proceso acido nitrico (dinamica)
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1.- INTRODUCCIÓN
El ácido Nítrico es uno de los compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se
utiliza como uno de los tantos medidores de la capacidad industrial de los países, ya que se
emplea en una mayoría de los procesos químicos.
En el presente trabajo se realizará un control dinámico del proceso de dilución del ácido Nítrico
con agua en determinado valor de operación de variables tales como: temperaturas, presiones,
flujos y compuestos.
Estos procesos son de naturaleza dinámica, en ellos siempre ocurren cambios y si no se
emprenden las acciones pertinentes, las variables importantes del proceso, es decir, aquellas
que se relacionan con la seguridad, la calidad del producto y los índices de producción, no
cumplirán con las condiciones de diseño.
2.- FUNDAMENTO TEORICO
El acido nítrico es un líquido incoloro y corrosivo cuya fórmula química es HNO3. Los
alquimistas medievales lo conocían como aqua fortis (agua fuerte). El ácido nítrico se obtiene
comercialmente por la acción del ácido sulfúrico sobre nitrato de sodio. También se puede
preparar por oxidación catalítica del amoníaco. Es un ácido fuerte y un agente oxidante
poderoso.
El ácido nítrico común tiene numerosas aplicaciones. Se emplean en síntesis químicas, en la
nitración de materiales orgánicos para formar compuestos nitrogenados (compuestos que
tienen un grupo NO2) y en la fabricación de tintes y explosivos. El ácido nítrico tiene un punto de
fusión de -42 °C y un punto de ebullición de 83 °C.
La reacción del ácido nítrico con compuestos orgánicos produce importantes nitratos, como la
nitroglicerina y la nitrocelulosa. Los nitratos de calcio, sodio, potasio y amonio se emplean como
fertilizantes que proporcionan nitrógeno para el crecimiento de las plantas.
Transformada De Laplace
Se ha comprobado que las técnicas de transformada de Laplace y linealización son
particularmente útiles para el análisis de la dinámica de los procesos y diseño de sistemas de
control, debido a que proporcionan una vision general del comportamiento de gran variedad de
procesos e instrumentos. Por el contrario; la técnica de simulación por computadora permite
realizar un análisis preciso y detallado del comportamiento dinámico de sistemas específico,
pero rara vez es posible generalizar para otros procesos los resultados obtenidos.
El conocimiento de la transformada de Laplace es esencial para entender los fundamentos de la
dinámica del proceso y del diseño de los sistemas de control.
En la aplicación de la transformada, de Laplace al diseño de sistemas de control, las funciones
del tiempo son las variables del sistema, inclusive la variable manipulada y la controlada, las
señales del transmisor, las perturbaciones, las posiciones de la válvula de control, el flujo a
través de las válvulas de control y cualquier otra variable o señal intermedia.
Por lo tanto, es muy importante darse cuenta que la transformada de Laplace se aplica a las
variables y señales, y no a los procesos o instrumentos.
3.- OBJETIVOS
3.1.-Objetivo General
Realizar el control de flujo y temperatura del proceso de dilución del ácido nítrico
con agua.
3.2.- Objetivos específicos
Realizar los balances de masa, componente y energía para los elementos
involucrados en el proceso.
Plantear el diagrama de control del proceso.
Obtener las gráficas de estabilidad de respuesta por simulación.
Para llegar al cumplimiento de los objetivos planteados se tiene el siguiente diagrama de
control.
Donde:
A el ácido Nítrico y B el agua.
Clasificación de variable:
Objetivo de control: F, T
Variables de entrada: FAo, Tao, FB, TB, Fwo, Two.
- Variable perturbable: FAo, F1, FB, T1, F2, T2
- Variable manipulable: FAo, Fwo
Variable de salida: F, T, V(h)
- Variable medible: V(h), T
- Variable no medible: F
A continuación se presentan las propiedades de los flujos y las características de los
tanques de proceso. Para la sección del primer tanque se tiene:
TANQUE 1
Área 5 m2
Α 0.125 m2/s
Volumen 10 m3
Flujo de A, (constante) 2.5 m3/s
Flujo de Ao 3 m3/s
Temperatura de A 20 ºC
Temperatura de referencia 25 ºC
Capacidad calorífica HNO3 1746 J/kg ºC
TANQUE 2
Área 7.5 m2
Α 0.15 m2/s
Volumen 12 m2
Flujo de B, (constante) 20 m3/s
Flujo de B, (estacionario) 22 m3/s
Capacidad calorífica mezcla 1865 J/kg ºC
Densidad de mezcla 1350 kg/m3
Coeficiente de transf. de calor 100 W/m2 ºC
Área de transferencia 0.765 m2
Concentración de B 55.6 kmol/m3
Entalpia de solución A 72299 kJ/mol
Entalpia de solución B 5272 kJ/mol
Temperatura de referencia 25 ºC
Temperatura de B 30 ºC
Capacidad calorífica H2O 4184 J/kg ºC
TANQUE 3
Área 5 m2
α 0.125 m2/s
Volumen 22 m3
Flujo de F (constante) 2.5 m3/s
Flujo de F2 3 m3/s
Temperatura de T2 60 ºC
Temperatura de referencia 25 ºC
Capacidad calorífica HNO3 1746 J/kg ºC
Con estos datos, y haciendo los correspondientes balances de masa, de componente y energía.
Tanque Nº1
Balance de masa
= ρAo FAo - ρA1 FA 1
Balance componente
Balance de energia
;
Tanque Nº2
Balance de masa
= ρA1 FA 1 +ρB FB – ρA2 FA2
Si: ρB =XB ρA
Balance componente
;
Balance de energia
;
;
Balance Para el Serpentin:
Balance de masa
= ρWo FWo – ρW FW
Balance de energia
;
Tanque Nº3
Balance de masa
= ρ2 F2 - ρ F
Balance componente
;
Balance de energia
;
Control de flujo de salida
Para el control de flujo de salida, se controlará la altura del tercer tanque para ello se propone el
siguiente control retroalimentario:
Los valores de G son:
Donde apreciarse que el control del flujo de salida se lo controla con el flujo de entrada de
HNO3, Fa, siendo la variable perturbable.
Asignando valores de kp=10.0; ki=5.0 y kd=0.1, al controlador proporcional integral y derivativo
(PID), se obtiene la gráfica:
Donde no puede llegar a un buen control, se observa demasiada inestabilidad del sistema, por
lo que, usando el SIMULINK se buscan nuevos valores para el controlador, la gráfica resulta:
Donde puede verse que el sistema se torna muy estable, y además se tiene un control bastante
preciso a partir de la sexta unidad de tiempo, con los valores:
kp=8.806 ki=4.9996 kd=-0.239
Nótese además que se suponen saltos bruscos unitarios para todas las variables de entrada.
Control de la temperatura de salida
Como la dilución del HNO3 es bastante exotérmica, la temperatura puede llegar a elevarse
descontroladamente, para evitarlo se propone el siguiente diagrama de control retroalimentario.
Los valores de G son:
Donde puede apreciarse que la temperatura se controla con el flujo del serpentin , FW0 siendo
las variables perturbables el flujo de entrada y la temperatura del HNO3, Fao y Ta,
respectivamente.
Asignando valores de kp=10.0; ki=5.0 y kd=0.1, al controlador proporcional integral y derivativo,
se obtiene la gráfica:
Donde puede verse que se llega al control recién al cabo de 30 unidades de tiempo, por lo que,
usando el SIMULINK se buscan nuevos valores para el controlador, la gráfica resulta:
Donde el sistema se torna estable a partir de la primera unidad de tiempo, se puede decir que
se tiene un muy buen control de temperatura con:
kp=1640.3; ki=5.0048; kd=-0.0459
4.- CONCLUSIONES
Se logro realizar un buen control del proceso de dilución del acido nítrico.
Se hicieron los respectivos balances de masa, componente, y energía para los tanques.
Se hizo un buen control del flujo de salida los valores necesarios para el controlador
proporcional, integral y derivativo son: kp=8.806 ki=4.9996 kd=-0.239
Se hizo un buen control de la temperatura de salida los valores necesarios para el
controlador proporcional, integral y derivativo son: kp=1640.3; ki=5.0048; kd=-0.0459
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMONFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIACARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA
DOCENTE: Balderrama Indina José Luis
ESTUDIANTES: Barrios Marze Delia
MATERIA: Dinámica Control de Proceso
FECHA DE ENTREGA: 29-XII-2009
COCHABAMBA-BOLIVIA