fase3.Recibir Purga ........................................................................................ 115

Fase4.Represurizacin..................................................................................... 116

Fase5.Tiempo de espera (Idle)......................................................................... 116

5.2.2 Ciclo de Trabajo a 3 Lechos.................................................................. 116

5.2.3 Secuencias de Control a 3 lechos........................................................... 116

5.2.4 Transicin a 3 Lechos........................................................................... 116

5.2.5 Transicin a 4 lechos............................................................................. 117

6 BIBLIOGRAFIA.............................................................................................. 118

Estudio y Optimizacin de una Planta de Purificacin de Hidrgeno Tipo PSA

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1 Antecedentes 1.1 Ubicacin de la Instalacin

A finales de 1999, se firm un contrato para la fundacin de una empresa mancomunada para realizar la construccin y operacin de una unidad de deshidrogenacin de propano con el objetivo de producir propileno.

Como consecuencia del contrato citado, a inicios de 2000 se constituy la empresa SPSA, cuya sede social se situ en la provincia de Tarragona.

Figura 1. Vista general

La instalacin que se inaugur en 2004 tiene una capacidad productiva de 300.000 toneladas actuales de propileno. El propano necesario para la produccin del propileno es importado mediante flete marino.

El propileno producido, materia prima bsica para la produccin de polipropileno, se suministra a una empresa multinacional del sector para abastecer sus plantas de produccin de polipropileno.

Figura 2 Imagen maqueta 3D


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Como veremos mas adelante, dentro del proceso de deshidrogenacin del propano se genera hidrgeno de baja pureza que debe ser purificado a fin de poder reutilizarlo en varios puntos del propio proceso productivo, por lo que se instal en el recinto de la planta de deshidrogenacin de propano DHP, otra planta destinada a la purificacin del hidrgeno autogenerado a fin de reinyectar el hidrgeno en la lnea del proceso productivo de DHP.

El proceso seleccionado para la purificacin del hidrgeno fue el PSA (Pressure Swing Adsorption).

1.2 Justificacin de la unidad de PSA

A fin de mejorar la comprensin del sistema se realiza una justificacin de la necesidad de dicha unidad dentro del conjunto de la planta de DHP donde esta ubicada.

En este apartado se describe el proceso de deshidrogenacin de propano as como los requerimientos del mismo en cuanto a hidrgeno se refiere.

1.2.1 Deshidrogenacin del Propano por Reaccin Cataltica (DHP) 1.2.1.1 Descripcin Bsica del Proceso DHP

El propsito de la planta de Deshidrogenacin de Propano, es la transformacin del Propano en Propileno mediante la deshidrogenacin del mismo.

El proceso de deshidrogenacin consiste en una deshidrogenacin cataltica del propano a propileno, donde el catalizador se halla casi siempre en movimiento y se regenera de forma continua.

El flujo de alimentacin de propano fresco al sistema debe ser tratado antes de entrar en contacto con el catalizador. Se deben eliminar componentes nocivos

Posteriormente, este flujo de alimentacin se debe combinar con el propano que se obtiene en el Splitter (a modo de reflujo). De la corriente resultante, se deben eliminar los compuestos pesados C4+ .

Esto se realiza en el depropanizador. La cabeza del depropanizador (C3-) se mezcla con el gas de reciclo (fundamentalmente hidrgeno) proveniente del sistema de separacin y con disulfuro de dimetilo (DMDS).

El flujo resultante se denomina FLUJO COMBINADO.

Con este flujo combinado se alimentan los reactores de la unidad de reaccin y posteriormente se enfra, comprime y trata a fin de eliminar el HCl, H2S y H2O antes de entrar en la seccin de separacin.

Se separa en dos fracciones, una gas que contiene principalmente hidrgeno y otra lquida que contiene principalmente propano, propileno.


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Posteriormente se separan los componentes ligeros en la columna de deetanizacin y finalmente el propano-propileno, se introduce en la columna de fraccionamiento (Splitter). Por cabeza de la columna se obtiene propileno que se enva como producto final al cliente.

De la fraccin gas del sistema de separacin se obtienen dos corrientes. Una es el gas de reciclo que se mezcla con el propano antes de los reactores y otra corriente llamada net gas.

Una parte del net gas se manda al sistema de purificacin (PSA) donde se obtiene hidrgeno puro para poder ser mezclado en el proceso de reaccin de la planta, donde las impurezas que llevase el mismo nos produciran reacciones colaterales indeseadas en el proceso.

Este hidrgeno es utilizado en:

- la hidrogenacin selectiva del metil acetileno - en el sistema de regeneracin del catalizador como medio de transporte del catalizador - en los reactores para reducir y calentar el catalizador antes de entrar en la zona de reaccin.

El gas residual que sale de la PSA, se enva conjuntamente con el net gas restante al sistema de regeneracin de los secadores del efluente del reactor.

El net gas agotado que se obtiene de la regeneracin de los secadores del efluente del reactor , se enva a un sistema de lavado donde y posteriormente al sistema general de combustible, donde se mezcla con otras corrientes gaseosas residuales.

1.3 Purificacin del Hidrgeno por Adsorcin a Presin Balanceada 1.3.1 Conceptos Bsicos

La adsorcin por balance de presiones (PSA) es una tecnologa reconocida mundialmente para la purificacin del hidrgeno (H2) de las corrientes de gases de cola (tailgas) o de las corrientes de gas de sntesis producidas en determinados procesos productivos.

La tecnologa PSA elimina las impurezas de las corrientes de hidrgeno, produciendo hidrgeno de alta pureza (tpicamente por encima del 99,9% de hidrgeno). Para este tipo de plantas son tpicas las recuperaciones de hidrgeno superiores al 80%.

Esta tecnologa es empleada mundialmente para:

- Reformadores de metano, donde se logra eliminar CH4, CO2, CO, N2 alcanzando purezas del 71% al 78% de hidrgeno

- Reformadores catalticos de estireno donde se logra eliminar CO, CH4, C2H4, N2 alcanzando purezas del 75% al 95% de hidrgeno


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- Crackers de nafta donde se eliminan hidrocarburos ligeros y pesados logrando purezas del 60% de hidrgeno

- Purificacin del Helio eliminando el nitrgeno del flujo principal

- Plantas de poliefinas separando hidrocarburos y nitrgeno

- Plantas RPSA purificacin rpida del hidrgeno en las estaciones de llenado de cisternas

- Plantas de generacin de nitrgeno a partir del aire ambiente

Figura 3. Implantaciones diferentes PSA

1.3.1.1 La Adsorcin

Podemos encontrar diferentes definiciones del proceso de adsorcin, por ejemplo:

"una tcnica de separacin que utiliza un slido (el adsorbente) para adsorber un soluto o adsorbato en su superficie" (pg. 217, Rate-Controlled Separations, Phillip C. Wankat, Elsevier Applied Science, copyright 1990).

La adsorcin es una capa de molculas extremadamente finas (es decir de gases, solutos o lquidos) a las superficies de los cuerpos slidos o lquidos con los que estn en contacto (pg. 58, Websters Ninth New Collegiate Dictionary, A Merriam Webster copyright 1990).

Bsicamente podemos definir el proceso de adsorcin como:

el fenmeno de adhesin de molculas de un gas la superficie de un slido


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Figura 4. Proceso de adsorcin

Por el efecto de adsorcin, se nos va a formar una capa de molculas muy finas adheridas a la superficie del slido o absorbente.

Tal como hemos definido anteriormente, el absorbente, ser el material slido sobre el cual quedan adheridas las impurezas. Industrialmente se disponen de diferentes tipos de absorbentes como el carbn activo o el tamiz molecular.

A las impurezas que sern adsorbidas por el adsorbente, es decir, las impurezas que deseamos separar del flujo de gas y que se quedan adheridas al slido se las denomina adsorbato. Esta fase adsorbida o adsorbato es cientos de veces mas densa que la fase gaseosa a limpiar. Son tpicas las aplicaciones de plantas de PSA para la eliminacin de metano o monxido de carbono de los flujos de gas.

1.3.1.2 Capacidad de Carga

Entenderemos por Capacidad de carga como la cantidad de un componente dado (adsorbato), que puede contener un adsorbente dado, la mxima cantidad de otro componentes que es capaz de retener. Cunto ms alta sea esta capacidad de carga, ms impurezas pueden eliminarse de un volumen dado de gas. En el momento de superarse esta capacidad de carga, se nos producir una Migracin, es decir, cuando el nivel de impurezas del gas de salida de la unidad excede la especificacin de producto, se dice que el PSA est en ' migracin'.

La capacidad de carga de un determinado adsorbente depende de la presin de trabajo, la temperatura de trabajo del mismo as como del tipo de molculas a adsorber

Figura 5.Dependencia de la Presin


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1.3.1.3 La Selectividad

Se entiende por selectividad a la capacidad que tiene un slido para adsorber a un componente comparado con la capacidad que tiene para adsorber a otros.

La selectividad de un adsorbente nos indica la eficacia de la adsorcin, que porcentaje de molculas de un determinado componente se quedaran retenidas en el slido comparado con otros componentes existentes en un determinado flujo gaseosos.

Para poder determinar la selectividad de un determinado slido, deberemos fijarnos en determinadas propiedades de las molculas slidas y gaseosas como:

Tamao de Molcula de gas:

Las molculas ms grandes se adsorben ms fuertemente (Van der Waals)

Ciertas molculas se atrapan con ms facilidad dentro de los poros, segn su tamao y estructura

Polaridad:

Molculas polares se adsorben ms fuerte en superficies polares

Figura 8. Polaridad

Punto de Ebullicin:

Molculas con alto punto de ebullicin (menos voltil) se adsorben ms fcilmente

En los flujos de gas que contienen varios componentes, tenemos diferentes propiedades para cada componente de gas, por lo que siempre tendremos uno de ellos con mas facilidad que otro para poder ser retenido por el slido, aunque no esto no evita la adhesin de partculas de los otros componentes gaseosos en la superficie del

Cules se van a adsorber al slido ?

Adsorbida

Figura 6.Selectividad

Figura 7.Tamao Molcula


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slido, es decir, nos encontraremos en la superficie del slido un componente mayoritario (componente mas selectivo) pero tambin aparecern partculas de los otros componentes del flujo principal.

Figura 9. Volatilidad

1.3.1.4 El Adsorbente

De las explicaciones anteriores puede entreverse la importancia de la cantidad de adsorbente que intervenga en el proceso de purificacin, o lo que es lo mismo, de la cantidad de superficie libre de que disponga el slida para la retencin de las molculas de gas.

Se nos pueden ocurrir varias posibilidades de cmo incrementar la cantidad de superficie que dispondremos para estar en contacto con el gas, como por ejemplo, construir la base del absorbente con bolas muy pequeas que permitan mucha superficie de contacto con el gas o hacer agujeros en dichas bolitas...

Los adsorbentes se construyen en forma de esferas de pequeo tamao para evitar las superficies de contacto este las diferentes partculas del mismo. Si ponemos en contacto dos cubos, uno contra el otro, perderemos superficie de contacto con el aire en las dos caras que se estn tocando, sin embargo si dichas partculas de slido tienen forma esfrica, solo estarn en contacto entre ellas en un solo punto.

Figura 10. Forma y tamao del absorbente

A fin de poder racionalizar la construccin de los depsitos de adsorcin, debe intentarse conseguir la mxima superficie de slido en contacto con el gas pero con el mnimo volumen del recipiente posible, por lo que se aprovecha el volumen interior de las esferas de catalizador para contener tambin adsorbente, por ello, las bases de los sustratos de adsorbente se construyen al igual que las de los catalizadores con sustancias


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porosas, es decir, llenas de agujeros y recovecos internos que sern recubiertas por material absorbente y por las que fluir el gas a limpiar.

Figura 11. Porosidad del lecho

De esta forma, una unidad de slido puede coger un volumen de gas cientos de veces ms grande que si mismo.

Aunque el proceso de adsorcin es muy rpido para las partculas de slido que se hallan en la parte exterior de las esferas de adsorbente, estamos hablando de tiempos de adsorcin tpicos del orden se segundos a un minuto, no ocurre lo mismo con aquellas partculas de adsorbente que se hallan en las cavidades mas profundas de la esfera de catalizador, ya que el gas que pretendemos que se adsorba, debe moverse por dentro de los diferentes canales y recovecos de las esferas de catalizador (difusin), hasta entrar en contacto con el slido.

Por ello, deberemos dar un cierto tiempo de espera para lograr que el gas llegue al interior de las esferas de absorbente y lograr as la mxima adsorcin posible.

Segn se a el producto que deseemos captar del flujo principal, deberemos emplear un determinado producto adsorbente u otro.

Las sustancias mas empleadas en este tipo de planta son:

Ceolita (tamiz molecular) eliminacin de nitrgeno y monxido de carbono

Carbn activo eliminacin de dixido de carbona e hidrocarburos ligeros

Silica Gel eliminacin de eliminar hidrocarburos pesados

Almina eliminacin de agua e hidrocarburos pesados

1.3.2 Proceso PSA (Pressure Swing Adsorption)

La tecnologa PSA o Pressure Swing Adsorption es una tecnologa basada en varios tipos de adsorbentes para purificar diferentes tipos de corrientes de gas, por ejemplo oxgeno, nitrgeno o hidrgeno.


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El proceso PSA tiene en cuenta las diferentes capacidades de carga que tiene los slidos adsorbentes respecto a las presiones de los gases a adsorber.

Es decir la relacin que existe entre la cantidad de una determinada impureza adsorbida por el absorbente a diferentes presiones de trabajo pero a una temperatura determinada.

Figura 12. Capacidad de Trabajo

Este proceso utiliza alta presin para adsorber componentes gaseosos y baja presin para liberarlos aprovechndose de que la atraccin es fuerte a presin alta y mas dbil a presin baja. Al reducirse la presin del lecho (swinging the pressure) el adsorbente libera los componentes adsorbidos por el slido .

O lo que es lo mismo:

A presin ALTA, la impureza es adsorbida fuertemente por el adsorbente

Figura 13. Adsorcin a alta presin

mientras que a presin BAJA, la impureza se desprende del absorbente

Figura 14. Desprendimiento a baja presin


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Si ha este efecto le aadimos la seleccin de un adsorbente que sea selectivo con el producto que pretendemos limpiar, para que este se adsorba poco sobre el adsorbente, tanto a bajas como a altas presiones

Figura 15. Selectividad durante la adsorcin

cuando baje la presin del lecho, la cantidad de producto bueno ser pequea debido a que solo se han adherido muy pocas partculas sobre el adsorbente. Tendremos muy pocas perdidas de gas limpio durante la despresurizacin del lecho.

Figura 16. Molculas de hidrogeno adsorbidas

Como podemos observar, los absorbentes son selectivos a un determinado componente.

En los procesos industriales normales, no suelen existir corrientes de gas ideales, es decir, con dos componentes solo, por lo que suele ocurrir que nuestro flujo gaseoso contiene varios componentes que nos interesa eliminar o separar del mismo. Para conseguir esto, debemos instalar varios tipos de adsorbentes dentro del flujo para recoger cada uno un determinado componente:

Figura 17. Disposicin de los absorbentes en el lecho


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Este tipo de procesos es usual para separar componentes de una mezcla puesto que cierto componentes se adsorben ms fuertemente que otros.

Un ejemplo tpico de corrientes compuestas de alimentacin a un lecho de resinas podramos encontrarlo en las purificacin del hidrgeno.

El hidrgeno suele venir de corrientes segundarias de un proceso qumico en las que se encuentran otros componentes como el nitrgeno, el monxido de carbono, el dixido de carbono o el agua como componentes mayoritarios.

Las impurezas o componentes del flujo principal indeseados, son adsorbidos por el adsorbente a alta presin permitiendo que el componente de gas deseado, hidrgeno, que pase a travs del lecho con relativamente poca adsorcin.

Los procesos prcticos requieren que el adsorbente tenga una afinidad ms fuerte para adsorber los contaminantes ante el componente purificado.

A fin de poder lograr un hidrgeno gas de salida con niveles bajos de impurezas o componentes no deseados, podramos configurar nuestro lecho de adsorcin de la siguiente manera:

Figura 18. Absorbentes empleados en el lecho

Cuando se baja la presin en el lecho , el adsorbente ya no puede adsorber tanta cantidad de impurezas y por lo tanto las suelta durante la etapa de Despresurizacin y Purga.

Figura 19. Capacidad de carga del absorbente


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Tal como hemos comentado anteriormente, la composicin de un determinado tamiz no es uniforme, tiene diferentes absorbentes, para poder eliminar diferentes componentes no deseados, por lo que evidentemente, su capacidad de adsorcin tampoco ser uniforme, sino que deberemos tener presente todas y cada una de las curvas de absorcin de cada componente en su adsorbente respectivo:

Figura 20. Capacidad del tamiz molecular versus producto

Uno de los parmetros importantes ala hora de disear un proceso de adsorcin ser la carga de alimentacin del lecho, que es el parmetro de diseo que describe el volumen de alimentacin por masa de adsorbente empleado. Esta carga de alimentacin se determina con modelos matemticos y por experimentacin en plantas piloto.

Debido a que un determinado lecho tiene un numero de carga fijo (cantidad de impurezas capaz de adsorben antes de presentarse una migracin hacia el flujo de salida), se saturar con tiempo.

1.3.3 Rendimiento del sistema

Uno de los parmetros que mas nos interesa del proceso de purificacin de un gas es la cantidad de dicho gas que vamos a obtener (recuperar) al final del proceso.

Se puede determinar la recuperacin de un determinado producto del flujo de entrada si se conoce el caudal de entrada y el contenido de dicho producto en las corrientes de salida de producto y alimentacin:

Si ponemos por ejemplo un sistema PSA que pretenda recuperar hidrgeno de un flujo principal, podramos determinar la recuperacin de hidrgeno en el flujo de salida de producto mediante:

)2.(%lim2*)/3.(lim)2(%Pr*)/3(2Pr

2ReHentainHConcentrachNmentCaudala

HoductoPurezahNmoductoHCaudalHcuperacin = (1)

Debemos tener presente para la realizacin de este balance de materia que las medidas de caudal deben compensarse por la presin, temperatura y el peso molecular.


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Valores normales de rendimiento de un sistema estndar PSA ronda entre los 78% y 92%, aunque depender de muchos factores.

Figura 21. Flujos en el lecho

El resto de molculas de producto que no nos aparecen en la salida, son aquellas partculas que perdemos o eliminados del proceso durante la despresurizacin del lecho, por lo que abandonaran el mismo en el ciclo de regeneracin con el flujo de gas de cola o tail gas y ser normalmente utilizado como combustible en otras partes del proceso principal como pueden ser hornos, calderas, ciclos combinados o quemado en antorchas.

En la realidad a la hora de disear un sistema debemos tener muy presente la interaccin del entorno del lecho ya que existen muchos factores que nos interferirn en el rendimiento de nuestro sistema, entre ellos:

1.- Alta Presin de Alimentacin

- nos aumenta la cantidad de producto recuperado

- nos permite disminuir el tamao del lecho

2.- Alta Temperatura de Alimentacin

- nos disminuye la cantidad de producto recuperado

- nos obliga a incrementar el tamao del lecho

3.- Altas Especificaciones de Pureza de Producto

- nos obliga a disminuir la cantidad de producto recuperado

- nos hace incrementar el tamao del lecho

4.- Alta Presin de Tail Gas


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- nos disminuye la cantidad de producto recuperado

- nos hace incrementar el tamao del lecho

1.3.4 Fases del Proceso

Como podemos extrapolar de la explicacin anterior, el proceso de purificacin por presin balanceada, no es un proceso continuo (en lnea), sino que deberemos trabajar con diferentes ciclos o cargas (bags), a fin de poder ir limpiando nuestro absorbente una vez saturado el mismo.

A continuacin vamos a analizar las diferentes etapas que van a formar el ciclo de trabajo de nuestro lecho de adsorcin, partiendo de un lecho limpio, es decir, sin impurezas adsorbidas en sus resinas y presurizado al mismo nivel de la corriente de entrada al mismo.

1.3.4.1 Adsorcin (Adsorption)

El flujo de gas entra en el lecho de adsorcin limpio por su parte inferior.

Las impurezas que contiene el flujo se van adsorbiendo a los diferentes estratos de adsorbentes que configuran el lecho.

El flujo de salida de producto purificado se realiza por la parte superior del lecho.

Esta etapa finaliza antes de que el agente de adsorcin quede saturado de impurezas y por tanto, de que estas impurezas migren al flujo de salida de producto contaminndolo (breakthrough).

Figura 22. Etapa de adsorcin

El tiempo en que esta el lecho e la fase de adsorcin depende de muchos factores y debe ajustarse en la fase de puesta en servicio de la instalacin mediante analtica del flujo de salida de producto.


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Figura 23. Curva Breakthrough

1.3.4.2 Proporcionar Purga (Provide Purge)

Si observamos las curvas de capacidad de carga de un adsorbente, vemos que a partir de una determinada presin, la adsorcin del lecho decrece de forma significante.

Figura 24. Curva de capacidad de carga del absorbente

Si miramos la misma curva pero en proceso inverso, durante la fase de despresurizacin, veremos que ha medida que estamos despresurizando el lecho, se irn desprendiendo pocas partculas de impurezas del adsorbente hasta llegar al punto de inflexin, o lo que es lo mismo, la corriente de gas que sale del lecho durante la despresurizacin, esta fuera de especificaciones, pero no tiene un nivel de contaminacin demasiado elevado, por lo que podemos aprovecharlo para determinadas funciones como veremos mas adelante.

En esta fase vamos a despresurizar el lecho hasta un determinado nivel, por su parte superior, con ello conseguiremos sacar del depsito todo el gas que podamos, lo mas limpio posible. Mas adelante veremos que utilidades podemos encontrar para este hidrgeno.


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Figura 25. Proporcionar purga

1.3.4.3 Despresurizacin (Blowdown)

En la fase de descarga o blowdown, el lecho es despresurizado del todo hacia la lnea de gas de cola. La presin mnima que alcanzara el lecho ser la presin del sistema de gas de cola o tail gas

En esta fase, el lecho es despresurizado en sentido opuesto al flujo normal de entrada, por su parte inferior, debido a que durante la fase de despresurizacin, el adsorbente va a desprenderse de las impurezas, por lo que este flujo llevar un alto contenido de impurezas y no queremos que estas nos contaminen la parte superior del lecho que en teora es la mas limpia. El contenido de impurezas en el gas de salida depender de la presin del lecho, no-lineal.

Esta corriente de gas de cola es la mas sucia y se manda normalmente a quemar al sistema de gas de combustible de la planta.

La etapa de descarga finalizar cuando la presin en el lecho haya alcanzado el nivel necesario para la purga.

Figura 26. Paso Blowdown


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1.3.4.4 Recibir Purga (Purge)

En la fase de purga, el lecho es barrido mediante una corriente de gas.

Por la parte superior del lecho se introduce un flujo de gas suficientemente limpio a fin de eliminar el gas contaminado (gas de cola) que queda dentro del lecho, mientras la parte inferior del mismo permanece abierta hacia el sistema de gas de cola para evitar la presurizacin del lecho (lo que significara que el absorbente se empezara a ensuciar con impurezas)

Figura 27.Paso Recibir purga

1.3.4.5 Represurizacin (Repress)

Al final del paso de purga, nuestro lecho ya esta limpio pero todava no podemos ponerlo en servicio si no lo llenamos presurizamos, con producto. Esta es la misin de la fase de represurizacin.

En esta fase el lecho se vuelve a presurizar a la presin de alimentacin con cierta cantidad de producto limpio.

Al finalizar esta fase nuestro lecho esta preparado para volver a la fase de adsorcin e iniciar nuevamente el ciclo de trabajo.

Figura 28. Paso Represurizacin


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1.3.4.6 Frente de Impurezas

A medida en que el flujo de gas va corriendo por dentro del absorbente, la resinas del lecho, se van impregnando con impurezas y estas van migrando en la direccin del flujo de gas.

Como la entrada de gas sucio, se produce por la parte inferior del lecho, a medida que vamos descendiendo por el lecho, la concentracin de impurezas que nos vayamos encontrando ser mayor.

El recorrido que desarrollado por el frente de impurezas dentro del lecho a lo largo de las diferentes fase del proceso seria:

Figura 29. Recorrido impurezas en el lecho

1.3.5 Unidades Multi-lecho

Como hemos visto, el proceso de adsorcin y regeneracin de un lecho es un proceso discontinuo, si bien en la mayora de procesos productivos, los requerimientos de gas limpios son continuos.

Para la operacin continua del sistema y la consecuente no interrupcin del suministro de gas limpio, se requieren varios lechos de adsorcin, as , mientras uno de ellos esta en fase de adsorcin entregando gas limpio al sistema, podemos estar regenerando los otros.

La determinacin del nmero de lechos que se requieren ser aquella que nos permita tener un lecho regenerado, a punto de entrar en servicio justo antes de que se agote el que esta en fase de adsorcin.


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Por ello, podemos decir que el nmero de lechos de adsorcin requerido depende de las condiciones de alimentacin, el agente de adsorcin utilizado, el contenido en impurezas y del nivel de pureza requerida del producto de salida.

La nomenclatura utilizada comnmente para la determinacin de las plantas de PSA multi lecho viene caracterizada por 3 nmeros:

Ej: 10 / 2 / 4

I I I__ Etapas de ecualizacin

I I__ Nmero de lechos suministrando gas limpio

I__ Nmero de lecho de la unidad PSA

Esta nomenclatura nos define la configuracin de la planta y su modo de trabajo.

Las plantas de purificacin de hidrgeno se generan como solucin a un problema concreto de purificacin de una determinada planta, por lo que la configuracin de las diferentes plantas diferir bastante de unas a otras, aunque el principio de funcionamiento sea el mismo para todas.

Podemos encontrarnos plantas de 4, 5, 6, 8, 10, 12 lechos con ciclos mltiples ciclos de funcionamiento, (4/1/1), (4/1/2), (10/2/4), etc

A fin de poder cuadrar los tiempos de trabajo de los diferentes lechos de adsorcin, en este tipo de procesos se tienen que introducir determinados tiempos de espera (Idle) que afectarn al computo total de tiempo de trabajo y regeneracin del lecho.

1.4 Directiva Europea ATEX 94/9/CE del 23/03/94

No debemos olvidar la finalidad y la localizacin de nuestra planta de purificacin de hidrgeno, es decir, estamos trabajando bajo productos y / o reas susceptibles deformacin de atmsferas explosivas.

A fin de poder regular y minimizar los riesgos en dichas reas, se creo la directiva europea ATEX, con la que se logro crear unos estndares de fabricacin y montaje a fin de obligar a los fabricantes y mantenedores de las instalaciones con riesgos especiales a unificar los criterios de fabricacin, dotando a sus instrumentos de unas caractersticas que le otorguen mayor resistencias y durabilidad frente a situaciones de riesgo como escapes de gases o lquidos inflamables, fuegos, cortocircuitos, etc.

Potencial Atmsfera explosiva:


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Una atmsfera explosiva es la combinacin de 3 elementos bsicos:

a-oxigeno (siempre presente en el aire)

b-sustancia inflamable

c-fuente de ignicin (superficies calientes, chispas, llama,...)

Estndares Europeos:

IEC

La International Electrotechnical Comisin (IEC) fue fundada en 1906 en Ginebra y actualmente esta formada por 43 pases. Su funcin es la de regular los estndares de cooperacin internacionales para todos los temas relacionados con la estandarizacin y certificaciones de campo de los aparatos elctricos y electrnicos a favor de los intercambios internacionales. Desde 1976 esta cooperando entre otras con la ISO (International estandard Organization).

CENELEC:

El European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) es una organizacin tcnica localizada e Bruselas compuesta por 19 miembros de la comunidad econmica europea y miembros de la European Free Trade Association entre los cuales estn Bulgaria, Chipre, Croacia, Estonia, Hungria, Lituania, Polonia, Rumania, Eslovaquia, Eslovenia, y Turqua. Esta organizacin es la encargada de unificar los estndares a fin de crear un estndar europeo unificado (EN). El comit tcnico 31 de CENELEC es el encargado de elaborar los estndares para aparatos elctricos posibles de usar bajo atmsferas explosivas.


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Las normativa ATEX, nos va a dividir los diferentes espacios de trabajo en zonas, segn su nivel de peligrosidad.

Segn la clasificacin de la norma ATEX 94/9/CE, podemos encontrarnos con:

CENELEC:EN 1127-1 Categora equipo

Destino

- Presencia de metano o polvo M1 I

(minas) - Riesgo de presencia de metano o polvo M2 I

(minas) Zona 0

Presencia permanente o frecuente de inflamables

1 II (superficies)

Zona 1

Presencia intermitente o probable de inflamables

2 II

(superficies) Zona 2

Presencia ocasional o periodos cortos de inflamables

3 II

(superficies)

Tabla 1. Zonas Clasificadas segn CENELEC:EN1127-1

La normativa obliga a los fabricantes al etiquetado e identificacin de todos sus productos destinado o susceptibles de trabajar en zonas clasificadas en una zona visible del mismo.

A fin de poder interpretar dicha identificacin del instrumento, se adjunta la tabla con los cdigos de identificacin de los aparatos para uso en zonas clasificadas: EN 50014.

EEx m II T4 Clases de temperatura Temp. superficie mxima Temp. ignicin T1 450 450 T2 300 300 T3 200 200 T4 135 135 T5 100 100 T6 85 85 Clasificacin equipos segn productos Temp. ignicin I llamarada metano IIA acetona 540 cido actico 485 amoniaco 630


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etano 515 cloruro metilo 556 metano 595 monxido carbono 605 propano 470 n-butano 365 n-butilo 370 sulfuro hidrogeno 270 n-hexano 240 acetaldehdo 140 etil ter 170 etil nitrito 90 IIB etileno 425 oxido etilo 429 IIC acetileno 305 bisulfuro de carbono 102 hidrogeno 560 Clase de proteccin Apto para zonas

d

aparato con partes explosivas encerradas en caja a prueba explosiones 1-2

e

aparato de alto coeficiente seguridad. Libre de altas temperaturas, libre de formar chispas o arcos elctricos en normal operacin 1-2

ia 0-1-2

ib

circuitos elctricos diseados con energa limitada para no llegar al punto de ignicin en operacin normal o en caso de averas, limitando la corriente de pico y voltaje a circuito abierto as como limitando la energa almacenada 1-2

m

encapsulados especiales que evitan ignicin o explosin de un aparato susceptible de chispas o arcos 1-2

o aparato elctrico inmerso en aceite 1-2

p aparato presurizado con gas inerte 1-2

q encapsulado relleno de polvo 1-2

Tabla 2. Nomenclatura CENELEC


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2 Anlisis del Proceso 2.1 Introduccin

Durante la fase de estudio y valoracin del proyecto de la planta de DHP, se estudio e incluyo en el mismo, la planta de purificacin de hidrgeno tipo PSA.

Para la implementacin del sistema de control de esta unidad, el equipo responsable del proyecto, se deshecho el control autnomo de la misma (mediante un autmata programable independiente) que monta el suministrador como control estndar en sus unidades, prefirindose la introduccin de la totalidad del control de la planta de purificacin en el sistema de control distribuido DCS que la empresa Fisher Rosemount implementaba para el control del resto de la planta de DHP.

Entre mediados del ao 2003 hasta finales del ao 2004 se realiz la puesta en marcha de la planta de deshidrogenacin de propano as como la puesta en servicio de la planta de purificacin de hidrgeno.

Debe tenerse en cuenta que el proceso de puesta en marcha de la planta deshidrogenacin del propano, se emplea un suministro externo continuo de hidrgeno mediante camiones plataforma hasta que se alcanzan unos 500C en la zona de reaccin. A partir de este punto, se inicia la auto produccin de hidrgeno por deshidrogenacin cataltica, por lo que debe ponerse en servicio la unidad de purificacin de hidrgeno PSA, para poder autoabastecerse del propio hidrgeno generado en el flujo de salida de la zona de reaccin y cubrir la demanda de hidrgeno limpio en las zonas caliente de la planta (requisito imprescindible para el funcionamiento de la planta de DHP).

Por otro lado, a partir del inicio de la reaccin de deshidrogenacin del propano, la demanda de hidrgeno limpio en la zona de reaccin de la planta se incrementa considerablemente, lo que haciendo inviable su suministro mediante camiones plataforma. Esto implica que la planta de purificacin de hidrgeno no puede dejar de suministrar hidrgeno a la zona de reaccin bajo ningn concepto. Cualquier corte o disminucin de suministro de hidrgeno por parte de la planta de PSA hacia la zona de reactores obliga a realizar una bajada drstica de las temperaturas en la zona de reaccin, o lo que es lo mismo, altsimas perdidas econmicas por la consecuente disminucin o perdida de la produccin por paro de reaccin de deshidrogenacin.

Debido a la vital importancia que tiene el suministro de hidrgeno de alta pureza a la zona de reaccin para el funcionamiento de la planta de deshidrogenacin de propano, la fiabilidad de esta unidad debe ser muy alta y debe ser capaz de mantenerla durante periodos largos periodos de tiempo (mnimo 2 aos).

La puesta en marcha inicial de una planta de deshidrogenacin de propano conllevo tambin el comisionado de otras muchas unidades auxiliares al propio proceso de reaccin, como compresores multi etapa, turbinas de vapor , equipos de refrigeracin, hornos de tiro natural, columnas de fraccionamiento, etc, que por sus dimensiones o por sus caractersticas tcnicas, no podan ser probados con anterioridad a la fase de puesta en marcha, es decir, era preciso probar y ajustar su funcionamiento a las caractersticas concretas de la planta donde han sido instalados.


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2.2 Especificaciones de Diseo

La planta de purificacin de hidrgeno PSA est diseada para purificar gas rico en hidrgeno en el proceso de deshidrogenacin de propano.

Las consideraciones de diseo de la unidad fueron:

Operacin normal Base diseo Temperatura del lecho 45 C 35 a120 C Presin del lecho 40.78 Kg/cm2 0.38 a 45.89 Kg/cm2 Caudal de entrada 7786 Nm3/h 16893 Nm3/h

Tabla 1. Especificaciones de diseo

El PSA de H2 est garantizado para cumplir con la especificacin de composicin del producto de H2 tal y como se muestra a continuacin.

Especificaciones del flujo de salida

Hidrgeno (H2) 99,99 mol%

Monxido de Carbono (CO) 1 ppmv

Metano (CH4) 10 ppmv

Etano (C2H6) 1 ppmv

Nitrgeno (N2) 89 ppmv

2.3 Descripcin del Proceso 2.3.1 Configuracin Bsica

A fin de alcanzar las especificaciones anteriores, la PSA de Tarragona fue diseada utilizando un ciclo con 4 lechos de alta recuperacin con un lecho en alimentacin, con un solo lecho en fase de adsorcin a la vez:

4 /1 /1

El control de los ciclos de los 4 lechos se realizo mediante un sistema de vlvulas automticas del tipo mariposa. Todas estas vlvulas son Jamesbury Wafersphere.

Se implementaron dos lneas de purga automtica a antorcha a fin de estabilizar o minimizar las oscilaciones de volumen del circuito de gas de cola debidas a las consecutivas cargas del compresor de gas de cola as como las oscilaciones producidas en la lnea de gas de producto por la incorporacin aguas arriba de un compresor de membrana.


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Tambin se instal un depsito pulmn en la succin del compresor de gas de cola a fin de poder amortiguar mas las oscilaciones de presin en la entrada del mismo .

2.3.2 Composicin de los Lechos

Los lechos instalados en la planta de DHP fueron lechos de adsorcin de 1.5 mts de dimetro y 7.4 mts de altura capaces de trabajar a presiones de 45 barg.

Los 4 lechos se rellenaron con 9200 kg de absorbente cada uno dispuesto en 2 capas:

Composicin del lecho

Tabla 3. Composicin del lecho

2.3.3 Modo de Funcionamiento 2.3.3.1 Filosofa de Control

La planta de PSA esta concebida para su funcionamiento totalmente en automtico, es decir, la operacin de la unidad de PSA (la conmutacin de las vlvulas, los controles de presin o la parada de la planta son controlados por el sistema de control, DeltaV de Fisher-Rosemount.

El operador del panel de control, puede ajustar el tiempo de adsorcin cuando crea necesario (cambios de produccin o si otros factores afectan a la pureza del producto), sin embargo, el tiempo de adsorcin se ajusta normalmente de forma automtica, si se enciende el control TIEMPO DE CICLO AUTO en el panel de control. Este tiempo de adsorcin se calcula basado en el caudal de alimentacin.

Una vez cambiado el tiempo de adsorcin, el sistema de control ajustar todos los dems parmetros de control (tiempos de fase individuales; tasas de velocidad de apertura / cierre y las posiciones de las vlvulas para los controladores de Proporcionar Purga, Despresurizacin y Represurizacin). Adems de estos parmetros, el sistema de control maneja todas las secuencias de apertura y cierre de vlvulas, alarmas, enclavamientos y actualizacin de las pantallas de datos con el panel de control.

Operador Sistema de control Asignar tiempo de adsorcin Si Si Asignar tiempos de cada fase - Si Velocidades de apertura y cierre de vlvulas - Si Control de las vlvulas todo o nada - Si Control de las vlvulas con posicionador - Si Control de enclavamientos - Si Actualizacin datos visualizados - Si Presentacin de alarmas - Si

Tabla 4. Parmetros de Control

Sustancia Carbn activo Ceolita Bolas cermicas (1)


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2.3.3.2 Secuencia de Fases

El ciclo PSA de H2 es un proceso de adsorcin de cuatro lechos que utiliza seis fases. En cualquier momento uno de los lechos procesa la alimentacin y los otros tres lechos estn en una de las varias etapas de regeneracin: Proporcionar Purga, Despresurizacin, Recibir Purga, o Represurizacin o Espera.

A fin de poder facilitar la explicacin del ciclo de los lechos, partiremos de un lecho limpio y presurizado a la presin de trabajo.

Fase 1: Adsorcin

Objetivo:

El objetivo de esta fase hacer pasar el hidrgeno con impurezas sucio, procedente de la corriente de NET GAS, a travs de un lecho de resinas limpias para que estas retengan las impurezas de dicho flujo y se obtenga un hidrgeno de salida (por la parte superior del lecho) que cumpla con las condiciones de diseo.

Descripcin:

El gas de alimentacin procedente de la red de Net GAS, entra por la parte inferior del lecho de generacin a travs de la vlvula automtica de Alimentacin .

Cuando el gas entra al lecho, las impurezas son adsorbidas por el carbono y tamiz molecular contenidos en el mismo, obtenindose un flujo mas limpio a medida que el hidrogeno va subiendo por el interior del depsito.

En la parte superior, el hidrgeno purificado sale a travs de la vlvula de Producto que el sistema de control ha abierto al 100%.

A medida que el hidrgeno va pasando por el interior del lecho, desprendindose de las impurezas, estas son adsorbidas por el carbn y la Zeolita, lo que provoca que la concentracin de impurezas dentro del lecho va incrementndose. Esto provoca que el tamiz molecular que se encuentra mas cercano a la tobera de entrada al lecho(parte inferior), se va saturando y deja de adsorber impurezas, por lo que estas pasan a travs de este tamiz saturado quedndose retenidas en un nivel superior del mismo. A medida que nuestro lecho esta en servicio, el frente de impurezas se va acercando a la tobera de salida (parte superior) del mismo, por lo que llegara un momento que el lecho no podra adsorber todas las impurezas entrantes y las dejara escapar hacia la tubuladura de salida, contaminndose nuestro hidrgeno producto.

Para una flujo de produccin determinado y una composicin de pureza especificada, existe un tiempo de adsorcin mximo permitido (que se determina normalmente en el momento de la puesta en marcha por analtica en campo).

Este seria el mximo tiempo de adsorcin permitido bajo las condiciones del ensayo, si se excede este tiempo de adsorcin permitido, el lecho llega a saturarse y migra el "frente de impurezas" hacia el colector de salida de producto.


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Para evitar la produccin de hidrgeno fuera de especificaciones, el sistema de control cambia de paso al transcurrir un determinado tiempo de adsorcin.

Overlap:

Una vez alcanzado el tiempo de adsorcin, el sistema de control NO CERRAR las vlvulas de Alimentacin y de Salida de Producto del lecho agotado de forma inmediata, sino que estas vlvulas se van ha mantener abiertas un tiempo adicional despus de que haya transcurrido el tiempo de Adsorcin.

Este tiempo fijo de solape o Overlap se implementa para dar tiempo a las vlvulas del lecho que inicia su fase de adsorcin a abrir completamente sus vlvulas automticas.

El tiempo de Overlap fijado durante el periodo de comisionado de la planta

El tiempo de overlap se determina mediante los dispositivos de feedback (finales de carrera) que incorporan ambas vlvulas.

Fase 2: Proporcionar Purga

Inicio de la fase de regeneracin del lecho agotado.

Objetivo:

Iniciar la despresurizacin del lecho agotado.

Proporcionar un flujo constante de hidrgeno poco sucio para hacer un barrido del lecho que esta en el paso de recibir purga.

Descripcin:

El hidrgeno sale por la parte superior de un lecho que se abre al 100% y fluye hasta la parte superior del lecho que esta en el paso de Recibir Purga.

El hidrgeno que sale por la parte superior del lecho se aprovecha para realizar el barrido del contenido del lecho que esta en fase de recibir purga

Fase 3: Despresurizacin (Blowdown)

Objetivo:

Desprender las impurezas del adsorbente mediante la bajada de presin en el mismo.


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Descripcin:

A fin de poder desprender las impurezas del absorbente, debemos bajar al mximo la presin del mismo, por lo que el sistema de control abrir la vlvula de purga y despresurizar el lecho por su parte inferior hacia el colector de gas de cola

A medida en que el lecho va perdiendo presin, algunas de las impurezas que contena el gas de alimentacin, se desprenden del carbn activo y del tamiz molecular.

Estas impurezas pasaran junto con el hidrgeno contenido en el lecho a travs de la vlvula de despresurizacin al colector del gas de cola

Fase 4: Recibir Purga

Objetivo:

Barrer a contracorriente el contenido del lecho hacia el colector de gas de cola.

Descripcin:

El hidrgeno de otro lecho que este en fase de Proporcionar Purga , entra por la parte superior del depsito a travs de la vlvula automtica, saliendo por el fondo del lecho a travs de la vlvula automtica hacia el colector de gas de cola.

La etapa de purga debe terminar a una presin lo ms baja posible para facilitar el desprendimiento del resto de impurezas en la corriente de purga rica en hidrgeno. Las impurezas salen por el lado de alimentacin del lecho

Fase 5: Tiempo de Espera (Idle)

Objetivo:

Esperar a que termine se termine la fase de represurizacin de otro de los lechos.

Descripcin:

Debido a que los lechos se hallan en diferentes fases de trabajo y a fin de evitar que nos caiga la presin del colector de gas producto, deberemos evitar que dos lechos entren en el paso de represurizacin al mismo tiempo, as pues, despus de la etapa de Recibir Purga, existe una etapa de Espera que es igual al tiempo de la etapa de Despresurizacin menos el tiempo de Overlap.

Por otro lado, la demanda de hidrgeno limpio en nuestro sistema aumentara por lo que este se restara de la cantidad de hidrgeno limpio proporcionado por la unidad al resto de la planta a travs del colector de hidrgeno producto.

Fase 6: Represurizacin


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Objetivo:

Preparar el lecho para entrar en servicio, llenndolo con hidrgeno limpio y elevando su presin a la presin del colector de alimentacin.

Descripcin:

Durante la Represurizacin, el lecho vuelve a la presin de alimentacin (menos la cada de presin de las lnea y accesorios), al introducir una cantidad de hidrgeno producto del colector de salida a travs de la vlvula de Producto .

2.3.3.3 Ciclos de Trabajo a 4 Lechos

En es esquema siguiente podemos ver la descripcin del ciclo de trabajos de la PSA para los 4 lechos instalados en Tarragona.

Fase Adsorcin

Overlap ProporcionarPurga Blowdown RecibirPurga Idle Represurizacin

Tabla 5. Tabla presiones y tiempos de cada fase

2.3.3.4 Composicin del Gas de Cola

La composicin del gas de cola no es constante a lo largo de todo el ciclo de trabajo de la PSA, pues, a lo largo de las sucesivas etapas de regeneracin, el contenido de impurezas va variando y con l, el peso molecular de dicho gas.

2.3.3.5 Puesta en Marcha de la Unidad

El siguiente procedimiento de puesta en marcha debe utilizarse durante la instalacin, comprobacin y puesta en marcha de la planta.

Antes de la puesta en marcha, se tiene que purgar toda la tubera en el PSA con nitrgeno para eliminar oxgeno.

Cuando se para la PSA, todas las vlvulas automticas se cierran y el programa congela el ciclo en dicho punto.

Si los lechos retienen sus presiones, el PSA puede volver a ponerse en marcha rpidamente sin problemas de pureza, en caso contrario, debe procederse a la adaptacin de la unidad a sus condiciones iniciales de puesta en marcha


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Seleccione la fase de ciclo deseado.

1) Si es necesario, presurice el colector de salida de producto y despresurice el colector de gas de cola para desenclavar los permisivos de presin de las vlvulas de alimentacin, gas de cola y salida de producto

Ajuste las presiones de lechos para lograr las presiones de la fase de arranque.

Si la presin es demasiado alta, el recipiente puede

2) Introducir el tiempo de ciclo deseado. 3) Ponga la PSA en MARCHA, desde el interface grafico del sistema de

control 4) Ajuste el tiempo de ciclo hasta que se alcance la pureza deseada.


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3 Anlisis del Hardware Instalado

En este apartado se describen fsicamente los equipos que se hallan en la PSA, tanto los mecnicos como la instrumentacin. Se ha realizado un mayor hincapi en el apartado de instrumentacin, pues la comprensin de la misma ser bsica para poder entender el funcionamiento del software de control.

Este apartado pretende ser una gua til para el seguimiento del cableado de los instrumentos y la configuracin fsica de los lazos de control, partiendo desde los equipos de campo hasta llegar al conjunto de la electrnica necesaria para el funcionamiento del programa de control en el sistema DeltaV.

3.1 Equipos Mecnicos

Dentro del desarrollo de este proyecto, no se ha credo conveniente profundizar demasiado dentro de las especificaciones tcnicas y los dimensionados de los equipos mecnicos que intervienen en la unidad. Tan solo se ha pretendido realizar una enumeracin de los mismos a fin de poder identificarlos correctamente y ver sus caractersticas mas relevantes.

Para el diseo de los equipos mecnicos de la PSA, al igual que para todos los equipos mecnicos que intervienen el la planta de DHP, se sigui el cdigo americano ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII.

Listado equipos mecnicos

TAG Descripcin D-041 Depsito absorbente D-042 Depsito adsorbente D-043 Depsito adsorbente D-044 Depsito adsorbente D-045 Tambor succin gas de cola SV-010 Vlvula seguridad D-041 SV-011 Vlvula seguridad D-042 SV-012 Vlvula seguridad D-043 SV-013 Vlvula seguridad D-044 SV-014 Vlvula seguridad D-045

Tabla 6.Lista equipos mecnicos

3.1.1 Lechos de Absorbente

La PSA dispone de 4 depsitos de adsorbente iguales fabricados por Glapwell Contracting Services Limited, con la nomenclatura:

D-041

D-042


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D-043

D-044

Estos 4 depsitos de 1,5 m de dimetro interior por 7,4 m de altura T-T (tangente a tangente) cada uno, fueron diseados para:

- Presin de diseo 45,0 barg

- Temperatura de diseo 120C

- Presin de trabajo de 4,8 barg a 0,3 barg

- Temperatura de trabajo 43C

Distribuidor superior

Cada depsito dispone en su parte superior de una rejilla perforada cilindrada y cegada con una chapa slida por su parte inferior, para la retencin del adsorbente y mejorar la distribucin del flujo de gas.

Esta rejilla de acero inoxidable A-240 TP-304 S30400 tiene un dimetro de 5 y una longitud de 3 con un rea abierta del 22% (dimetro agujeros de )

Distribuidor inferior

En su parte inferior, estos depsitos disponen de un filtro de retencin en forma de screen cilndrico formado por perfiles en V, y cerrado este por una chapa slida en su parte superior.

3.1.2 Tanque Succin

A fin de poder mitigar las fluctuaciones de flujo producidas en la lnea de descarga causadas por las consecutivas aperturas y cierres de las vlvulas de purga, as como por las fluctuaciones provocadas por la aspiracin del compresor de volumtrico aguas abajo en la lnea de Tail gas, se interpuso un depsito pulmn .

Este depsito de 2,2 m de dimetro x 3,5 m de altura (tangente a tangente) fue diseado bajo los siguientes conceptos:

- Presin de diseo 10,3 barg

- Temperatura de diseo 150C


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- Presin de trabajo de 0.25 barg

-Temperatura de trabajo 43C

El recipiente de purga fue fabricado por Glapwell Contracting Services Limited.

3.1.3 Vlvulas de Seguridad

SV-010,1,2,3

Cada lecho de adsorcin esta protegido contra sobre presiones mediante su respectiva vlvula de seguridad de Anderson Greenwood.

Estas vlvulas estn taradas a una presin de disparo de 45.0 barg.

Estas vlvulas estn dimensionadas para resistir fuego externo al recipiente con la lnea de entrada cerrada, en el caso de operaciones de alta presin.

SV-014

El depsito de aspiracin del tambor de succin del compresor esta protegido de sobre presiones mediante la vlvula de seguridad SV-014.

Esta vlvula de seguridad de Anderson Greenwood , dispone de un sistema propio de pilotaje y se halla tarada a una presin de disparo de 2.75 barg. Por su construccin presenta resistencia al fuego externo.

Esta vlvula de seguridad nos protege adems del depsito de succin, todo el colector de entrada al mismo.


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3.2 Equipos Instrumentacin 3.2.1 Vlvulas Automticas

A fin de poder controlar el paso del flujo de gas a travs de los diferentes lechos desde un sistema de control central DCS, la PSA dispone de diferentes tipos de vlvulas automticas, segn la funcin que vayan a desempear.

Mirando la constitucin interna de las mismas podramos realizar varias clasificaciones de las mismas, se ha preferido dividir las misma en grupos funcionales, es decir, teniendo en cuenta el uso a que se destinan, pudindose as hacer mayor hincapi en las diferentes configuraciones necesarias para el control de las mismas.

Por ello vamos a encontrarnos con tres grupos funcionales bsicos de vlvulas:

- Vlvulas de Corte Todo-Nada - Vlvulas de Corte Controladas - Vlvulas de Regulacin y Control

3.2.1.1 Vlvulas de Corte Todo-Nada

Figura 30. Vlvula de corte Jamesburry

3.2.1.1.1 Objetivo

Las vlvulas de corte son vlvulas con dos posiciones lgicas de trabajo, abiertas o cerradas.

Se utilizan industrialmente para abrir o cerrar el paso del producto por determinadas tuberas, logrndose conducir as el flujo del proceso, no van a ser usadas para la regulacin de caudales o presiones, ya que por su constitucin interna son demasiado sensibles a cambios de flujo producidos por movimientos de la misma.

Este tipo de vlvulas se caracterizan por logran una alta estanqueidad en su posicin cerrada a altas presiones (segn materiales de los asientos), as como una baja perdida de carga en su posicin abierta.


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Por la parte inferior de los lechos de adsorcin, debemos permitir o cortar el paso del gas de proceso net gas as como permitir el paso del gas desde el interior del depsito hacia el colector de gas de cola Tail gas.

3.2.1.1.2 Elementos Constructivos

A. CUERPO

El cuerpo de la vlvula es la parte fsica de la vlvula que se encarga de cortar el paso al gas o liquido.

El grupo de vlvulas de corte montadas en la PSA de Tarragona son vlvulas de compuerta de la marca Neles-Jamesbury, modelo W830.

Figura 31. Vlvula Neles-Jamesbury

El cuerpo de montaje es de tipo sndwich, es decir, no lleva bridas, sino que va montada entre las bridas de la tubera, esta disposicin permite reducir el peso de la vlvula y el espacio requerido para su montaje en isomtricos de corto avance. Por el contrario, deben extremarse los cuidados en su manipulacin y montaje, pues los esfuerzos y tensiones producidas por las tuberas adyacentes pueden provocar fugas en las bridas o empaquetaduras as como deformaciones en el cuerpo de la vlvula que impidan o dificulten el giro del eje de la compuerta, para ello debe respetarse el apriete de la tornillera se la vlvula segn:

Tamao Tornillera Par apriete 4-300 lbs B7 3 / 4 x 250 339 394 N (250 290 lb-ft) 8-300 lbs B7 7 / 8 x 230 515 604 N (380 445lb- ft)

Tabla 7. Pares de apriete


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Figura 32.Despiece vlvula Neles Jamesbury

Las vlvulas de compuerta Neles-Jamesbury tienen un diseo de mariposa de alto rendimiento, debido al diseo excntrico de su compuerta.

Esta compuerta viene actuada mediante un eje (flecha) que se halla desplazado hacia atrs respecto al centro de la leva y hacia un lateral de la misma.

Figura 33.Emplazamiento eje compuerta

Este diseo hace que el elemento rotativo o leva, en el momento de abrir, se separe del asiento en los puntos de mximo desgaste (parte superior e inferior de la leva), evitndose la erosin de la zona de sellado en estos puntos.


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Por otro lado, este tipo de vlvulas presentan una gran rea de presin en el disco en uno de los lados de la flecha, lo que provoca que la vlvula tiene tendencia a abrirse cuando existe presin alta en el lado de la compuerta. Esto nos obliga a usar actuadores o manivelas en este tipo de vlvuleria, sobre todo en aquellas vlvulas de gran tamao:

De 2 a 4 300 psi deltaP (20.6 bar)

De 5 a 8 150 psi deltaP (10.3 bar)

Mas de 8 50 psi deltaP ( 3.4 bar)

El asiento del cierre de la compuerta es del tipo FIRE-TITE con soporte de estilo esfera:

Figura 34. Despiece del asiento de vlvula

Figura 35. Detalle del asiento

El cierre del paso de gas o liquido a travs de la vlvula se realiza al presionar el asiento (5) (parte blanda) con el disco de la compuerta. El perfecto grado de acabado de las superficies garantiza la inexistencia de fugas. El asiento esta construido con PTFE.

El cierre del conjunto se realiza a travs de la junta (40) entre el inserto (2) y el cuerpo de la vlvula por un lado y la junta trica por otro (77), garantizndose de este modo la estanqueidad de la caja del asiento.

El conjunto de partes blandas de la vlvula, deben cambiarse en cada actuacin de mantenimiento sobre la vlvula. El propio fabricante suministra un kit de repuesto para el conjunto departes blandas de la misma:


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Tamao Cdigo Fabricante 4-300 RKW-365MT 8-300 RKW-367MT

Tabla 8. Cdigos del fabricante

La empaquetadura de cierre del vstago (flecha) es de PTFE Chevron con aro en V de 1/16 de grosor. Tambin es posible el montaje de empaquetaduras prensadas para alta temperatura del mismo grosor pero con una dureza mnima de 70 shore D. Su repuesto viene incluido en el kit de reparacin del fabricante

B. ACTUADOR

A fin de poder accionar remotamente el giro del eje de la vlvula, se precisa un elemento actuador. Industrialmente este tipo de actuadores pueden ser elctricos, hidrulicos o neumticos.

En la industria petroqumica, la presencia de elementos elctricos en las plantas de produccin, deben seguir las normativas de seguridad ATEX, que clasifica las diferentes reas de trabajo segn el potencial de peligro por la presencia o posible presencia de productos inflamables en el ambiente. Esta normativa de obligado cumplimiento, obliga a los fabricantes a garantizar un sellado de las posibles fuentes de ignicin, lo que se traduce en una mayor robustez de las carcasas de los equipos y un mayor sellado de los pasos de cables, tapas de registros, etc. Todo ello unido a la verificacin y certificacin que deben pasar los equipos, conlleva a un incremento importante del precio de venta del mismo. Por todo ello, los actuadores electromecnicos tan solo son usados en la industria en casos excepcionales, donde no se disponga de otras fuentes de energa o en zonas donde por su ubicacin no sean viables actuadores del tipo neumtico o hidrulico.

Los actuadores hidrulicos son muy empleados en todos los equipos que dispongan de grupos propios de presin de aceite, como por ejemplo en equipos rotativos tipo compresores o turbinas de gran tamao, que disponen de un grupo auxiliar de presurizacin de aceite para el engrase de los cojinetes de la propia maquina. En estos equipos resulta fcil y econmico, utilizar la presin del mismo grupo como elemento motriz para la actuacin de las vlvulas. Este tipo de sistema motriz es muy voluminoso y rgido al tenerse que montar isomtricos de tubera para la distribucin del aceite a los diferentes puntos de actuacin, aunque por otro lado resulta un sistema de gran dureza y alta fiabilidad, con un mnimo coste de mantenimiento.

El elemento mas empleado en la industria qumica / petroqumica como propulsor para las vlvulas es el aire. El aire de instrumentacin es un elemento fcil de obtener y de distribuir por los diferentes puntos de actuacin, tanto en las zonas clasificadas como en las no clasificadas. No requiere tuberas de gran dimetro y en sus tramos finales se suelen utilizar tuberas metlicas inoxidables de pequeo dimetro (6mm,10mm 12mm) o incluso tubings de PTFE (tefln) o latiguillos metlicos que son capaces de absorber los movimientos o vibraciones del equipo. Por otro lado, la utilizacin de aire de instrumentacin es inocua para el medio ambiente, por lo que no requiere la fabricacin de lneas de retorno, sino que el exceso o purga del elemento


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propulsor (aire) se realiza directamente a la atmsfera, como veremos en el apartado de la estrategia de control.

Las vlvulas de corte montadas en la PSA, montan el mismo tipo de actuador de pistn, el B1J de la casa Neles, en dos tamaos segn sea la vlvula de 4 o 8, excepto la vlvula de 4 de entrada a la unidad UV-0401, que monta un actuador de membrana, Quadra-Powr II.

Actuador Neles B1JV

Figura 36. Despiece actuador Neles B1JV

Este tipo de actuadores Neles, montan cojinetes de PTFE, de alta densidad (PE_HD) o de Glacier (DU).

Estos actuadores disponen de una biela accionada por un pistn neumtico en el interior de su carcasa metlica de acero fundido. Una biela segundaria es la encargada de transferir el movimiento al eje del cuerpo de la vlvula.

Al introducirse aire por la parte superior del pistn neumtico, este empuja el pistn hacindolo adelantar su posicin y empujando las bielas que provocan el giro del eje de la vlvula en sentido de las agujas del reloj, vista la vlvula desde el lado de la cubierta protectora:

Figura 37. Sistema de actuacin sobre el eje de vlvula


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La biela segundaria dispone de dos ranuras de encaje a 90 entre ellas a fin de posibilitar el montaje del actuador en diferentes posiciones.

El momento torsor transmitido por el actuador al eje de la vlvula, no es lineal, es decir, depender del ngulo de giro en que se encuentre la biela y la posicin del muelle en un determinado momento. El momento mximo nos lo vamos a encontrar en la posicin inicial al abrir (0) pues en esta posicin nuestro muelle se halla en su posicin mas estirada ofreciendo la menor resistencia.

Figura 38. Curvas de seleccin de clculo del par ejercido por el actuador

El par mximo disponible con estos actuadores a la presin mxima de alimentacin es de :

Momento torsor mximo a 8.5 bar Mn 150 Nm BJV10JZ M90 270 Nm Mn 600 Nm BJV16JZ M90 1000 Nm

Tabla 9. Momento torsor actuadores Neles

El cubicaje de los cilindros actuadores ser:

Cilindrada del actuador Peso BJV10JZ 1.8 litros 30 kg BJV16JZ 6.7 litros 100 kg

Tabla 10. Cilindrada actuadores Neles

Una vez el aire es desalojado de la cmara neumtica, el efecto del muelle hace retroceder el pistn forzndose el giro de la vlvula a un posicin estable (posicin de seguridad). El muelle seleccionado por el fabricante para el montaje es el reforzado,(modelo V), que ejerce 1.3 veces el par nominal de la vlvula.

Mediante dos tornillos podemos regular desde el exterior tanto el recorrido de la carrera del pistn como el ngulo de giro mximo del eje de la vlvula.


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Figura 39. Despiece actuador Neles BJV

Figura 40. Lista despiece actuadores BJV

Actuador Quadra-Powr II

Los actuadores Quadra-Powr II del fabricante Jamesburry, es un actuador de membrana y muelle.


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La entrada de aire se produce por la parte superior de la membrana, en el lado opuesto del muelle. La presin ejercida por el aire, provoca el movimiento de la membrana hacia el cuerpo de la vlvula. El vstago unido a esta membrana presiona el muele y empuja la biela de accionamiento del eje de la vlvula, provocando su giro.

Figura 41. Sistema accionamiento actuadores Quadra-PowrII

Al desalojarse el aire de la parte superior de la membrana, se provoca la disminucin de la presin ejercida sobre el muelle de retorno, lo que provoca el retroceso de la membrana, arrastrando esta la biela de accionamiento y el giro del eje de la vlvula en sentido contrario al anterior.

Figura 42. Actuador Quadra-PowrII en reposo


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Figura 43. Despiece actuador Quadra-PowrII

C. SISTEMA DE MANDO

El control de las vlvulas de corte, se efecta mediante el control de la cantidad de aire que se introduce el la parte del cilindro contraria a la ubicacin del muelle de retorno.

Cuando el aire entra en la cavidad del cilindro, la fuerza de empuje obliga a retroceder al cilindro y este arrastra la biela de conexin con el eje de la vlvula, obligando a esta ultima a girar y a abrir.

El movimiento de cierre de la vlvula es provocado en el momento que permitimos la salida del aire de la cavidad del cilindro, lo que provoca que la accin del muelle vence la fuerza del aire, obligando al embolo a retroceder hasta su posicin inicial y junto a el la biela que provocar el giro del eje de la vlvula llevndola a su posicin cerrada.

Figura 44. Esquema alimentacin aire al actuador

Todo el control del flujo de aire de instrumentacin se realiza a travs de una electro vlvula de control o solenoide. La electro vlvula de solenoide es la primera


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parte elctrica que nos encontramos y fsicamente se halla junto a la vlvula de corte, por lo que deber cumplir con la Directiva ATEX explicada en el apartado 3.2.1

El modelo de electro vlvula de solenoide empleada en este grupo de vlvulas es la WSETISB316A384VMB de la casa Asco.

Solenoide Asco WSETISB316A384VMB

Figura 45. Simbologa solenoide

Figura 46. Detalle solenoide Asco

La vlvula de solenoide pertenece a la serie 316 de la casa ASCO, esta formada por dos membranas flotantes de nitrilo (NBR) y un asiento blando de control de acetal (CA). Esta diseada para trabajar con presiones de 0.7 a 17 bar y su tiempo de respuesta esta entre los 40 y los 120 ms.

Figura 47. Detalle interior solenoide Asco


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Al energetizar las bobina superior, esta activa la solenoide y levanta el eje de la vlvula, cerrando por un lado la membrana que controla el escape de aire a la atmsfera y por otro abre o conecta el orificio de entrada de aire a la electro vlvula con la lnea de alimentacin al cilindro neumtico del actuador.

En el momento de retirar la corriente de la solenoide, la accin de un muelle hace retroceder el vstago y cierra la membrana de paso de aire hacia el cilindro neumtico, abriendo la membrana de alivio, lo que provoca la despresurizacin inmediata de este.

Se aconseja el uso de dichas electro vlvulas en aquellas aplicaciones donde :

- deban alimentarse actuadores de gran tamao, debido al alto flujo de aire de control que permiten pasar al actuador , lo que incrementa la velocidad de respuesta de la vlvula automtica controlada - vlvulas en las que se pretenda evitar despuntes por fugas internas de las solenoides. La configuracin de doble membrana asegura el cierre de la solenoide y la despresurizacin de la vlvula controlada a 0 bar.

La electro vlvula dispone en su parte superior de una bobina elctrica CM6-FT, dentro de un encapsulado antiexplosin:

Figura 48. Aspecto exterior e interior del encapsulado

Las caractersticas elctricas de la solenoide son:

-tensin alimentacin DC = 24v

AC = 24v-115v-230v/50Hz

-potencia 34.0 VA

holding 15.6 VA (6.0W)

hot/cold (=) 7 / 9.7 W

-proteccin IP65

-tiempo de vida 30.000 horas


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D. SISTEMA DE CONTROL

A fin de poder conocer la posicin del vstago de la vlvula en los puntos extremos de su recorrido, este tipo de vlvulas dispone de dos interruptores de final de carrera o limit switch que nos darn la confirmacin al sistema de control de si la vlvula ha llegado al final de su recorrido o no feed back. Los finales de carrera empleados en este tipo de vlvulas son del modelo 2247-BY-N-OIS-12MAG-00 de la casa Westlock.

Figura 49. Esquema mando sobre el actuador

Finales de carrera Westlock 2247-BY-N-OIS-12MAG-00

Tal y como indicbamos anteriormente, a fin de verificar el correcto funcionamiento del sistema, as co

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