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8/14/2019 Control de Una Columna Despropanizadora
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5. CONTROL DE UNA COLUMNA DESPROPANIZADORA
1. OBJETIVOS1.1.Simular, en estado estacionario y dinmico, la operacin de una columna de
destilacin simple
1.2.Estimar el tamao el dimetro de una columna de destilacin y el tamao delacumulador de reflujo y la base de la columna
1.3.Sintonizar, mediante HYSYS, los controles para la operacin dinmica estable deuna columna de destilacin simple
1.4.Estudiar los cambios que tienen las composiciones de los productos ante loscambios en la temperatura de referencia y en la presin
2. INTRODUCCIONLa destilacin es la tcnica de separacin ms frecuentemente usada en las industriasqumicas y petroleras. El diseo y control de esta operacin unitaria es vital para la
operacin segura y eficiente de muchas plantas
Las columnas de destilacin son unidades bastante complejas. Tienen varias entradas y
salidas de modo que pueden presentar serios problemas de control. Sus dinmicas son
una mezcla de cambios muy rpidos en los flujos de vapor, cambios moderadamenterpidos en los flujos de lquido, cambios lentos en las temperaturas y cambios muy
lentos en las composiciones. Frecuentemente, las variables manipuladas tienen
restricciones por los lmites de inundacin de la columna o las limitaciones de los
intercambiadores de calor. El diseo de un sistema de control efectivo para unacolumna individual no es una tarea trivial. Hay por lo menos seis circuitos de control
involucrados aun en la columna ms sencilla
En el HYSYS se pueden simular fcilmente columnas sencillas o complejas (concorrientes laterales, mltiples alimentos, rehervidotes intermedios, etc). En esta prctica
se estudiar el control de una columna sencilla con un alimento y dos productos.
3. PROCESO ESTUDIADOLas refineras de petrleo utilizan la destilacin extensivamente. Una de las
separaciones ms comunes es la purificacin del propano para su uso como LPG. Lacolumna de destilacin que realiza esta tarea se llama una ColumnaDespropanizadora
La presin de operacin de muchas columnas est determinada por la temperatura delagua de enfriamiento. La volatilidad relativa casi siempre aumenta cuando se disminuye
la temperatura y la presin disminuye cuando disminuye la temperatura. Para disminuir
el consumo de energa, es entonces recomendable operar a una presin tan baja comosea posible. La limitacin es la temperatura del agua de enfriamiento. Si la presin de la
columna se fija en un valor muy bajo, no se puede usar agua de enfriamiento como
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medio de enfriamiento y hay que recurrir a un refrigerante. Sin embargo, la
refrigeracin es varios rdenes de magnitud ms cara que el agua de enfriamiento paraprocesos de remocin de calor.
El agua de enfriamiento tpica tiene una temperatura de 90 F (32 C), de modo quemuchas columnas operan a una presin lo suficientemente alta para tener unatemperatura de 110 F (43 C) en el acumulador de reflujo. Con esto se obtienen
diferencias de temperatura satisfactorias para la transferencia de calor y reas
razonables del condensador. Esto constituye una transaccin entre el costo de la energa
en el rehervidor y la inversin de capital en el costo del condensador.
Algunas columnas tienen lmites en la presin de operacin debido a las restricciones
que imponen los lmites de una temperatura mxima. Esto puede deberse a reacciones
indeseables que ocurren a altas temperaturas (polimerizacin, coquizacin, explosin,etc). Los componentes pesados se concentran en la base de la columna, donde se da
entonces la mxima temperatura. La presin de la base tiene que reducirse para que nose sobrepase la mxima temperatura. A continuacin se determina la presin delcondensador que es igual a la presin de la base menos la cada de presin en los platos.
Finalmente, se determina la temperatura del acumulador de reflujo con la composicin
del destilado y la presin del condensador ya determinada. Si la temperatura delacumulador de reflujo es menor que 100 F (38 C) se debe usar refrigeracin que es
costosa, y de esta manera se incrementa el costo de operacin de la columna.
La columna de destilacin de esta prctica produce un destilado de un 98 % molar enpropano. A 110 F, la presin de vapor del propano es ligeramente mayor que 200 psia.
Por consiguiente, se selecciona una presin de 200 psia en el condensador. La presin
del rehervidor se estima al suponer que hay una cada de presin en cada plato de 5pulgadas de lquido en esta columna de alta presin. La densidad de este sistema de
hidrocarburos es 30 lb/pie3. La columna tiene 30 platos y el alimento entra en el plato
15. De modo que la presin en el rehervidor es
Pbase = Pcondensador+ Nplatos Pplato
psia
p
pie
pie
lb
pie
pu
platopuplatospsiaPbase 6.202
lg144
30
lg12
)lg/5()30(200
2
2
3=
+=
El alimento a la columna es una mezcla de propano (30 % molar), isobutano (40 %molar) y n-butano (30% molar). El flujo del alimento es de 100 lbmol/hr a 90 F y 203
psia. Se especifica una pureza del 98 % molar para el propano en el destilado. En el
producto de fondo se especifica una impureza del 1 % molar en propano. La razn dereflujo de diseo es de 3.22. Con esta informacin se puede disear la columna en el
estado estacionario.
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3.1.PAQUETE FLUIDO3.1.1. COMPONENTES: Propano, Isobutano y n-Butano3.1.2. ECUACION: Peng Robinson3.1.3. SISTEMA DE UNIDADES : Field
4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIOLa corriente de alimento se especifica con una presin de 223 psia y se alimenta a lacolumna a travs de la vlvula V1 con una cada de presin de 20 psia. El asistente para
la columna de destilacin nos gua para la introduccin de las especificaciones
enunciadas en la descripcin del proceso. La Figura 3.1 muestra la ventana final del
asistente con las corrientes conectadas a la columna, el nmero de platos, el plato dealimentacin, las presiones y cadas de presin en condensador y rehervidor. El valor de
la relacin de reflujo se introdujo en la pgina tres del asistente para la introduccin delas especificaciones.
Figura 3.1. Conexiones de la columna Despropanizadora
Las composiciones en propano en las corrientes Destilado y Fondo se agregan como se
observa en la pgina Monitor de la pestaa Design mostrada en la Figura 3.2. Las
especificaciones que aparecen por defecto en esta pgina no se observan porque fueroneliminadas y que las especificaciones activas son la fraccin molar de 0.98 para el propano
en el destilado y la fraccin molar de 0.01 para el propano en el producto de fondo Alpresionar el botn Run, si es necesario, el simulador converge satisfactoriamente y
muestra, por defecto, el perfil de temperaturas a lo largo de la columna. Seleccione el radio
botn correspondiente y observe los perfiles de presin y de flujos.
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Figura 3.2. Pgina Monitor de las especificaciones de la columna
La Figura 3.3 muestra el libro de trabajo, Workbook, de la columna adicionando a
continuacin de las especificaciones que aparecen por defecto, las concentraciones delos componentes en cada una de las corrientes. Para hacer esto, presione la pestaa
Material Streams con un clic del lado derecho del Mouse y haga un clic izquierdo
sobre la opcin Setup que aparece en el men contextual desplegado
Figura 3.3. Libro de trabajo de la columna
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Se despliega una ventana como la que muestra la Figura 3.4. En el cuadro Workbook
Tabs verifique la seleccin de la opcin Material Streams y en el cuadro Variablespresione el botn Add. En la ventana desplegada seleccione la variable Comp Mole
Frac y en el cuadro All/Single seale el radio botn All. Al presionar el botn OK
el libro de trabajo se observar con las concentraciones de los componentes como semuestra en la Figura 3.3
Figura 3.4. Ventana Setup para la personalizacin del libro de trabajo
La Figura 3.5 muestra el diagrama de flujo de la columna completamente especificada enestado estacionario
Figura 3.5. Columna Despropanizadora simulada en estado estacionario
Si se presiona el botn Column Environment de la ventana de propiedades de la columnase abre la ventana que se muestra en la Figura 3.6. Es un diagrama de flujo interno de la
columna. Observe que en esta figura se muestran varias corrientes que no se muestran en el
diagrama principal como el Reflux, To Reboiler y To Condenser
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Figura 3.6. Sub-Diagrama de flujo de la columna Despropanizadora
Desempeo de la columna
Al hacer un doble clic en la seccin de la torre en el Sub-Flowsheet de la columna se
despliega la ventana de ttulo Main TS a travs de la cual se puede observar el
desempeo o perfil de presiones, temperaturas y flujos, plato a plato, de la columna alpresionar la pestaa Performance. En el perfil de flujos se puede ver que el flujo de
vapor en el plato 1 (el primer plato es el de la cima) es de 136 lbmol/h (6033 lb/h). Los
flujos de vapor en la seccin rectificadora disminuyen a medida que descendemos en la
columna. Sin embargo, los flujos de vapor son mayores en la seccin despojadora porque la
temperatura del alimento es menor que las temperaturas de los platos en la seccindespojadora y por las diferencias en calores molares de vaporizacin de los componentes.
El mximo flujo de vapor se da en el plato 30 (165.9 lbmol/h, 9573 lb/h)
5. DISEO DE LOS EQUIPOS
A. Diseo de la Seccin de platos de la columnaDensidades
Para calcular la velocidad mxima del vapor por medio del factor F se necesita la
densidad del vapor. Para ello, se hace doble clic sobre el Main TS, se selecciona
la pestaa Worksheet y a continuacin la opcin Properties. En la ventanadesplegada y sobre la columna encabezada como To Condenser se observa que la
densidad del vapor que entra al condensador es de 1.9082 lb/pie3
y la densidad de la
corriente Boilup, es decir, del vapor que entra a la columna es de 2.2803 lb/pie3.
Velocidades mximas
A continuacin calculamos la velocidad mxima del vapor en la cima y en el fondo
de la columna
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En el plato de cima: segpiesF
VV
/724.09082.1
1max ===
En el plato de fondo: segpiesFVV
/663.02803.21
max ===
Areas seccionales
A continuacin se calculan las reas seccionales rectas en la cima y en el fondo de la
columna, disponiendo de los flujos msicos, las densidades y las velocidades
mximas y aplicando la ecuacinVelocidad
oVolumtricFlujoArea =
En el plato de cima: 2
3
21.1
)9082.1)(724.0(
)3600
)(6033(
Area pies
pie
lb
seg
pies
seg
h
h
lb
==
En el plato de fondo: 2
3
76.1
)2803.2)(663.0(
)3600
)(9573(
Area pies
pie
lb
seg
pies
seg
h
h
lb
==
Para calcular el dimetro se escoge el rea mayor, lo que resulta en un dimetro de1.5 pies
piesArea
Diametro 5.1)76.1(4*4===
Hay otro mtodo para encontrar el dimetro de la columna. Seleccione el men
Tools, posteriormente el sub men Utilities y a continuacin la opcin Tray
Sizing. Sin embargo, en este caso sale un mensaje recomendando el uso de torresempacadas, porque el dimetro es menor que un pie.
En algunos casos, estos clculos pueden verificarse con los que dan el HYSYS abriendo
la pgina Rating de la ventana Main TS como se muestra en la Figura 3.7 y seselecciona el botn Quick Size. En este ejemplo se muestra un mensaje de error
especificando que el dimetro de la columna es menor que un pie y que se debe usaruna columna empacada
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Figura 3.7. Dimensiones de la columna Despropanizadora
Observe que se han suministrado los valores para el dimetro, el espacio entre platos y
la longitud del vertedero (80 % del dimetro del plato) en la tabla Tray Dimensionsde la Figura 3.7. Se ha escogido una columna de platos perforados
Si se hace clic sobre la pestaa Dynamics se abre la ventana que se muestra en la
Figura 3.8. En la seccin Calculate K values seleccione el botn All Stages. Esto
calcula los coeficientes de presin-flujo por medio de la cada de presin especificadaen la columna y los flujos de vapor en los platos en el estado estacionario.
B. Diseo del acumulador de reflujo y de la base de la columnaPara este caso, se utiliza la heurstica de 10 minutos para el volumen de lquido en elacumulador de reflujo y en el de la base de la columna. El Sub Flowsheet de la
Figura 6 facilita las corrientes del acumulador de reflujo y del rehervidor. Si se hace
doble clic en estas corrientes se abren las ventanas que permiten ver las densidades
y los flujos de estas corrientes.
El flujo total que sale del acumulador de reflujo es de 6033 lb/h y su densidad es de29.211 lb/pie
3. Por consiguiente, para que un tanque lleno de lquido en un 50 %
tenga un volumen total equivalente a 10 minutos de operacin debe tener un
volumen de
3
335)
min60
1)(
/2.29
1)(6033min(10 pies
h
pielbh
lb=
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El lquido que entra al rehervidor (base de la columna) es de 13660 lb/h y su
densidad es de 29.4 lb/pie3. Por consiguiente, un recipiente equivalente a 10 minutos
de operacin debe tener un volumen de
3
34.78)
min60
1)(
/4.29
1)(13660min(10 pies
h
pielbh
lb=
Figura 3.8. Especificaciones dinmicas de la columna Despropanizadora
Para introducir el valor calculado del volumen del acumulador de reflujo, haga
doble clic sobre el cono del Condensador que se observa en el Sub-Flowsheet de la
columna y en la ventana desplegada presione la pestaa Dynamics. Las Figura
3.9 muestra el volumen de 70 pie3
introducido y un porcentaje de volumen delquido del 50 %. La Figura 3.10 muestra la especificacin del volumen en la base
de la columna introducida en la ventana de especificaciones del rehervidor.
Alternativamente, en el flowsheet principal, haga clic sobre la pestaa Dynamicsy seleccione Vessels para abrir la ventana de la Figura 3.11, donde pueden
introducirse ambos volmenes
C. Diseo de las vlvulas de controlTodas las vlvulas se disean abiertas al 50 %, excepto las vlvulas en el
condensador y rehervidor que se discuten a continuacin.
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Figura 3.9. Especificacin del volumen del acumulador de reflujo
Figura 3.10. Especificacin del volumen de la base de la columna
6. SIMULACION EN ESTADO DINAMICOEl esquema de control escogido para la columna Despropanizadora es la estructura
Reflujo-Vapor (R-V) que se utiliza en muchas columnas de destilacin. Se instalarnlos siguientes lazos para controlar: Control de flujo del alimento, Control de flujo en la
corriente de reflujo, Controles de nivel de nivel de lquido en el acumulador de reflujo y
en la base de la columna, Control de presin en el condensador y Control de
temperatura en el plato 6 numerndolos desde la cima
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Figura 3.11. Especificaciones de los volmenes del condensador y rehervidor
Control de flujo de alimento
1. Instale un controlador con variable de proceso, el flujo molar de la corrienteAlimento y la variable a manipular el flujo de la corriente a travs de la vlvulaV1.
2. Despliegue la pestaa Parameters y seleccione la accin inversa porque para unaumento en el flujo de alimento se debe disminuir la abertura de la vlvula V1
3. Asigne 50 lbmol/h y 200 lbmol/h a los valores mnimo y mximo del flujo molar dela corriente Alimento
4. Despliegue la pgina Autotuner de la pestaa Parameters, seleccione la accinPID, presione el botn Start Autotuner como tambin el botn Face Plate para
desplegar la cartula correspondiente
5. Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonizacinsugeridos por HYSYS
6. Presione el botn Accept para aceptar los valores de sintonizacin7. Cambie el controlador a Modo Automtico desde el botn desplegable de la cartula
y observe el control durante un tiempo
8. Detenga el simulador para instalar el control de flujo del reflujo
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Control de flujo de la corriente Reflux
1. Despliegue el sub-flowsheet de la columna e instale un controlador cuya variable acontrolar es el flujo molar de la corriente Reflux y la variable a manipular es el
mismo flujo de la corriente Reflux
2. Presione la pestaa Parameters de la ventana de especificaciones del controlador,seleccione la accin inversa porque para un aumento en el flujo del reflujo la
vlvula debe disminuir su abertura. Especifique un valor de ganancia igual a 1
3. Especifique 90 lbmol/hr y 110 lbmol/hr como el valor mnimo y mximo del flujo4. Presione el botn Control Valve y verifique los flujos anteriores5. Despliegue la cartula del controlador y coloque en Modo Activo el simulador.
Observe un corto tiempo la estabilidad en Modo Automtico y detenga el simuladorpara instalar el control de nivel en el acumulador de reflujo
9. Despliegue la pgina Autotuner de la pestaa Parameters, seleccione la accinPID, presione el botn Start Autotuner como tambin el botn Face Plate paradesplegar la cartula correspondiente
10.Coloque el simulador en Modo Activo y observe los valores de sintonizacinsugeridos por HYSYS
11.Presione el botn Accept para aceptar los valores de sintonizacin12.Cambie el controlador a Modo Automtico desde el botn desplegable de la cartula
y observe el control durante un tiempo
13.Detenga el simulador para instalar el control de temperaturaControl de nivel en el acumulador de reflujo
Para la instalacin del control de nivel de lquido en el acumulador se utiliza la opcin
Add/Configure Level Controller que se encuentra en la pestaa Dynamics de la
ventana de propiedades del condensador
1. Despliegue la ventana de propiedades del condensador y presione la pestaaDynamics.
2. Seguidamente presione el botn Add/Configure Level Controller y observe queHYSYS ha instalado un controlador de nivel manipulando la vlvula VLV-
Destilado instalada por l mismo.
3. Despliegue la ventana de propiedades del controlador instalado y observe que seencuentra completamente especificado incluyendo su sintonizacin para un
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controlador proporcional integral, su accin (directa) y los valores mnimo y
mximo de la variable de proceso.
4. Presione el botn Face Plate para desplegar la cartula correspondiente y coloqueel simulador en modo activo. Observe que HYSYS coloca al controlador en ModoAutomtico
5. Detenga el simulador para instalar el control de nivel en la base de la columnaControl de nivel en la base de la columna
Para la instalacin del control de nivel de lquido en la base de la columna se utiliza la
opcin Add/Configure Level Controller que se encuentra en la pestaa Dynamics
de la ventana de propiedades del rehervidor
1. Despliegue la ventana de propiedades del rehervidor y presione la pestaaDynamics.
2. Seguidamente presione el botn Add/Configure Level Controller y observe queHYSYS ha instalado un controlador de nivel manipulando la vlvula VLV-Fondoinstalada por l mismo.
3. Despliegue la ventana de propiedades del controlador instalado y observe que seencuentra completamente especificado incluyendo su sintonizacin para uncontrolador proporcional integral, su accin (directa) y los valores mnimo y
mximo de la variable de proceso.
4. Presione el botn Face Plate para desplegar la cartula correspondiente y coloqueel simulador en modo activo. Observe que HYSYS coloca al controlador en Modo
Automtico
5. Detenga el simulador para instalar el control de presin en el condensadorControl de presin en el condensador de la columna
1. Despliegue el sub-flowsheet de la columna e instale un controlador cuya variable acontrolar es la presin de la corriente To Condenser y la variable a manipular es
el flujo calrico en el condensador, Qc
2. Presione la pestaa Parameters de la ventana de especificaciones del controlador,seleccione la accin directa porque para un aumento en la presin de la corrienteTo Condenser se aumenta su temperatura de roco y, por lo tanto se aumenta la
cantidad de calor que se requiere eliminar para su condensacin.
3. Especifique una presin mnima de 190 psia y una mxima de 210 psia.4. Presione el botn Control Valve y seleccione en el cuadro Duty Source la
opcin Direct Q que indica la fuente calrica
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5. Especifique un mnimo de cero y un mximo de 2 x 106 Btu/hr. Cierre la ventana dela vlvula de control. Introduzca un valor de 36.6 % para el porcentaje de aberturade la vlvula
6. Despliegue la cartula del controlador y coloque en Modo Activo el simulador.Observe un corto tiempo la estabilidad en Modo Automtico y detenga el simuladorpara instalar el control de temperatura
Atraso dinmico en el control de temperatura
Se instala un control de temperatura en la operacin de la columna manipulando el flujo
calrico en el rehervidor y utilizando una funcin de transferencia que considere dos
atrasos dinmicos de 1 minuto. Para ello
1. Instale un botn funcin de transferencia con variable de proceso la temperatura delplato 6 (numeracin de arriba abajo) o Stage Temperatura(6 Main_TS) de lacolumna despropanizadora (Main TS@COL1). Recuerde que la variable del objetoa manipular no se instala desde la ventana de la funcin de transferencia
2. Despliegue la pestaa Parameters y asigne los valores 100 F y 200 F como elmnimo y el mximo para la variable de proceso o PV
3. Asigne 37% y 93% los valores mnimo y mximo para la abertura de la vlvula OP4. Para asignar la funcin de transferencia como la que corresponde a un sistema de
segundo orden, despliegue la pgina 2nd Order de la pestaa Parameters y
verifique la opcin 2nd Order que aparece en el cuadro Active TransferFunctionsy asigne valores de uno a los parmetros que aparecen en el cuadro 2nd
Order Lag Parameters, es decir, a la ganancia, la constante de tiempo y el
coeficiente de amortiguamiento
Seleccin del plato de control de temperatura
Lo primero que hay que decidir es la seleccin del plato donde se instalar el sensor de
temperatura. Para responder esta pregunta utilizaremos el mtodo sencillo de observar
el perfil de temperaturas en los platos de la columna en estado estacionario. Para ello:
1. Un modo de localizar el plato para el control de la temperatura es buscar un lugardonde la temperatura cambie significativamente de plato a plato. Para ello,
despliegue la ventana de propiedades de la columna simulada en estado estacionario
y seleccione la pestaa Performance. Luego seleccione la opcin Plots y acontinuacin la opcin Temperature incluida dentro del cuadro de ttulo Tray by
tray Properties. Presione el botn View Table y se despliega una tabla con los
valores de las temperaturas plato por plato y muestra que el cambio mas
significativo ocurre en la seccin de rectificacin alrededor del plato 6. Esta es laregin donde la pureza del propano cambia rpidamente de plato a plato, de modo
que la temperatura tambin cambia significativamente en esta regin. La
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temperatura en estado estacionario del plato 6 es 123 F, y esta es la seal de
referencia del controlador de temperatura.
Control de Temperatura
1. Instale un controlador cuya variable de proceso sea el valor de OP, OP Value, delobjeto funcin de transferencia TRF-1 y el objeto a manipular es la corriente
calrica del rehervidor Qr
2. Presione la pestaa Parameters y en la ventana desplegada seleccione la accininversa porque si la temperatura del plato aumenta el requerimiento calrico en el
rehervidor debe disminuir y asigne los valores de 37% y 93 % como el mnimo y
mximo de las aberturas en la vlvula. Utilice un controlador proporcional con
ganancia de uno
2. Presione el botn Control Valve y disela para un flujo mximo de 2 x 106 Btu/hen el rehervidor, ya que el flujo en estado estacionario es 1.078 x 10
6Btu/h.. Asigne
un mnimo de cero
3. Verifique, si es necesario, que el botn funcin de transferencia requiera de laasignacin del valor mnimo y mximo para OP
4. Presione el botn Face Plate para desplegar la cartula correspondiente al controlde temperatura y coloque en Modo Activo al simulador. Despus de un brevefuncionamiento cambie al Modo Automtico y despliegue las cartulas de todos los
controladores instalados. El diagrama de flujo de la columna despropanizadora con
las cartulas de cada uno de los controles se muestra en la Figura 3.13
Figura 3.13. Diagrama de flujo de la columna despropanizadora controlada
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5. Presione el botn Tuning que aparece en cada una de las cartulas de loscontroladores y en la ventana desplegada presione la pestaa Stripchart y hagadesplegar las ventanas de las grficas registradoras de las variables SP, PV y OP,
como lo muestra la Figura 3.14. Observe la estabilidad de cada una de ellas mientras
se simula dinmicamente a la columna de destilacin
Figura 3.14. Registradores de los controles de la columna despropanizadora
6. Despliegue el libro de trabajo de la columna de destilacin y cambie la presin delalimento a 220 psia, observe la variacin, si la hay, en cada uno de los registradoresy explique las razones de cambio
7. CASOS DE ESTUDIO
1. Aumente la seal de referencia del controlador de flujo del alimento de 108.6 a 125lbmol/h. Qu ocurre?
2. Cambie la seal de referencia del controlador de temperatura de 122.9 a 125 FQu ocurre?
3. Disminuya la seal de referencia del controlador de presin hasta 195 psia. Quocurre con las temperaturas y las composiciones de los productos?
8. BIBLIOGRAFIA
Luyben W. Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel
Dekker Inc. 2002