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CONTROL DE OPERACIONES TPICAS 6.1. Simbologa

En la figura 6.1. se puede apreciar la simbologa ms utilizada para los elementos de control en los diagramas de flujos. La publicacin NS 51.5 de la Instrument Society of America (ISA) est dedicada a la terminologa de la instrumentacin de procesos.

Fig. 6.1. Smbolos para los elementos de control

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6.2. Equipos de Transferencia de Calor

Intercambiadores sin cambio de fase

Fig. 6.2. Control Feedback de la temperatura de salida

La figura 6.2 muestra el control hacia atrs de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un intercambiador de calor sin cambio de fase. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces ordena cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

Fig. 6.3. Control Feedforward de la temperatura de salida

La figura 6.3 muestra el control hacia adelante de la temperatura de salida (T2) del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un intercambiador de calor sin cambio de fase. Como se puede apreciar, en este tipo de control no interesa medir la temperatura T2 (salvo como un valor referencial), lo que interesa es medir las variables que afectan a esta temperatura. El Controlador predice la temperatura T2 utilizando la ecuacin de transferencia de calor, y midiendo el flujo y la temperatura de entrada del fluido PF, si el controlador proyecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces mediante un balance trmico en torno al intercambiador, ordena cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM) y con ello la energa transferida al fluido PF, logrando con ello contrarrestar los efectos de un aumento de temperatura producto de una aumento en el flujo o temperatura de entrada del fluido PF.

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Fig. 6.4. By-pass del fluido de proceso mediante vlvula de tres vas

La figura 6.4 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) mediante una vlvula de tres vas, que permite el by-pass de todo o parte del fluido PF que pasa a travs del intercambiador de calor sin cambio de fase. En este caso se requiere un controlador adicional (TC2), que ajuste la energa entregada por el fluido HTM en forma automtica, al controlar su temperatura de salida, a diferencia de los dos casos anteriores donde se manipulaba la energa del fluido HTM al variar su flujo. Si el controlador de temperatura (TC1) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenar que la vlvula de control de tres vas reduzca el flujo que pasa a travs del intercambiador y aumente el flujo que pasa a travs del by-pass, logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

Sin embargo, lo anterior no es trivial, se requiere un balance trmico para demostrarlo.

Trataremos de explicarlo en forma simple; 1) Al disminuir el flujo PF a travs del intercambiador, el fluido HTM no puede entregar la

misma energa anterior, por lo que su temperatura de salida se ve aumentada. El controlador TC2, al detectar este aumento de temperatura disminuye el flujo HTM al cerrar un poco la vlvula de control asociada, disminuyendo con ello la energa que el fluido HTM debe entregar por lo que la temperatura del fluido PF a la salida del intercambiador no cambia significativamente.

2) Como el flujo que pasa por el intercambiador es menor y su temperatura de salida no

ha variado significativamente, al mezclarse con el mayor flujo fro que pasa por el by-pass se produce una flujo de mezcla que tiene una temperatura menor a la detectada originalmente por el controlador.

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Fig. 6.5. Sistema de transferencia de calor mediante dos fluidos

La figura 6.2 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un intercambiador de calor sin cambio de fase, mediante la utilizacin de dos fluidos trmicos. El primer fluido (Primary HTM) circula en un circuito cerrado y es el que permite calentar al fluido PF. El segundo fluido (Dowtherm) tambin circula en un circuito cerrado y es el que permite calentar al fluido HTM, ste recupera su energa mediante una caldera.

Al igual que en el ejemplo anterior, se requiere controlar la energa del fluido primario

HTM, en este caso controlamos primero su flujo mediante un controlador de flujo (FC) y en segundo lugar su temperatura mediante un controlador de temperatura (TC2) que ajusta el flujo del fluido Dowtherm. El control de la temperatura de salida del fluido PF se realiza mediante un controlador de temperatura (TC1).

Si el controlador de temperatura (TC1) detecta una temperatura mayor que el set-point

(SP1), entonces enva una seal al controlador TC2 ordenndole que disminuya el valor de su set-point (SP2), logrando con ello que el controlador TC2 observe que la temperatura T2 es mayor a su nuevo SP2. Este error har que el controlador TC2 ordene cerrar un poco la vlvula de control, reduciendo el flujo del fluido calefactor (Dowtherm), logrando con ello entregar menor energa al fluido calefactor (HTM), provocando una disminucin de su temperatura. Esta menor energa del fluido HTM provocar una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

Fig. 6.6. Enfriador de Aire

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La figura 6.6 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que

pasa a travs de un enfriador de aire. En este caso, a diferencia de los anteriores, el aire que pasa a travs del intercambiador enfra al fluido PF. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces ordenar, dependiendo del tipo de variable a manipular, lo siguiente:

- abrir un poco las persianas que regulan en paso de aire a travs del intercambiador, - inclinar el ngulo de las aspas del ventilador de manera que muevan menos aire a

travs del intercambiador, - reducir la velocidad del motor del ventilador de manera que mueva menos aire a travs

del intercambiador. Cualquiera de las acciones anteriores lograr una disminucin de la temperatura de salida

del fluido PF. Calentadores con Vapor

Fig. 6.7. Control Feedback sobre el flujo de vapor

La figura 6.7 muestra el control hacia atrs de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un calentador con vapor. El calentador es un intercambiador de calor que utiliza vapor como medio calefactor. El vapor entrega calor latente de condensacin por lo que se asume que no cambia su temperatura. En este caso para asegurar que todo el vapor es condensado, se utiliza una trampa de vapor (steam trap) la que mantiene un nivel de condensado mnimo evitando que vapor pase a travs de ella.

Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point

(SP), entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo de vapor (STM), logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

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Fig. 6.8. Control Feedback sobre el flujo de condensado

La figura 6.8 muestra el control hacia atrs de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un calentador con vapor. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo de condensado, aumentando con ello el nivel de condensado dentro del intercambiador, causando una mayor inundacin de tubos dentro de l. Al producirse un aumento de tubos inundados con condensado, existir un menor nmero de tubos expuestos al vapor, lo que se traduce en una menor rea de intercambio de calor, disminuyendo la energa transferida del vapor al fluido PF, logrando con ello una disminucin de su temperatura de salida.

Fig. 6.9. By-pass del fluido de proceso mediante vlvula de tres vas

La figura 6.9 muestra el control de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) mediante una vlvula de tres vas, que permite el by-pass de todo o parte del fluido PF que pasa a travs del calentador con vapor. Al igual que la figura 6.4 un control adicional es requerido, en este caso un control de la presin del vapor dentro del intercambiador que mantenga constante el Lamnda de condensacin. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenar que la vlvula de control de tres vas reduzca el flujo que pasa a travs del calentador y aumente el flujo que pasa a travs del by-pass, logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

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Sin embargo, lo anterior no es trivial, se requiere un balance trmico para demostrarlo.

Trataremos de explicarlo en forma simple; 1) Al disminuir el flujo PF a travs del calentador el vapor no puede entregar toda su

energa de condensacin, por lo que parte del vapor no condensar. Como existe una trampa de vapor que impide la salida de vapor, ste comenzar a acumularse dentro del calentador provocando un aumento de la presin, la que ser detectada por el controlador PC cerrando un poco la vlvula de control disminuyendo con ello el flujo de vapor y restableciendo la presin.

2) Como el flujo que pasa por el intercambiador es menor y su temperatura de salida no

ha variado, al mezclarse con el mayor flujo fro que pasa por el by-pass se produce una flujo de mezcla que tiene una temperatura menor a la detectada originalmente por el controlador.

Fig. 6.10. Control en Cascada

La figura 6.10 muestra el control en cascada de la temperatura de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un calentador con vapor sobre la presin del vapor en el mismo. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces enviar un seal al controlador de presin (PC) que disminuir el valor de su SP. Esta accin har que el controlador PC detecte una presin mayor a la de su nuevo SP por lo que ordenar cerrar un poco la vlvula de control, logrando con ello una disminucin del flujo de vapor y un restablecimiento de la presin. Al haber un menor flujo de vapor, la energa de condensacin transferida al fluido PF ser menor por lo que su temperatura disminuir.

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Condensadores

Fig. 6.11. Control de temperatura del condensado

La figura 6.11 muestra el control de la temperatura del condensado de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un condensador. Un condensador es un intercambiador de calor en el cual condensa fluido de proceso que ingresa en forma de vapor, mediante la accin de un fluido refrigerante (HTM) que retira energa del fluido PF, este tipo de equipo normalmente se utilizan para condensar los vapores de tope de una columna de destilacin. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenar abrir un poco la vlvula de control aumentando el flujo del fluido refrigerante, logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

Fig. 6.12. Control de la presin aguas-arriba del condensador

La figura 6.12 muestra el control de la presin de entrada del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un condensador. Si el controlador de presin (PC) detecta una presin mayor que el set-point (SP), entonces ordenar abrir un poco la vlvula de control aumentando el flujo del fluido refrigerante, esto provocar un aumento de la condensacin del fluido PF logrando con ello una disminucin de la presin de entrada del fluido PF.

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Fig. 6.13. Control de presin mediante el flujo de condensado

La figura 6.13 muestra el control de la presin de entrada del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un condensador mediante el flujo de condensado. Si el controlador de presin (PC) detecta una presin mayor que el set-point (SP), entonces ordenar abrir un poco la vlvula de control aumentando el flujo de condensado, lo que disminuir el nivel del mismo dentro del intercambiador aumentando la cantidad de tubos expuestas a la transferencia de calor, como el flujo del fluido refrigerante se mantiene invariante, condensar ms vapor del fluido PF logrando con ello una disminucin de la presin de entrada.

Fig. 6.14. Condensador con by-pass al recipiente acumulador

La figura 6.14 muestra el control de la presin de la fase vapor del fluido de proceso (PF) que proviene del tope de una columna de destilacin y debe ser condensado. En este esquema el condensador es ubicado bajo el recipiente acumulador (tal como se indica en la figura). La presin es controlada mediante una vlvula de bypass, que desva parte del vapor caliente directamente hacia el condensador. El diferencial de presin a travs de la vlvula de control es igual a la altura de lquido desde el acumulador hasta el condensador ms la cada de presin a travs de l y las lineas.

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Si el controlador de presin (PC) detecta una mayor presin que el set-point (SP),

entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo de vapor caliente hacia el condensador, logrando con ello una disminucin de la presin en el acumulador, lo que causar una disminucin del nivel de lquido en el condensador, que disminuir el nmero de tubos inundados, y aumentar con ello la transferencia de calor, condensando ms vapor del fluido PF, por lo tanto disminuyendo la presin en la columna.

Vaporizadores (Rehervidores)

Fig. 6.15. Rehervidor con control de temperatura del vapor de proceso

La figura 6.15 muestra el control de la temperatura del vapor de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un rehervidor. Un rehervidor es un intercambiador de calor en el cual se evapora fluido de proceso que ingresa en forma lquida, mediante la accin de un fluido calefactor (HTM), este tipo de equipo normalmente se utiliza en el fondo de una columna de destilacin y sirve para entregarle energa a la torre para la destilacin. Si el controlador de temperatura (TC) detecta una temperatura mayor que el set-point (SP), entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), disminuyendo la evaporacin del fluido PF y logrando con ello una disminucin de su temperatura de salida.

Fig. 6.16. Rehervidor mediante termosifn

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La figura 6.16 muestra un rehervidor del tipo termosifn. El principio bsico de un

termosifn es producir una circulacin del fluido de proceso, que pasa a travs de los tubos verticales del intercambiador de calor, debido al cambio de densidad producida por su evaporacin. Producto de esta circulacin natural, el flujo PF no es controlado en forma directa. En este caso, la energa de evaporacin entregada por el fluido HTM es controlada mediante un controlador de flujo (FC). Si por algn motivo se requiere una mayor evaporacin del fluido PF, se aumenta el SP del controlador FC para que aumente el flujo del fluido HTM.

Fig. 6.17. Control en cascada de un rehervidor

La figura 6.17 muestra el control en cascada de la temperatura del vapor de salida del fluido de proceso (PF) que pasa a travs de un rehervidor, mediante el control del flujo del fluido calefactor (HTM). Si el controlador de temperatura (TC) detecta una mayor temperatura que el set-point (SP), entonces enviar una seal al controlador de flujo (FC) disminuyendo su SP. El controlador FC detectar un mayor flujo HTM que el nuevo SP, por lo que ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo del fluido calefactor (HTM), logrando con ello una disminucin de la temperatura de salida del fluido PF.

Fig. 6.18. Vaporizacin de refrigerante y condensacin del fluido de proceso

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La figura 6.18 muestra la condensacin del fluido de proceso (PF) mediante la evaporacin de refrigerante. El fluido PF condensado pasa a travs del acumulador, siendo controlada la salida de este mediante un controlador de flujo (FC), y el nivel mediante un controlador de nivel (LC) que impide que vapor del fluido PF salga por el condensado. Si el controlador LC detecta un nivel mayor que el set-point (SP), entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo del refrigerante evaporado, logrando con ello una disminucin de la transferencia de calor y una menor cantidad de flujo PF condensado, disminuyendo con ello el nivel en el acumulador. 6.3. Bombas para Flujos Lquidos

Centrfugas

Fig. 6.19. Control del flujo de descarga

La figura 6.19 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba centrfuga. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo de descarga de la bomba. La bomba seguir girando a la velocidad de diseo del motor.

Fig. 6.20. Control del flujo mediante regulacin de la velocidad del motor o turbina

La figura 6.20 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba centrfuga mediante la regulacin de la velocidad la turbina que la mueve, al manipular el flujo de vapor que pasa a travs de ella. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-

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point (SP), entonces ordenar cerrar un poco la vlvula de control reduciendo el flujo de vapor que ingresa a la turbina, reduciendo con ello su velocidad y el flujo de descarga de la bomba.

Rotatorias

Fig. 6.21. Control del flujo de descarga mediante recirculacin

La figura 6.21 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba rotatoria mediante un by-pass que recircula fluido a la succin de la misma. Debido a las caractersticas de las bombas rotatorias, stas no pueden aguantar una disminucin del flujo que pasa a travs de ellas, por lo que el control debe realizarse mediante una recirculacin. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenar abrir un poco la vlvula de control de la recirculacin, aumentando su flujo y reduciendo el flujo de salida del fluido de proceso. Notar que el flujo de descarga de la bomba no cambia.

Recprocas

Fig. 6.22. Control del flujo de descarga mediante recirculacin

La figura 6.22 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba recproca mediante un by-pass que recircula fluido a la succin de la misma. Debido a las caractersticas de las bombas reciprocas (utilizacin de pistones para mover el fluido) no se debe poner restriccin a la salida del flujo, por lo que el control debe realizarse mediante una recirculacin. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenar

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abrir un poco la vlvula de control de la recirculacin, aumentando su flujo y reduciendo el flujo de salida del fluido de proceso. Notar que el flujo de descarga de la bomba no cambia.

Fig. 6.23. Control de flujo mediante ajuste en la posicin mecnica del pistn

La figura 6.23 muestra el control del flujo a la descarga de una bomba recproca mediante el ajuste de la posicin mecnica de los pistones que mueven el fluido. Si el controlador de flujo (FC) detecta un flujo mayor que el set-point (SP), entonces ordenar disminuir la carrera del pistn de manera que mueva menos flujo por cada ciclo, disminuyendo el flujo de descarga. 6.4. Compresores de Gases

Centrfugos

Fig. 6.24. Control de la presin de descarga

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Fig. 6.25. Control del flujo de entrada

Fig. 6.26. Control de presin y de cavitacin

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Recprocos, Rotatorios y de Desplazamiento Positivo

Fig. 6.27. Control del flujo mediante regulacin de la velocidad de la turbina

Fig. 6.28. Control de presin con recirculacin a la succin

Fig. 6.29. Control de flujo mediante el ajuste en la posicin mecnica del pistn