Monografia Final Instrumentacion Industrial

78
UNIVERSIDAD DE SAN MARTÍN DE PORRES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL INSTRUMENTACION INDUSTRIAL MONOGRAFIA FINAL DEL CURSO SISTEMA DE CONTROL DE REACTOR DE POLIMERIZACIONALUMNOS: FLORES, PABLO GARCIA GUERRA, JUAN DIEGO FECHA DE ENTREGA: 3 de noviembre del 2012 SECCION: 70K PROFESOR: Ing. Jorge Calderón Cáceres 2012 II

Transcript of Monografia Final Instrumentacion Industrial

Page 1: Monografia Final Instrumentacion Industrial

UNIVERSIDAD DE SAN MARTÍN DE PORRES

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA INDUSTRIAL

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

MONOGRAFIA FINAL DEL CURSO

“SISTEMA DE CONTROL DE REACTOR DE POLIMERIZACION”

ALUMNOS:

FLORES, PABLO GARCIA GUERRA, JUAN DIEGO

FECHA DE ENTREGA:

3 de noviembre del 2012

SECCION:

70K

PROFESOR:

Ing. Jorge Calderón Cáceres

2012 – II

Page 2: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 2

INDICE

INTRODUCCION .......................................................................................................... 4

CAPITULO 1 ................................................................................................................. 4

MARCO TEORICO ....................................................................................................... 4

1.1. DISEÑO DE REACTORES .................................................................................... 4

1.1.1 DEFINICION Y TIPOS DE REACTOR…………………….......................... 4

1.1.2 CARACTERISTICAS DE LOS REACTORES…………………… ............... 5

1.1.3 DISEÑO DEL REACTOR…………………… ............................................. 6

1.2. DISEÑO DE REACTORES DE POLIMERIZACION ............................................... 8

1.2.1 CARACTERISTICAS DE LOS PROCESOS DE

POLIMERIZACION……………………................................................................ 8

1.2.2 ESTRATEGIA GENERAL DE DISEÑO…………………… ...................... 10

1.2.3 EJEMPLOS ILUSTRATIVOS…………………… ...................................... 10

1.3. REACTORES DE POLIMERIZACION, MODELIZACION Y DISEÑO ................... 11

1.4. CARACTERISTICAS TECNICA PARA EL DISEÑO DE REACTORES ................ 17

CAPITULO 2 ............................................................................................................... 19

ACCESORIOS DEL REACTOR DE POLIMERIZACION ............................................. 19

2.1. VALVULAS DE AGUA TIPO SOLENOIDE ........................................................... 19

2.2. VALVULA CHECK ............................................................................................... 20

2.3. VALVULA DE TRES VIAS ................................................................................... 21

2.4. VALVULA DE GLOBO ......................................................................................... 21

2.5. TRANSMISOR DE TEMPERATURA ................................................................... 22

2.6. TRANSMISOR DE PRESION .............................................................................. 23

2.7. CONVERTIDOR I/P ............................................................................................. 24

CAPITULO 3 ............................................................................................................... 26

ESTRATEGIAS DE CONTROL Y CONTROLADOR PID ............................................ 26

3.1. CONTROL EN CASCADA ................................................................................... 26

3.2. PROCESO DE REACCION CON PRECALENTAMIENTO .................................. 26

3.3. CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO ........................... 28

CAPITULO 4 ............................................................................................................... 30

ANALISIS DEL PROCESO DE CONTROL DEL REACTOR DE POLIMERIZACION N°2.

AREA QUIMICA – PLANTA PVC ................................................................................ 30

4.1. VARIABLES DEL PROCESO .............................................................................. 30

Page 3: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 3

4.2. DESCRIPCION DEL PROCESO ......................................................................... 30

CAPITULO 5 ............................................................................................................... 33

IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA ................................................................ 33

5.1. SELECCIÓN DEL PC DE SUPERVISION ........................................................... 33

5.2. SELECCIÓN DEL SOFTWARE SCADA DE SUPERVISION ............................... 34

5.3. DISEÑO DE SISTEMA SCADA ........................................................................... 36

CONCLUSIONES ....................................................................................................... 41

BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................... 42

TRADUCCION AL INGLES ......................................................................................... 43

Page 4: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 4

INTRODUCCION

El diseño de reactores de polimerización, un tema propio de la ingeniería, también puede

ser de interés para los químicos y otros especialistas por varias razones: de una parte el

diseño del reactor se fundamenta en los modelos de reacciones de polimerización

generalmente propuestos por los químicos; de otra parte, las propiedades finales del

material obtenido pueden coincidir o diferir de las esperadas a partir de las pruebas

hechas sobre muestras preparadas por técnicas convencionales de laboratorio, según sea

el tipo de reactor y las condiciones de operación empleados para su producción industrial.

Nos proponemos presentar al lector una visión esquemática del tema, partiendo de los

conceptos de diseño de reactores en general, sean estos para producir macromoléculas o

sustancias de bajo peso molecular. Seguidamente discutiremos las particularidades de los

procesos de polimerización, las cuales hacen del diseño de los respectivos reactores, un

capítulo aparte de la ingeniería. En este punto, parece conveniente exponer algunos

ejemplos. El propósito es formular y utilizar un procedimiento de diseño y analizar los

resultados. En lo posible se evitarán las soluciones a sistemas de ecuaciones

matemáticas, imprescindibles para la solución de los modelos, pero quizás prescindibles

en esta visión esquemática que nos proponemos.

OBJETIVO PRINCIPAL:

Analizar la instrumentación de un proceso industrial, asi como las variables que

intervienen en el y la correcta diagramación del proceso en un plano P&ID.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseño de sistema SCADA para la simulación del proceso a analizar.

Utilización correcta del software AutoCAD P&ID para la elaboración de planos de

instrumentación.

Lectura fluida de planos de instrumentación así como la correcta comprensión de

los componentes de un sistema automatizado.

Page 5: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 5

CAPITULO I

MARCO TEORICO

1.1. EL DISEÑO DE REACTORES.

1.1.1 Definición y Tipos de Reactor.

El reactor es el lugar donde ocurre la reacción química. La diversidad de los reactores

industriales puede reducirse a tres tipos que difieren entre si por el régimen de operación

(estable o en transición), por el intercambio de masa con los alrededores (abierto o

cerrado), por la dinámica de flujo y por los perfiles característicos de concentración y de

otras propiedades del sistema. Son ellos los reactores discontinuo, continuo de tanque

agitado y tubular. La Figura 1 muestra un esquema de los tipos de reactores.

A partir de estos tres tipos, también pueden concebirse combinaciones: reactor

semicontinuo, baterías de reactores CSTR en serie, etc. En todos los casos el medio

reaccionante puede ser homogéneo (una sola fase) o heterogéneo (varias fases).

Page 6: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 6

El reactor discontinuo consiste en un tanque con facilidades para la carga y la descarga,

para la transferencia de calor (intercambiadores, serpentines, bafles, reflujo, recirculación

externa y otros), lo mismo que para agitación de la mezcla reaccionante. En condiciones

ideales la mezcla es homogénea.

El reactor CSTR consiste en un tanque al que continuamente fluye el alimento y descarga

productos a flujos volumétricos tales que el volumen de reacción permanece constante.

Esta provisto de facilidades para transferencia de calor y para agitación. En condiciones

ideales la mezcla es homogénea.

El reactor tubular consiste sencillamente en un tubo, a lo largo del cual fluye la mezcla

reaccionante a condiciones tales (temperatura, concentraciones), que ocurre la reacción

química.

Puede estar provisto de un intercambiador para la transferencia de calor. Idealmente no

existen gradientes radiales con respecto a la velocidad, la temperatura y la concentración.

Este caso se refiere como reactor de flujo pistón.

1.2 Características de los reactores.

1.1.2 Discontinuo.

El reactor discontinuo, como su nombre lo indica, opera por ciclos.

Cada ciclo comprende algunas o todas de las siguientes tareas: carga de re activos,

puesta a punto a las condiciones de reacción (temperatura, presión, otros), reacción,

puesta a punto a las condiciones de descarga, limpieza y vuelta a cargar. Parte del tiempo

del ciclo se emplea en labores necesarias pero diferentes a la conversión de reactivos en

productos. También es de anotar que de carga a carga (discontínuo o por “cochadas”)

bien pueden ocurrir diversas historias térmicas u otros eventos al azar, que en algunos

casos, como en el de la producción de polímeros, pueden afectar las propiedades del

producto obtenido.

El reactor discontinuo opera en estado no estacionario y por lo mismo, la conversión

aumenta con el tiempo siempre y cuando el sistema no esté en equilibrio químico. De otra

parte, por efecto de la agitación, idealmente el reactor es homogéneo.

Las ecuaciones principales de diseño del reactor discontinuo, derivadas de los balances

molares y de calor (ecuación (7)) pueden expresarse así:

Page 7: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 7

1.2.2. Reactor Continuo de Tanque Agitado (CSTR).

El reactor CSTR normalmente opera en estado estable y como su nombre lo indica es

agitado. Por consiguiente, las condiciones de reacción y por tanto la conversión,

permanecen invariables durante el tiempo de reacción y son homogéneas en el reactor.

Obsérvese que las condiciones de la corriente justo a la salida del reactor son las mismas

condiciones de la masa reaccionante.

Las ecuaciones principales de diseño del reactor CSTR, derivadas de los balances molar

y de calor, pueden expresarse así:

1.2.3. Reactor Tubular.

El reactor tubular normalmente opera en estado estable. Al fluir la masa reaccionante a lo

largo del reactor se va produciendo la reacción química, por tanto la conversión aumenta

con la posición axial mientras ocurra la reacción.

Idealmente las condiciones de flujo y de reacción no varían en la dirección radial en un

plano normal al área de flujo. De esta forma si se toma como sistema un elemento del

volumen del reactor, de longitud muy pequeña en la dirección axial, se puede concluir que

se trata de un reactor diferencial continuo y de condiciones homogéneas y estables. Este

elemento de volumen cumple con las características de un reactor CSTR.

Las ecuaciones principales de diseño del reactor tubular, derivadas de los balances

molares y de calor, pueden expresarse así:

1.3. El diseño del reactor.

El objetivo del diseño es especificar tamaño, tiempos, flujos, temperaturas, presión,

concentración, materiales y cuanto sea necesario para realizar la producción de una

sustancia que cumpla establemente con determinadas condiciones de calidad.

En el caso de la producción de polímeros, estas especificaciones principalmente tienen

que ver con el peso molecular promedio y la distribución de pesos moleculares, puesto

Page 8: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 8

que para un material dado, estos parámetros definen en gran medida la procesabilidad y

las propiedades mecánicas del producto final. En los casos de polimerización en emulsión

y en suspensión, también puede ser de interés obtener una determinada distribución de

tamaños de partícula.

Para conseguir las especificaciones del diseño, fundamentalmente se requiere un modelo

matemático que simule el proceso, siendo lo suficientemente sencillo como para que

pueda resolverse. Para plantear el modelo matemático se requiere del conocimiento de la

cinética, la estequiometría, la termodinámica y la fisicoquímica del proceso.

La cinética debe aportar un mecanismo simplificado de las reacciones que ocurren, del

cual puedan deducirse las ecuaciones de velocidad de reacción, es decir la dependencia

de la velocidad de cambio de la concentración de cada especie con la temperatura, la

concentración, la densidad y en ocasiones la presión.

Mediante la estequiometría es posible referir las concentraciones y las velocidades de

cambio de concentración de todas las especies participantes en una reacción, con

respecto a una sola especie de referencia. Se evita así manejar un número innecesario de

ecuaciones.

El análisis de la termodinámica permite calcular la dirección del cambio químico que

puede ocurrir bajo determinadas condiciones de temperatura y concentración de la masa

reaccionante, la extensión máxima de reacción a partir de los puntos de equilibrio, y el

calor de reacción. Complementando con la fisicoquímica se pueden conocer las

relaciones de variaciones de las propiedades fisicoquímicas y de transporte (densidad,

capacidad calorífica, viscosidad, coeficientes de transferencia de masa y calor, etc.) con la

temperatura del sistema.

Con este conocimiento fundamental se procede a plantear las ecuaciones de balance, las

ecuaciones de conservación y cambio. Estas, el instrumento por excelencia de los

ingenieros químicos, son expresiones de las leyes de conservación de la materia y de la

energía. Son, por consiguiente, ecuaciones universales. Pueden considerarse como las

ecuaciones fundamentales del modelamiento y la simulación porque en realidad describen

el mecanismo general de los procesos tal como los entendemos hoy en día. La ecuación

de conservación de la materia aplicada ya no a la masa total si no a una especie de

referencia constituye la ecuación de cambio llamada balance molar. La ecuación general

de conservación de la energía puede simplificarse en la mayoría de los procesos de

interés ingenieril, como en el caso de la producción de polímeros, para circunscribirse a

los intercambios de energía mecánica, constituyendo las ecuaciones de cambio llamadas

de movimiento, de Bernoulli u otras formas.

Para aplicar las ecuaciones de balance es preciso seleccionar una parte del universo,

objeto de análisis, y un ente adecuados. El objeto es el sistema, el ente puede ser la

masa total, una especie, la energía, la cantidad de movimiento, etc. Por adecuados debe

entenderse, que al aplicar las ecuaciones de balance al objeto y ente seleccionados, se

derive información útil para el diseño.

Page 9: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 9

La ecuación general de balance puede expresarse así:

Al intentar cuantificar cada uno de los sumandos de la ecuación de balance, se justificará

la ya mencionada importancia de las disciplinas auxiliares. Las ecuaciones de diseño

presentadas anteriormente (1), (3), (5) son expresiones del balance molar en cada uno de

esos sistemas; y las ecuaciones (2), (4), (6) son expresiones del balance de calor en los

mismos.

Planteados así los modelos matemáticos básicos de simulación de los reactores, se

precisa resolverlos. Es el aporte de las matemáticas.

Queda por hacer la interpretación de los resultados. Previamente se ha seleccionado el

sistema, el ente, la configuración del proceso y otros elementos de creatividad. Para hacer

posible todo lo anterior, para hacer posible el diseño, se requiere imaginación, el ingenio

del ingeniero.

1.2. DISEÑO DE REACTORES DE POLIMERIZACION.

1.2.1. Características de los procesos de polimerización.

El título de este numeral ya sugiere una pregunta: ¿Se justifica particularizar en el diseño

de los reactores de polimerización, diferenciándolos de reactores en los cuales se

producen sustancias de bajo peso molecular?

Quizás sí. Los principios fundamentales y la metodología básica de diseño son los

mismos, pero los procesos de polimerización presentan un conjunto de características

cinéticas, fisicoquímicas y de parámetros de calidad, que al considerarlas en conjunto

conllevan a la formulación de modelos matemáticos peculiares de los procesos de

polimerización.

Las mencionadas características pueden resumirse así: reacciones altamente

exotérmicas, obtención de un producto cuyo peso molecular no es un valor fijo si no que

se ajusta mejor a una distribución cuyo promedio y dispersidad depende de cada sistema,

dificultad para realizar operaciones unitarias una vez obtenido el producto y marcado

efecto de la composición del alimento y de las condiciones de operación sobre el

promedio y distribución de tamaños moleculares.

El calor liberado es especialmente alto en la s polimerizaciones de adición (?H = -83,7

kJ/mol). Para mantener el control de la temperatura del sistema al avanzar la reacción, es

necesario transferir a los alrededores una cantidad alta de energía calorífica, de un medio

de baja capacidad calorífica, cuya viscosidad está en aumento, a la vez que los

coeficientes de transporte de calor disminuyen. Es muy importante controlar la

temperatura en los casos en que influye sobre en el peso molecular y la distribución de

Page 10: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 10

tamaños moleculares; puede en otros casos, inducir degradación del producto o bien

impedir el proceso de polimerización (“ceiling temperature”).

La característica distintiva de las reacciones de polimerización es la de producir,

entérminos de tamaño molecular, no un producto si no una distribución que puede variar

en promedio y dispersidad según el caso de polimerización y el diseño del proceso.

Virtualmente una serie infinita de tamaños moleculares, que influye decisivamente sobre

las propiedades fisicoquímicas, de transporte y mecánicas tanto de la masa reaccionante

como del producto final.

Usualmente esta es la característica más importante en el diseño y control de un proceso

de polimerización.

Como acabamos de comentar, las propiedades fisicoquímicas y de transporte varían

durante el curso de la polimerización. La viscosidad en un proceso de polimerización en

masa puede aumentar en tres o más órdenes de magnitud. Un cambio tan drástico de la

viscosidad afecta sensiblemente los coeficientes de transferencia de masa y calor, lo

mismo que los requerimientos de potencia en el agitador. También varían, aunque no en

esas proporciones, otras propiedades como la densidad y la capacidad calorífica. Sobre la

variación de la viscosidad de la masa global durante la polimerización, es importante

anotar que su magnitud puede reducirse sustancialmente si se emplea un proceso en

solución y prácticamente eliminarse en emulsión o en suspensión.

Otra característica de los procesos de polimerización, cuyas causas también tienen que

ver con el tamaño molecular, es la dificultad para aplicar operaciones unitarias al producto

obtenido.

El retiro de monómero residual, de disolventes o plastificantes, el cambio de tamaño de

partícula, son muy difíciles de efectuar y por consiguiente por razones económicas y

ecológicas, se impone la necesidad de un control muy estricto del proceso. Operaciones

como la destilación son prácticamente imposibles, otras podrían realizarse pero a un

costo muy alto.

El control de operación de los procesos de polimerización es aún mas exigente al

considerar el marcado efecto que la composición del alimento pue de tener sobre el

promedio y distribución de tamaños moleculares del producto final: la concentración del

iniciador en las reacciones en cadena, la relación estequiométrica de grupos funcionales

en las reacciones por etapas, la presencia de impurezas que pueden actuar como

agentes de transferencia de cadena o terminadores de cadena, etc. Solo una proporción

muy pequeña de estas alteraciones tiene un efecto muy importante en el tamaño

molecular.

Pese a las dificultades, se producen mas de 140 millones de toneladas de polímeros en

masa, solución, suspensión, emulsión, inyección y reacción en molde, estado sólido,

plasma, etc., utilizando reactores que pueden reducirse a los tras tipos descritos o sus

combinaciones.

Page 11: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 11

1.2.2. Estrategia general de diseño.

En este numeral nos proponemos delinear un procedimiento general de diseño de un

reactor, asumiendo que previamente se ha escogido el polímero a producir, el modo de

producción (masa, solución, etc.) y el tipo de reactor. Los dos últimos factores hacen parte

del proceso completo de diseño, pero caen fuera de la cobertura de esta presentación.

Los pasos de diseño del reactor pueden resumirse así: conocimiento del polímero a

producir, conocimiento de las reacciones o mecanismo simplificado de polimerización,

planteamiento de un modelo matemático, solución del mismo e interpretación de los

resultados.

Del polímero a producir, así como del monómero y disolventes u otros medios si los

hubiere, deben conocerse las propiedades fisicoquímicas y de transporte y los cuidados

que deben observarse en el almacenamiento y manejo de los mismos.

También debe conocerse un mecanismo de polimerización tan simple como sea posible

pero que permita plantear las ecuaciones cinéticas de las reacciones que ocurren.

Seguidamente se plantean las ecuaciones de balance requeridas, tomando en

consideración las propiedades del monómero y el polímero, las ecuaciones cinéticas y el

tipo de reactor a diseñar. El conjunto de estas ecuaciones constituye el modelo

matemático de diseño.

El modelo debe ser resuelto. Y hacerlo es una combinación de ciencia y de arte.

Generalmente un modelo completo, "estricto", es muy difícil de resolver aún con ayuda del

computador. La primera etapa de solución es simplificar el modelo, hacerlo mas

restringido pero sin que deje de reflejar o simular el proceso real. Ahí está el arte, la

experiencia. Finalmente se resuelven las ecuaciones en términos de las variables de

interés. Para el caso de las polimerizaciones, podrían ser los parámetros de tamaño

molecular como función de los tiempos de reacción o los flujos, concentraciones y

temperatura.

Los resultados, por supuesto deben someterse a análisis, para captar las previsiones

implícitas en los resultados.

1.2.3. Ejemplos ilustrativos.

Para ilustrar los conceptos expuestos utilizaremos ejemplos de diseño de reactores para

algunos casos simples y hasta cierto punto idealizados, pero que guardan suficiente

semejanza con la realidad. Por ejemplo, en todos los casos supondremos que las

constantes cinéticas son independientes del tamaño molecular. Analizaremos el caso de

procesos isotérmicos por lo cual no se incluyen los balances de calor. Los modelos

desarrollados son especialmente válidos para procesos en masa, aunque fácilmente

pueden extenderse a procesos en solución y en suspensión, incluyendo el balance molar

del disolvente o del medio de suspensión respectivamente.

Page 12: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 12

1.3. REACTORES DE POLIMERIZACION. MODELIZACION Y DISEÑO.

La polimerización abarca complejas reacciones, lo que conlleva a la formación de estructuras moleculares complejas.

Las condiciones bajo las cuales es llevada a cabo la polimerización tienen un gran efecto sobre la longitud de la cadena, grado de ramificación, distribución en la composición del copolímero, distribucción de la secuencia del copolímero y otras medidas de las estructuras moleculares que afectan directamente a sus propiedades finales. Estas últimas difíciles de alcanzar debido a la variedad y complejidad de la microestructura.

A continuación se muestra en la figura 1, un esquema donde se representan las variables de un proceso de polimerización.

Fig. 1.- Variables de un proceso de polimerización

De todo ello, se deduce la importancia que tiene la modelización de la microestructura de las macromoléculas producidas en reactores de polimerización. Los detalles de la microscopía polimérica determinan las propiedades del producto.

Page 13: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 13

Es clara la necesidad de unir las herramientas de los científicos del campo de los polímeros y del ingeniero, para mejorar tanto el proceso de obtención como las propiedades finales del polímero

El ingeniero de reacciones de polimerización no solo ha de reunir proporciones específicas, producciones y purezas, sino también obtener un producto con ciertas características de procesado y propiedades finales que son, en la práctica, las verdaderas medidas del funcionamiento de los reactores de polimerización.

La disponibilidad de un modelo matemático que prediga con precisión las propiedades moleculares del polímero producido en un reactor tiene una gran importancia económica. La llave para realizar un buen modelo es describir matemáticamente los fenómenos químicos y físicos del proceso, obteniendo los balances necesarios de materia, energía y momento. Esta descripción implica ecuaciones no lineales (algebraicas, diferenciales, etc.).

Los principales problemas que se plantean a la hora de realizar una modelización para la producción de polímeros son:

La comprensión de las reacciones de polimerización. Las cinéticas de polimerización son complejas debido al número de reacciones diferentes que ocurren y a que éstas, son fuertemente influenciadas por cambios físicos en el sistema, tales como el incremento de la viscosidad. La combinación de grandes incrementos en la viscosidad y la implicación de moléculas de cadena larga en las reacciones, conduce al control difusional de algunas reacciones. La difusión puede entonces determinar la velocidad de la reacción y se establece una relación directa entre la física de polímeros y las cinéticas de polimerización.

La habilidad para medir y caracterizar todas las variables que influyen en la calidad del polímero.

El desarrollo de modelos no lineales basados en controladores predictivos.

Según Ray (1986), los diferentes fenómenos físicos y químicos que se producen en un reactor de polimerización pueden ser clasificados en los siguientes niveles de modelización:

Modelización "cinética-química" (MICROESCALA).

Modelización "física-transporte" (MESOESCALA).

Modelización "dinámica-reactor" (MACROESCALA).

MICROESCALA

Basada en la modelización de los mecanismos cinéticos en reacciones en cadena (p.e.: crecimiento, ramificación, terminación de la cadena, etc.).

La modelización matemática de cinéticas de polimerización a nivel microescala ha estado sujeta numerosas publicaciones (p.e.: Achilias y Kiparissides, 1992).

Page 14: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 14

MESOESCALA

Los fenómenos de la interfase (equilibrios termodinámicos, cinéticas, etc.), intrafase (transferencia de masa y calor entre diferentes fases), así como el "micromezclado", juegan un importante papel y pueden influir sobre propiedades moleculares y morfológicas. La modelización de este tipo depende del diseño específico de la operación del proceso.

MACROESCALA

Tiene que ver con el desarrollo de modelos que describan: fenómenos de "macromezcla" en el reactor, balances globales de masa y energía, transferencia de masa y calor, dinámica y control del reactor.

En definitiva, para la óptima modelización de un reactor de polimerización deben incluirse modelos apropiados que representen todos los fenómenos físicos y químicos que ocurren a las tres escalas anteriormente expuestas.

En procesos químicos industriales tipo batch o continuo, la utilización de computadoras se está implementando desde hace ya algún tiempo, debido a que ayudan a operar con más estabilidad, seguridad, mejoran la productividad, calidad, reducen el impacto ambiental y mejoran la conservación de la energía.

Aunque el control por ordenador se ha estado aplicando a la industria de polímeros desde hace 25 años, la aplicación de extrategias avanzadas de control en reactores de polimerización se ha limitado al control de la temperatura y presión.

Como causas más importantes de la falta de progreso en el control de calidad de polímeros se pueden enumerar las siguientes:

1. Las reacciones de polimerización son procesos altamente no lineales (variación de parámetros con el tiempo).

2. Las propiedades moleculares (p.e.: nº medio, peso molecular y composición del copolímero,...) a menudo evolucionan en direcciones opuestas a las variables de control manipuladas (p.e.: temperatura, concentración adimensional de iniciador,...).

3. La falta de medidas "on-line" de propiedades moleculares retrasan la caracterización de la calidad del polímero.

Entonces, una producción inteligente de polímeros engloba: modelos matemáticos del proceso, sensores avanzados, aproximaciones estadísticas y control avanzado de procesos.

Como se ha comentado con anterioridad, la elección de un tipo de reactor u otro, además del tipo de agitación, influirá sobre la estructura del polímero y como consecuencia de ésto, sobre sus propiedades finales. El dimensionamiento del reactor se basa en la velocidad de polimerización de la planta piloto. La elección del tipo de reactor depende de la cinética y de consideraciones económicas.

Page 15: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 15

Las configuraciones de reactor tipo Batch son comúnmente usadas. Sin embargo, los procesos continuos son más económicos que los anteriores sin restar importancia a los procesos semibatch.

Se consideran cuatro tipos de reactores de polimerización:

Batch Semibatch Flujo pistón (tubular) Tanque agitado (continuo)

Batch

Este tipo de reactor es el más versatil y ha sido ampliamente usado, especialmente para polímeros de baja producción. Posee agitador, camisa de refrigeración y condensador a reflujo (para el caso de las polimerizaciones "step growth")

Su tamaño va desde los 5 galones (plantas piloto) hasta los 30000 galones. Se construyen en acero al carbono, vidrio y pueden estar recubiertos de polímero. El intercambio de calor de polimerización se realiza mediante una camisa de refrigeración.

Tiene la ventaja de acomodar varios productos. Los reactivos se añaden al comienzo de la polimerización. Así, la velocidad de polimerización cambia con el tiempo mientras la concentración adimensional de los reactivos decrece. Se obtienen elevadas conversiones

El diseño de reactores Batch se basará en estimaciones de tiempos de polimerización provenientes de datos de planta piloto y/ o estudios de simulación. A la hora del "scale-up", se pondrá especial cuidado en la agitación y transferencia de calor.

Se utilizan para la obtención de Nylon 6, resinas fenólicas, urea-formaldehido, melanina-formaldehido, han sido reemplazados por los reactores continuos debido a su mayor capacidad de producción.

Semibatch

Aquí, los reactivos (formaldehido en el caso de las resinas formofenólicas) o iniciadores (polimerizaciones de radical libre) se añaden durante el curso de la polimerización.

En el caso de las polimerizaciones de condensación el producto de condensación es continuamente eliminado (agua) para dirigir la polimerización reversible hacia el polímero más que hacia el monómero.

El uso de una estrategia de este tipo, da al diseñador de procesos grados extra de libertad: desarrollo de procedimiento de operación normal y toma de acciones de control para corregir desviaciones provenientes de la operación normal.

Page 16: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 16

La copolimerización semibatch se realiza para mantener constante la composición de copolímero cuando los comonómeros tienen reactividades que varían poco. La adición del iniciador en forma semibatch, se realiza para mantener el control de temperatura y la adición de iniciador o agente de transferencia de cadena se utiliza también para mantener al distribución de pesos moleculares deseada.

Flujo pistón

En este tipo de reactor, la masa de reactivos se bombea a lo largo del tubo a una velocidad tal que la reacción se produzca de forma deseada.

Cada elemento de la mezcla de reacción se identifica como un reactor batch individual.

Se obtienen altas conversiones y elevados pesos moleculares. Poseen bajos costes económicos.

Los reactores tubulares son aplicables en polimerizaciones de grandes volúmenes y tienen excelentes cualidades en la transferencia de calor. Por otro lado, son vulnerables pues pueden ser obstruidos por pequeñas cantidades de polímero. Se tendrá que tener en cuenta para este caso: la agitación, la difusión, distribución de pesos moleculares y el factor de ensuciamiento de las paredes del reactor.

La temperatura a lo largo del reactor se controla mediante camisa de refrigeración.

Para soluciones viscosas se producirán bajas velocidades en la pared.

Estudios sobre la desviación existente entre flujo pistón y polimerización tubular han sido realizada por Hamer y Ray (10).

Se utilizan en la producción de Nylon 6 y 66.

Tanque agitado (continuo)

En este tipo de reactores los reactivos son alimentados continuamente y los productos continuamente obtenidos para asegurar que el sistema mantiene estado estacionario.

Su utilización es justificada para altos volúmenes de productos. Se obtienen altos rendimientos con bajo coste de proceso.

La velocidad de polimerización es constante y contribuye a la homogeneidad del producto, pero puede ser eclipsado por la no homogeneización producida por la amplia distribución de tiempos de residencia.

Como la velocidad de polimerización varía con las condiciones de operación, este tipo de sistemas puede ser dimensionado para la velocidad de polimerización en las condiciones de diseño. En la práctica se utiliza un tren de reactores de igual tamaño para minimizar la complejidad en el diseño seguido de un reactor tubular.

En las figuras 2,3 y 4 se observan diferentes tipos de reactores de polimerización.

Page 17: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 17

Fig. 2.- Primeros reactores para la producción de resinas fenólicas.

Fig. 3.- Reactor típico para la producción de amino-resinas.

Page 18: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 18

Fig. 4.- Reactor continuo de policondensación (Cortesía empresa LIST)

1.4. CARACTERISTICAS TECNICAS PARA EL DISEÑO DE REACTORES DE

POLIMERIZACION.

Para procesos de alta viscosidad a alta temperatura

Reactores estándares o a medida, de acuerdo con normativa DIN o ASME, con sistemas

de calefacción / refrigeración y sistemas de agitación diseñados a medida para los

procesos de polimerización.

Diseño mecánico

ASME VIII div.1 - AD-2000 - EN-13445 - DIN-28136

Cálculos automatizados: Microprotol / Compress / PVElite

Diseño por elementos finitos (FEA)

Diseño a sismo y viento de acuerdo con regulaciones locales

Cálculo de fatiga a ciclos de presión y temperatura

Diseño del agitador con software simulador de procesos

Características

Volúmenes disponibles desde 5 litros hasta 300 m³

Diseño a vacío absoluto y presión hasta 50 bar(g)

Temperatura desde - 50º C hasta + 400º C

Diseñados para trabajo a ciclos de presión y temperatura

Calefacción/refrigeración por camisa, media caña o dimplate

Serpentines interiores o bafles calefactados/refrigerados

Agitadores de flujo axial, radial y de doble flujo combinado

Agitación en régimen turbulento o laminar, hasta 2.000.000 cps

Potencias hasta 300 KW

Certificado ‘CE’ según la Directiva de Seguridad de Máquinas 98/37/CE

Page 19: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 19

Opciones

Pulido interior mecánico, desde Ra ≤ 1.2 µm hasta Ra ≤ 0.2 µm

Electropulido interior como opción

Sistemas de limpieza CIP-SIP, validables por test de Riboflavina

Agitadores con accionamiento hidráulico

Aislamiento térmico estanco con forro de inoxidable soldado

Agitadores con cierres mecánicos simples y dobles

Cierres mecánicos presurizados por nitrógeno 'sin roce' como opción

Ejecuciones ATEX certificadas oficialmente para zona 0/20 interior

Sistemas automáticos de carga y dosificación de sólidos

Sistemas de pesaje

Sistemas de condensación y reflujo

Sistemas de vacío

Aplicaciones

Adhesivos

Baquelitas

Cauchos

Hot melts

Látex

Metacrilato

Nylon

Plásticos

Poliamidas

Polietielenglicol

Poliésteres

Resinas

Siliconas

Materiales de construcción

Aceros inoxidables Austeníticos

Aceros inoxidables Superausteníticos

Aceros Dúplex y Superdúplex

Aleaciones de Níquel y Superaleaciones

Titanio

Cladding

Page 20: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 20

CAPITULO 2

ACCESORIOS DE REACTOR DE POLIMERIZACION.

2.1. VALVULAS DE AGUA TIPO SOLENOIDE

Una válvula solenoide consiste en un dispositivo operado eléctricamente utilizado para el

control de flujo de líquidos o gases en posición completamente abierta o completamente

cerrada. Su función básica es la misma que una válvula de paso operada manualmente

pero, siendo accionada eléctricamente. Puede instalarse en lugares remotos y puede ser

controlada convenientemente por medio de interruptores eléctricos simples.

El uso de la válvula solenoide tiene por objeto controlar el flujo de diferentes fluídos,

dándole la debida consideración a las presiones y temperaturas involucradas, la

viscosidad del fluído y la adaptabilidad de los materiales empleados en la construcción de

la válvula.

Su operación es factible por medio de interruptores termostáticos, de flotador, de baja

presión, de alta presión, por reloj, o cualquier otro dispositivo que abra o cierre un circuito

eléctrico. Se trata de una válvula que se cierra por gravedad, por presión o por la acción

de un resorte; y es abierta por el movimiento de un émbolo operado por la acción

magnética de una bobina energizada eléctricamente o viceversa. Una válvula solenoide

está compuesta por dos partes accionantes: un solenoide o bobina eléctrica y el cuerpo

de la válvula.

Existe una amplia variedad de tipos de válvulas solenoide, los cuales se pueden dividir de

acuerdo a su aplicación, su construcción y su forma. Atendiendo a su aplicación, es decir,

a la capacidad del sistema donde va a ser instalada la válvula, se clasifican de manera

general, en dos tipos: 1) De acción directa, y 2) Operadas por piloto.

En cuanto a su construcción, la válvula solenoide puede ser: 1) Normalmente cerrada, 2)

Normalmente abierta y 3) De acción múltiple.

Page 21: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 21

Por su forma, hay tres tipos de válvula solenoide de uso común: 1) De dos vías, 2) De

tres vías y 3) De cuatro vías o reversibles. Igualmente puede haber válvulas solenoide con

combinaciones de los tipos anteriormente mencionados. Así por ejemplo, hay válvulas

operadas por piloto normalmente abiertas y también normalmente cerradas.

2.2. VALVULA CHECK

Las válvulas de check, también llamadas de retención o antirretorno, tienen el fin de evitar

la descarga del agua en dirección a la bomba, esto evita daños por la rotación inversa de

la bomba, además de impedir el vaciado de la tubería permitiendo que la puesta en

marcha del sistema sea más rápida y segura además protegen a la bomba durante las

sobre presiones.

Esta válvula actúa automáticamente por la acción de las presiones en los dos sentidos

posibilitando el cierre y apertura.

No requiere mantenimiento, solamente chequear ocasionalmente si se traba.

Se ubica inmediatamente después de la bomba o del cono de ampliación excéntrico.

Page 22: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 22

2.3. VALVULAS DE TRES VIAS

En sistemas de riego, las válvulas de tres vías se aplican principalmente en el retrolavado

de filtros de arena cuando hay instalados al menos dos de ellos en paralelo, pueden ser

accionadas manualmente, hidráulicamente o por medio de solenoides eléctricos. Para la

automatización del filtrado se utilizan las de diafragma mientras que para la operación

manual pueden utilizarse válvulas de 3 vías de bola en “L”

En los sistemas de riego localizado con válvulas de control hidráulicas, se utilizan

pequeñas válvulas de 3 vías para enviar la señal desde la estación de bombeo a las

válvulas.

2.4. VALVULA DE GLOBO

Las válvulas de globo, son unidireccional, el cierre se logra por medio de un disco o tapón

que cierra o corta el paso del fluido, sirven para regular o limitar el flujo de agua. Pueden

ser operadas continuamente. Están construidas de tal modo que cuando el flujo pasa,

produce un cambio en la dirección e incrementa su resistencia de forma gradual según la

posición del cierre. Para diámetros mayores de 300 mm, estas válvulas son poco usadas,

debido al gran esfuerzo que se requiere para operarlas.

Tienen la ventaja de presentar una estrangulación eficiente con erosión mínimos del disco

o asiento, carrera corta del disco y pocas vueltas para accionarlas, lo cual reduce el

tiempo y desgaste en el vástago y el bonete, control preciso de la circulación.

Mantenimiento.

Hay que abrir ligeramente la válvula para expulsar los cuerpos extraños del asiento,

Apretar la tuerca de la empaquetadura, para corregir de inmediato las fugas.

La mayor desventaja que presenta esta válvula es la elevada pérdida de carga, como se

puede ver en la tabla del coeficiente K y su relativo alto costo.

Page 23: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 23

2.5. TRANSMISOR DE TEMPERATURA

Los transmisores de temperatura se utilizan para transmitir la temperatura medida como

señal analógica a un receptor. Los transmisores de temperatura transmiten una

temperatura medida como una señal analógica de 0/4–20 mA a un receptor. El receptor

suele ser un regulador electrónico o PLC (Controlador Lógico Programable).

PT & NTC: Los términos PT y NTC son abreviaturas para temperatura positiva y negativa,

y describen si la resistencia en el resistor aumenta o disminuye cuando la temperatura

aumenta. Si el sensor de resistencia se conecta directamente al receptor, también se

mediría la resistencia del cable existente entre los dos componentes proporcionando una

falsa lectura. El error dependerá de la longitud del cable y de la temperatura ambiente.

USO: Los transmisores de temperatura se utilizan para evitar pérdidas de tensión o

cuando un regulador o PLC no puede medir directamente la señal desde un sensor de

resistencia.

Page 24: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 24

2.6 TRANSMISOR DE PRESION

La medida y la transmisión de presión juegan un papel clave en los sistemas de control y

monitorización de bombas/ventiladores con el fin de obtener una determinada presión en

un instante dado.

Los transmisores de presión transmiten una presión medida como una señal analógica

0/4–20 mA a un receptor. El transmisor de presión cuenta con un elemento piezoeléctrico,

que genera una señal eléctrica que es proporcional a la presión.

El receptor

El receptor suele ser un regulador electrónico o PLC (Controlador Lógico Programable).

Un PLC es un pequeño ordenador que, normalmente, no es capaz de medir directamente

señales eléctricas desde un sensor.

Si el elemento piezoeléctrico se conecta directamente al receptor, también se mediría la

resistencia del cable existente entre los dos componentes proporcionando una falsa

lectura. Este error depende de la longitud del cable y de la temperatura ambiente.

Empleo

Los transmisores de presión se utilizan para evitar pérdidas de presión o cuando un

regulador o PLC no puede medir directamente la señal desde una sensor de resistencia.

Page 25: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 25

2.7. CONVERTIDOR i/p

Instrumento que recibe una señal estándar yla envía modificada en forma de señal de

salida estándar. Se diferencia de un transmisor o transductor, en que el convertidor no

mide variables en forma directa, sino que solamente manipula señal de corriente a

presión, es similar a un transmisor electrónico de presión y los rangos de señal estándar

son los mismos (3-15 psi y 4-20 mA).

Funcionamiento:

El aparato está compuesto de una unidad convertidora I/P, que funciona según el sistema

de compensación de fuerzas y un amplificador de caudal volumétrico conectado a

continuación. La corriente continua de entrada (4) pasa por la bobina móvil (2) situada en

el campo de un imán permanente (3). En la palanca basculante (1) se contrarresta la

fuerza de la bobina móvil, proporcional a la corriente eléctrica, con la fuerza de la presión

dinámica, producida por el choque del chorro de aire que sale por la tobera (7) contra la

placa de rebote (6).

Page 26: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 26

En la siguiente tabla se encuentran los valores estandarizados, para una determinada

corriente hay una salida de presión estándar:

3 psi 6 psi 9 psi 12 psi 15 psi

4 mA 8mA 12mA 16 mA 20mA

Podemos de esta tabla sacar una pequeña fórmula, la fórmula sería :

Page 27: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 27

CAPITULO 3

ESTRATEGIAS DE CONTROL Y CONTROLADOR PID

3.1. CONTROL EN CASCADA

El control en cascada es una estrategia que mejora significativamente, en algunas

aplicaciones, el desempeño que muestra un control por retroalimentación y que ha sido

conocida desde hace algún tiempo. Los computadores permiten la implementación de

controles en cascada que son más simples, más seguros y menos costosos que los que

pueden obtenerse mediante el uso de instrumentación análoga.

Por lo tanto, la disponibilidad de los computadores ha facilitado que el control en cascada

se implemente ahora mucho más que antes, cuando solo se utilizaba la instrumentación

análoga.

3.2. PROCESO DE REACCION CON PRECALENTAMIENTO

En la Figura 3.1 se considera un horno donde se precalienta el componente A que se

alimenta a un reactor para transformarlo en B mediante la reacción. La reacción es

exotérmica y el calor liberado se remueve por medio de un fluido de enfriamiento que

fluye a través de la camisa que rodea al reactor.

Page 28: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 28

La variable de control considerada, como importante, es la temperatura en el reactor, TR, y

la estrategia de control implementa como variable a manipular el flujo de fluido de

enfriamiento por la camisa. La temperatura de entrada al reactor se controló manipulando

el flujo de combustible utilizado en el horno. Se observó durante la puesta en marcha del

proceso que la camisa no mostraba la capacidad requerida para el enfriamiento; la válvula

de regulación del flujo del fluido de enfriamiento se mantuvo abierta casi todo el tiempo.

Por lo tanto, se decidió abrir la válvula completamente y controlar la temperatura del

reactor manipulando el flujo de combustible al precalentador, como se muestra en la

figura. La estrategia trabajó suficientemente bien mostrando un buen control automático

durante la puesta en marcha.

Una vez el proceso estuvo en marcha, el ingeniero de procesos observó que muy a

menudo la temperatura del reactor se desviaba considerablemente del valor deseado

ocasionando que el producto se obtuviera fuera de especificación. Después de verificar la

sintonización del controlador por retroalimentación para asegurarse que el desempeño

obtenido era el mejor posible, el ingeniero comenzó a buscar las posibles perturbaciones.

Varios desajustes se hallaron alrededor del reactor mismo (temperatura y flujo del fluido

de enfriamiento y otros) como también en el horno (variaciones en la temperatura de

entrada de A, poder calorífico del combustible, temperatura de entrada del aire de

combustión, etc). Mas aún, el ingeniero observó que repetidamente en un momento, la

temperatura del reactivo a la entrada del precalentador variaba en tanto como en 25ºC, un

desajuste considerable.

Es algo simple el darse cuenta que el efecto de un desajuste en el horno ocasiona rimero

un cambio en la temperatura del reactivo que sale del mismo, TH, y esto a su vez afecta a

temperatura en el reactor, TR. Cuando el controlador determina el error en TR, manipula la

señal que regula la válvula por donde fluye el combustible. Sin embargo, con demasiados

atrasos en el proceso horno-reactor, transcurrirá un tiempo considerable para que la

temperatura en el reactor alcance nuevamente el valor deseado. A causa de estos

atrasos, el simple control por retroalimentación mostrado en la figura, resultará en un

control cíclico y en general lento.

Una estrategia de control superior puede diseñarse haciendo uso del hecho de que los

desajustes en el horno primero afectan a TH. Es lógico, por lo tanto, comenzar

manipulando la válvula reguladora del flujo de combustible tan pronto como se determine

la variación en TH, antes que comience a cambiar TR. Es decir, la idea no es esperar un

error en TR para comenzar a cambiar la variable manipulada. Esta estrategia de control

utiliza una variable intermedia, TH en este caso, para reducir el efecto de algunas

dinámicas en el proceso.

Esta estrategia consiste de dos sensores, dos transmisores, dos controladores y una

valvula de control. Un sensor mide la variable secundaria o intermedia, TH en este caso, y

el otro sensor mide la variable de control primaria, TR. Para repetir, la temperatura de

salida del horno se utiliza como una variable intermedia para mejorar el control de la

temperatura del reactor, que es el objetivo importante del control (variable de control).

Page 29: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 29

La estrategia trabaja de la siguiente manera: el controlador TC101 se informa sobre la

temperatura del reactor y decide como manipular la temperatura de salida del horno para

satisfacer su valor deseado. La decisión es transmitida al TC102 como el valor deseado y

este a su vez manipula la señal transmitida a la válvula por donde fluye el combustible

para mantener a TH en el valor deseado requerido por TC101.

Si uno de los desajustes mencionados anteriormente ocurre en el horno, TH se desvía del

valor deseado y TC102 toma la acción correctiva adecuada, antes que TR cambie. Por lo

tanto, los elementos dinámicos del proceso se han separado para compensar los

desajustes en el horno antes que afecten a la variable de control primaria.

En general, el controlador que mantiene la variable primaria en el valor deseado es

conocido como el controlador master, externo o primario. El controlador utilizado para

mantener la variable secundaria en el valor deseado requerido por el controlador master

es, usualmente, conocido como el controlador esclavo, interno o secundario.

3.3. CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO

Un PID (Proporcional Integral Derivativo) es un mecanismo de control por realimentación

que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener,

para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del

control PID se da en tres parámetros distintos: el proporcional, el integral, y el derivativo.

El valor Proporcional determina la reacción del error actual. El Integral genera una

corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo

de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. El Derivativo determina la

reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es

usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula

de control o la energía suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres

variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control

diseñado para lo que requiera el proceso a realizar. La respuesta del controlador puede

ser descrita en términos de respuesta del control ante un error, el grado el cual el

controlador llega al "set point", y el grado de oscilación del sistema. Nótese que el uso del

PID para control no garantiza control óptimo del sistema o la estabilidad del mismo.

Algunas aplicaciones pueden solo requerir de uno o dos modos de los que provee este

sistema de control. Un controlador PID puede ser llamado también PI, PD, P o I en la

ausencia de las acciones de control respectivas. Los controladores PI son particularmente

comunes, ya que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del proceso

integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la acción de control.

Page 30: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 30

Ejemplos prácticos

Se desea controlar el caudal de un flujo de entrada en un reactor químico. En primer lugar

se tiene que poner una válvula de control del caudal de dicho flujo, y un caudalímetro, con

la finalidad de tener una medición constante del valor del caudal que circule. El

controlador irá vigilando que el caudal que circule sea el establecido por nosotros; en el

momento que detecte un error, mandará una señal a la válvula de control de modo que

esta se abrirá o cerrará corrigiendo el error medido. Y tendremos de ese modo el flujo

deseado y necesario. El PID es un cálculo matemático, lo que envía la información es el

PLC.

Se desea mantener la temperatura interna de un reactor químico en su valor de

referencia. Se debe tener un dispositivo de control de la temperatura (puede ser un

calentador, una resisténcia eléctrica,...), y un sensor (termómetro). El P, PI o PID irá

controlando la variable (en este caso la temperatura). En el instante que esta no sea la

correcta avisará al dispositivo de control de manera que este actúe, corrigiendo el error.

De todos modos, lo más correcto es poner un PID; si hay mucho ruido, un PI, pero un P

no nos sirve mucho puesto que no llegaría a corregir hasta el valor exacto.

Aplicaciones / Ejemplo

Un ejemplo muy sencillo que ilustra la funcionalidad básica de un PID es cuando una

persona entra a una ducha. Inicialmente abre la llave de agua caliente para aumentar la

temperatura hasta un valor aceptable (también llamado "Setpoint"). El problema es que

puede llegar el momento en que la temperatura del agua sobrepase este valor así que la

persona tiene que abrir un poco la llave de agua fría para contrarrestar el calor y mantener

el balance. El agua fría es ajustada hasta llegar a la temperatura deseada. En este caso,

el humano es el que está ejerciendo el control sobre el lazo de control, y es el que toma

las decisiones de abrir o cerrar alguna de las llaves; pero no sería ideal si en lugar de

nosotros, fuera una maquina la que tomara las decisiones y mantuviera la temperatura

que deseamos.

Page 31: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 31

Esta es la razón por la cual los lazos PID fueron inventados. Para simplificar las labores

de los operadores y ejercer un mejor control sobre las operaciones. Algunas de las

aplicaciones más comunes son:

Lazos de Temperatura (Aire acondicionado, Calentadores, Refrigeradores, etc.).

Lazos de Nivel (Nivel en tanques de líquidos como agua, lácteos, mezclas, crudo,

etc.).

Lazos de Presión (para mantener una presión predeterminada en tanques, tubos,

recipientes, etc.).

Lazos de Flujo (mantienen la cantidad de flujo dentro de una línea o tubo).

Page 32: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 32

CAPITULO 4

ANALISIS DEL PROCESO DE CONTROL DEL REACTOR DE

POLIMERIZACION N°2. AREA QUIMICA – PLANTA DE PVC.

EMPRESA SOCIEDAD PARAMONGA LTDA.

4.1. VARIABLES DEL PROCESO:

Temperatura

Presión

4.2. DESCRIPCION DEL PROCESO:

El proceso de polimerización de PVC en el área química de la planta de Sociedad

Paramonga inicia con la introducción de la materia prima (polímeros de PVC y otros

aditivos químicos) para seguidamente mediante el accionamiento del mixer (mezclador)

se de comienzo a una reacción química que como consecuencia trae un incremento de

temperatura dentro del reactor, el setpoint del TIC23 esta regulado a 65°C, razón por la

cual el objetivo es mantener la mezcla en esa temperatura ya que un incremento brusco

dañaría la materia prima y la inutilizaría. Cuando se alcanza el setpoint (ediante un bafle

de termocuplas dentro del tanque con el polímero de PVC) en el controlador TIC23, este

manda una señal en cascada al controlador TIC24 el cual envía una señal al convertidor i/p

y este a su vez enviara una señal neumática a las válvulas TCV22 (7 – 11 PSI para el

ingreso del agua de enfriamiento), TCV23 (3 – 7 PSI para el ingreso del agua de

refrigeracion) o TCV24 (11 – 15 PSI para el ingreso del vapor de agua); si excede la

temperatura, se envía una señal para el ingreso del agua de enfriamiento, si debido a este

enfriamiento la temperatura desciende mucho, el controlador envía una señal para que la

valvula de vapor permita el ingreso del mismo y la temperatura se estabilice en el setpoint.

Si hay una elevación brusca de la temperatura el controlador activa la valvula del agua de

refrigeración. Cabe señalar que cuando se ingresa vapor de agua, este expulsa al agua

de enfriamiento o refrigeración que hay en el tanque, enviándola mediante la señal de

comparación del selector SW1 (compara al agua de refrigeración de la línea de entrada

(TT24) con el agua que sale cuando ingresa el vapor al reactor) constata que el agua este

Page 33: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 33

a 80°C, si se cumple esto, envía el agua al pozo de refrigeración, caso contrario no

cumpla esta condición de comparación, la envía al pozo de enfriamiento.

Como medida de seguridad, el TT24 envia una señal a los 187°F (86°C) cuando la

temperatura en la de ingreso de agua excede a esta, cortando asi el suministro de vapor

en el sistema.

Al finalizar la reacción y al haber obtenido la mezcla deseada, se apaga el sistema.

Este ha sido un claro ejemplo de como se puede realizar un control sencillo y preciso en

un reactor de polímeros, con medidas de seguridad y con capacidad de seguir siendo

mejorado.

SE ADJUNTA DIAGRAMA P&ID

Page 34: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 34

CAPITULO 5

IMPLEMENTACION DE SISTEMA SCADA

5.1. SELECCIÓN DEL PC DE SUPERVISION

Un PC de supervisión típico tiene las siguientes características:

Monitor de 17”.

Procesador Intel Core 2 Duo de 3.16 GHz.

Tarjeta de video de 1 Gb.

Disco duro de 150 Gb para almacenamiento de los datos de alarmas e históricos y

registros.

Memoria RAM de 3 Gb.

Sistema operativo Windows 7 operación a 32 Bits.

Tarjeta LAN.

Acceso a internet.

Las especificaciones anteriores son para una correcta operatividad de los elementos de

software, tales como SCADA, software de programación, comunicaciones, etc.

Page 35: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 35

5.2. SELECCIÓN DEL SOFTWARE SCADA DE SUPERVISION

Wonderware InTouch HMI.

El software InTouch ofrece funciones de visualización gráfica que llevan sus capacidades

de gestión de operaciones, control y optimización a un nivel completamente nuevo.

Aquello que ahora se conoce en la industria como HMI (Human Machine Interface)

comenzó hace más de veinte años con el software InTouch. Ningún otro HMI en el

mercado puede compararse al software InTouch en términos de innovación, integridad de

arquitectura, conectividad e integración de dispositivos, ruta de migración de versiones de

software sin interrupciones y facilidad de uso.

Esto se traduce en sistemas basados en estándares que permiten incrementar al máximo

la productividad, optimizar la efectividad del usuario, mejorar la calidad y reducir los

costos operacionales, de desarrollo y de mantenimiento.

Según el manual de usuario de INTOUCH, posee las siguientes características:

Provee una serie de herramientas que hacen la labor de administradores,

operadores, supervisores e ingenieros más amigable y fácil al desarrollar u operar las

aplicaciones de control de procesos automatizados.

Permite visualizar (sin alterar) datos del área de producción de una planta o un

proceso en tiempo real desde una PC conectada en una red de área local (LAN),

también ofrece una herramienta útil que es la de permitir a los desarrolladores poder

crear sus propios objetos pre configurados (Wizards).

INTOUCH permite realizar interfaces finales fáciles de usar, no solo para el diseñador

sino para cualquier persona que requiera operar el sistema, otra de las ventajas que

ofrece InTouch es la de que se puede conectar con módulos SQL que permiten

satisfacer las necesidades de requerimientos de una gran variedad de reportes en la

industria especialmente a un nivel gerencial.

Beneficios

Facilidad de uso que le permite a desarrolladores y operarios ser más productivos

de manera simple y rápida

Page 36: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 36

Gran integración de dispositivos y conectividad a prácticamente todos los

dispositivos y sistemas

Sus capacidades de representación gráfica y la interacción con sus operaciones

permiten entregar la información correcta a las personas correctas en el momento

correcto

Migración de versiones de software sin interrupción, lo que significa que la

inversión en sus aplicaciones HMI está protegida

Capacidades

Gráficos de resolución independiente y símbolos inteligentes que visualmente dan

vida a su instalación directamente en la pantalla de su computadora

Sofisticado sistema de scripting para extender y personalizar aplicaciones en

función de sus necesidades específicas

Alarmas distribuidas en tiempo real con visualización histórica para su análisis

Graficación de tendencias históricas integradas y en tiempo real

Integración con controles Microsoft ActiveX y controles .NET

Librería extensible con más de 500 de objetos y gráficos prediseñados,

"inteligentes" y personalizables

Page 37: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 37

DISEÑO DE SISTEMA SCADA

Basándonos en el diagrama P&ID del sistema, se estructuro el sistema SCADA, el cual

tiene la siguiente estructura:

Cabe señalar que al ser una simulación, se usaron íntegramente datos “Memory Discrete

y Memory Real”.

SE ADJUNTA SCREENSHOTS DE LA APLICACIÓN.

• Usuario: JCALDERONC

• Password: INDUSTRIAL

Logueo

• P&ID

• Real Time Trend

• Control Panel

• Indicators

Pantalla de proceso • Historic Trend

• CSV (Excel files)

Historicos

Page 38: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 38

Conexión a la Galaxia del usuario en la PC.

Galaxia contenedora del proyecto.

Page 39: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 39

Pantallas que componen el sistema SCADA

Pantalla de logueo

Page 40: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 40

Pantalla de proceso en stand by

Pantalla de proceso iniciado

Page 41: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 41

Pantalla de proceso con ingreso de vapor

Pantalla de proceso con de agua de refrigeración

Page 42: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 42

Pantalla de proceso con ingreso de agua de enfriamiento

Pantalla de histórico de temperatura

Page 43: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 43

Pantalla de proceso de mantenimiento de la línea de agua de todo el sistema

Pantalla de confirmación de salida de la aplicacion

Page 44: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 44

CONCLUSIONES

Se identificó que el sistema de control es cerrado y la variable a controlar es:

Temperatura.

Se evidencio claramente la aplicación de la técnica de control en CASCADA

para el correcto funcionamiento y simplificación de funciones de control en el

reactor de polimerización.

La identificación de los instrumentos industriales a utilizar es crucial para el

correcto modelamiento del proceso productivo.

El sistema de control instalado se encuentra sobredimensionado con el fin de

posibilitar en un futuro a la empresa añadir otros elementos para el control del

sistema según lo encuentren conveniente.

Para la futura implementación del sistema se otorga planos de control para

facilitar el trabajo de los instrumentistas, disminuyendo así la posibilidad de

fallas en la puesta en marcha, se utilizo para esto el software AutoCAD P&ID.

Se utilizó correctamente y en un gran porcentaje las capacidades brindadas

por el software Wonderware InTouch, con la tecnología Archestra para el

monitoreo del sistema SCADA, el modelo diseñado es reflejo del diagrama

P&ID del sistema.

Page 45: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 45

BIBLIOGRAFIA

Ingeniería de control moderna. (OGATA)

Procesos de transferencia de calor DONALD Q. KERN ,1999

Practical industrial networks: design, installation and troubleshooting; MacKay,

Park, Wright, Reynders, 2004.

http://instrumentacionycontrol.net/instrumentacion/itemlist/category/15-transmisores-

y-equipos.html

Page 46: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 46

TRANSLATE

INTRODUCTION

The polymerization reactor design, a subject's own engineering, may also be of interest to

chemists and other specialists for various reasons: firstly the reactor design is based on

the polymerization reactions models generally proposed by chemists , on the other, the

final properties of the obtained material can coincide or differ from those expected from the

tests conducted on samples prepared by conventional laboratory techniques, depending

on the reactor type and operating conditions used for their industrial production.

We intend to present the reader with a schematic overview of the subject, based on the

concepts of reactor design in general, whether to produce macromolecules or low

molecular weight substances. Then discuss the particularities of polymerization processes,

which make the design of the respective reactors, a separate chapter of engineering. At

this point, it seems appropriate to give you some examples. The purpose is to develop and

use a design process and analyze the results. Where possible, avoid the solutions to

systems of mathematical equations, which are essential for the resolution of the models,

but perhaps dispensable in this schematic vision we set.

GOAL:

• Analyze the implementation of an industrial process, and the variables involved in the

correct layout and process in a plane P & ID.

SPECIFIC OBJECTIVES

• Design of SCADA system for process simulation to analyze.

• Correct use of AutoCAD P & ID software for developing implementation plans.

• Smooth reading instrumentation drawings and the correct understanding of the

components of an automated system.

Page 47: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 47

CHAPTER I

THEORETICAL FRAMEWORK

1.1. Reactor design.

1.1.1 Definition and Types Reactor.

The reactor is where chemical reaction occurs. The diversity of industrial reactors can be

reduced to three types that differ from each other by the operating system (stable or in

transition), by mass exchange with the surroundings (open or closed), the flow dynamics

and profiles characteristic concentration and other properties of the system. They are the

batch reactors, continuous stirred tank and tubular. Figure 1 shows a scheme of reactor

types.

From these three types, also conceivable combinations: semicontinuous reactor, CSTR

reactors batteries in series, etc. In all cases the reaction medium may be homogeneous

(single phase) or heterogeneous (different phases).

Page 48: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 48

The batch reactor is a tank with facilities for loading and unloading, for transfer of heat

(heat exchangers, coils, baffles, reflux, external recirculation, etc.), as well as to agitation

of the reaction mixture. Ideally the mixture is homogeneous.

The CSTR reactor is a tank which continually feed and discharge flows to volume flows

products such that the reaction volume constant. This provided with facilities for heat

transfer and agitation. Ideally the mixture is homogeneous.

The tubular reactor is simply a tube, along which flows the reaction mixture in such

conditions (temperature, concentration), the chemical reaction occurs.

May be provided with a heat exchanger for heat transfer. Ideally there are no radial

gradients with respect to the speed, temperature and concentration. This case is referred

to as plug flow reactor.

1.2 Features of the reactors.

1.1.2 Discontinuous.

The batch reactor, as the name implies, works in cycles.

Each cycle includes some or all of the following tasks: Re loading assets, tuning the

reaction conditions (temperature, pressure, etc.), reaction set-up to the discharge

conditions, cleaning and reloaded. Part of the cycle time used in different but work

necessary to the conversion of reactants to products. It is also noted that from batch to

batch (discontinuous) or various thermal histories may occur or other random events, in

some cases, as in the production of polymers, can affect the properties of the product

obtained.

The batch reactor operates at steady state and therefore, the conversion increases with

time as long as the system is not in chemical equilibrium. Moreover, the effect of agitation,

the reactor is ideally homogeneous.

The main equations batch reactor design derived from the heat balance and molars

(equation (7)) can be expressed thus:

1.2.2. Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR).

The CSTR reactor normally operates at steady state and as the name implies is hectic.

Therefore, the reaction conditions and therefore the conversion, remain unchanged during

Page 49: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 49

the reaction time and the reactor is homogeneous. Note that the current conditions just

outside the reactor are the same reaction conditions of the mass.

The main equations of CSTR reactor design, derived from molar and heat balances, can

be expressed as:

1.2.3. Tubular Reactor.

The tubular reactor normally operates at steady state. When the reaction mass flow along

the reactor will produce the chemical reaction, thus the conversion increases with the axial

position while the reaction occurs.

Ideally the flow conditions of reaction and does not vary in the radial direction in a plane

normal to the flow area. Thus if one system is taken as the volume of the reactor element,

of very small length in the axial direction, it can be concluded that it is a continuous

differential reactor and homogeneous and stable conditions. This volume element

complies with the characteristics of a CSTR reactor.

Equations main tubular reactor design derived from the heat balance and molars can be

expressed as:

1.3. The reactor design.

The design goal is to specify size, timing, flow, temperature, pressure, concentration, and

materials as necessary for the production of a substance which meets certain conditions

stable quality.

For the production of polymers, these specifications are concerned mainly with the

average molecular weight and molecular weight distribution, since for a given material,

these parameters define largely processability and mechanical properties of the final

product. In the case of emulsion polymerization and suspension, can also be of interest to

obtain a particular particle size distribution.

Page 50: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 50

For design specifications, essentially requires a mathematical model that simulates the

process being simple enough to be solved. To raise the mathematical model requires

knowledge of the kinetics, stoichiometry, thermodynamics and physical chemistry of the

process.

The kinetics must provide a simplified mechanism of the reactions that occur, which can

be derived the rate of the reaction equations, namely the dependence of the rate of

change of the concentration of each species with temperature, the concentration, density

and Sometimes pressure.

By referring stoichiometry is possible concentrations and rates of change of concentration

of all species participating in a reaction with respect to a single species of reference. This

avoids unnecessary handling a number of equations.

The thermodynamic analysis to calculate the direction of chemical change that may occur

under certain conditions of temperature and concentration of the reaction mass, the

maximum extension reaction from the equilibrium points, and the heat of reaction.

Complementing the physicochemical can meet variations relations and physicochemical

properties of transport (density, heat capacity, viscosity, mass transfer coefficients and

heat, etc.) with the temperature of the system.

With this basic knowledge is necessary to raise the balance equations, the equations of

conservation and change. These, the instrument par excellence of chemical engineers, are

expressions of the laws of conservation of matter and energy. They are therefore universal

equations. They can be considered as the fundamental equations of modeling and

simulation because it actually describes the general mechanism of the processes as we

understand them today. The equation of conservation of matter and not applied to the total

mass unless reference to a type of change is called the equation molar balance. The

general equation of energy conservation can be simplified in most engineering processes

of interest, as in the case of the production of polymers to be limited to exchanges of

mechanical energy change constitutes calls equations of motion, Bernoulli or other forms.

To apply the balance equations must select a part of the universe, analyzed, and an

appropriate entity. The object is the system, the entity can be the total mass, a species,

energy, momentum, etc.. By suitable to be understood, that the balance equations apply to

selected object and entity, arising out useful information for design.

The overall balance equation can be expressed as:

In attempting to quantify each of the summands of the balance equation, it will justify the

aforementioned importance of ancillary disciplines. The design equations presented above

(1), (3), (5) are expressions of molar balance in each of these systems, and the equations

(2), (4), (6) are expressions heat balance thereof.

Page 51: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 51

Thus raised basic mathematical models simulating the reactors is needed to solve them. Is

the contribution of mathematics.

It remains to make the interpretation of results. Previously the system has been selected,

the body, the process configuration and other elements of creativity. To make all this

possible, to enable the design, it requires imagination, ingenuity of the engineer.

1.2. DESIGN polymerization reactors.

1.2.1. Features polymerization processes.

The title of this paragraph and suggests a question: Is it justified particularize in the design

of polymerization reactors, differentiating them from reactors which produce low molecular

weight substances?

Maybe so the fundamental principles and basic methodology of design are the same, but

the polymerization processes present a set of kinetic, physicochemical and quality

parameters, which when taken together lead to the formulation of mathematical models

peculiar polymerization processes .

These characteristics can be summarized as: highly exothermic reactions, obtaining a

product whose molecular weight is not a fixed value but it is better suited to a distribution

whose average and dispersity depends on each system, difficulty performing unit

operations after obtaining product and marked effect of the food composition and

operating conditions on the average and distribution of molecular sizes.

The heat released is especially high in addition polymerizations (H = -83.7 kJ / mol). To

maintain control of the temperature of the reaction system to proceed, it is necessary to

transfer to the surroundings a high amount of heat energy from a low heat capacity

medium whose viscosity is increasing while the transmission coefficients heat decrease. It

is very important to control the temperature in cases in which influences the molecular

weight and molecular size distribution, in other cases can induce degradation of the

product or impede the polymerization process ("ceiling temperature").

The distinctive feature of the polymerization reactions is to produce, entérminos of

molecular size, not one but a product which can vary in distribution and average dispersity

as the case of polymerization and process design. Virtually an infinite series of molecular

size, which decisively influences on the physicochemical properties and mechanical

transport of the reaction mass so as the final product.

Usually this is the most important feature in the design and control of a polymerization

process.

As just discussed, the physicochemical and transport vary during the course of

polymerization. The viscosity in a bulk polymerization process can be increased in three or

more orders of magnitude. A drastic change in viscosity significantly affects the mass

transfer coefficients and heat, as well as power requirements on the shaker. They also

Page 52: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 52

vary, although in these proportions, other properties such as heat capacity and density.

About the variation of the overall viscosity of the mass during the polymerization, it is

important to note that its magnitude can be reduced substantially if a process is employed

in virtually eliminated solution and emulsion or suspension.

Another feature of the polymerization process, which causes also relate to the molecular

size is the difficulty of applying the obtained product unit operations.

The removal of residual monomer, solvents or plasticizers, changing particle size, are

difficult to make and therefore economical and ecological reasons, there is a need of a

very strict control of the process. As distillation operations are virtually impossible, but

others may be a very high cost.

The operation control of the polymerization process is even more challenging considering

that the marking effect of the food composition may have on the average molecular size

and distribution of the final product: the concentration of the initiator in their chain, the

relationship stoichiometric functional groups in batch reactions, the presence of impurities

which may act as chain transfer agents or chain terminators, etc. Only a very small

proportion of these disorders have a major effect on the molecular size.

Despite the difficulties, there are more than 140 million tons of polymers in bulk, solution,

suspension, emulsion, and reaction injection mold, solid, plasma, etc., Using reactors that

can be reduced to the following types described or combinations.

1.2.2. General strategy design.

In this paragraph we propose a general procedure outline design of a reactor, previously

assuming that the polymer is chosen to produce, the production mode (mass, solution,

etc..) and the type of reactor. The last two factors are part of the complete design process,

but fall outside the scope of this presentation.

The reactor design steps can be summarized as polymer to produce knowledge,

knowledge of the reactions or polymerization simplified mechanism, a mathematical model

approach, the same solution and interpretation of the results.

To produce polymer and monomer and solvents or other means if any, must be known

physicochemical properties and transport and care to be observed in storing and handling

them.

It should also known polymerization mechanism as simple as possible but allows to raise

the kinetic equations of reactions occurring.

Then the same is required balance equations, taking into consideration the properties of

the monomer and polymer, the kinetic equations and the type of reactor design. All these

equations is the mathematical model design.

The model must be solved. And it is a combination of science and art.

Page 53: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 53

Generally a complete model, "strict", it is very difficult to solve even with the aid of

computers. The first step is to simplify the model solution, make it more restricted but it no

longer reflects or simulate the real process. There's the art experience. Finally the

equations are solved in terms of the variables of interest. In the case of polymerizations

may be the molecular size parameters as a function of reaction times and flows,

concentrations and temperatures.

The results, of course must undergo analysis to capture the forecasts implicit in the

results.

1.2.3. Illustrative examples.

To illustrate the concepts presented use reactor design examples for some simple cases

and somewhat idealized, but saved enough resemblance to reality. For example, in all

cases we assume that the kinetic constants are independent of molecular size. Analyze

the case of isothermal processes by which does not include heat balances. The models

developed processes are especially applicable to mass, but can easily be extended to

processes in solution and in suspension, including the molar balance of the solvent or

suspending medium respectively.

1.3. Polymerization reactors. Modeling and design.

The complex comprises polymerization reactions leading to the formation of complex

molecular structures.

The conditions under which it is carried out the polymerization has a large effect on the

chain length, degree of branching, the composition distribution of the copolymer sequence

distribution with the copolymer and other molecular structures measures directly affecting

its final properties. The latter are difficult to reach because of the variety and complexity of

the microstructure.

Below is shown in Figure 1, a scheme where variables represent a polymerization

process.

Page 54: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 54

Fig. 1 - Variables polymerization process

From all this, it follows the importance of the modeling of the microstructure of the

macromolecules produced in polymerization reactors. The details of the polymer

microscopy determine the product properties.

It is clear the need to unite the tools scientists in the field of polymers and engineer, to

improve both the production process and the final properties of the polymer

The polymerization reactions engineer must not only meet specific ratios, yields and

purities, but also to obtain a product with certain features of processing and final properties

that are, in practice, the actual operation steps of the polymerization reactors.

The availability of a mathematical model that accurately predict molecular properties of the

polymer produced in one reactor has a great economic importance. The key to making a

good model is described mathematically chemical and physical phenomena of the

process, obtaining the necessary balance of matter, energy and time. This description

implies nonlinear equations (algebraic, differential, etc.).

The main problems that arise when doing modeling for polymer production are:

• An understanding of the polymerization reactions. The kinetics of polymerization

are complex due to the number of different reactions as they occur are strongly

influenced by physical changes in the system, such as increased viscosity. The

combination of large increases in viscosity and the involvement of long chain

molecules in the reaction leads to diffusional control of some reactions. The spread

Page 55: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 55

can then determine the reaction rate and establishing a direct relationship between

the polymer physics and kinetics of polymerization.

• The ability to measure and characterize all the variables that influence the quality

of the polymer.

• The development of models based nonlinear predictive controllers.

According to Ray (1986), the different physical and chemical phenomena that occur in a

polymerization reactor can be classified into the following levels of modeling:

• Modelling "chemical-kinetic" (micro).

• Modelling "physical-transport" (mesoscale).

• Modelling "dynamic-reactor" (macro).

MICROSCALE

Based on the modeling of kinetic mechanisms in chain reactions (eg growth, branching,

chain termination, etc..).

Mathematical modeling of polymerization kinetics microscale level has been subject

numerous publications (eg Achilias and Kiparissides, 1992).

MESOSCALE

The phenomena of the interface (thermodynamic equilibrium, kinetics, etc..), Intrafase

(heat and mass transfer between different phases), and the "micromixing", play an

important role and can influence molecular and morphological properties. The modeling of

this type depends on the specific design of the process operation.

MACROSCALE

It has to do with the development of models describing: phenomena "macromixing" in the

reactor, global balances of mass and energy, heat and mass transfer, reactor dynamics

and control.

In short, for optimal modeling of a polymerization reactor should include appropriate

models that represent all the physical and chemical phenomena that occur at three scales

mentioned above.

In industrial chemical processes batch or continuous type, the use of computers is being

implemented for quite some time, because they help to operate with increased stability,

security, improve productivity, quality, reduce environmental impact and improve

conservation energy.

Although the computer control has been applied to the polymer industry for 25 years, the

application of advanced control extrategias polymerization reactor is limited to control the

temperature and pressure.

Page 56: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 56

As causes of lack of progress in the quality control of polymers can be enumerated as

follows:

1. The polymerization reactions are highly non linear process (parameter variation

with time).

2. The molecular properties (eg, # average molecular weight and copolymer

composition, ...) often evolve in opposite directions manipulated control variables

(eg temperature, dimensionless concentration of initiator, ...).

3. Lack of action "on-line" delays the characterization molecular properties of the

polymer quality.

Then, a smart production of polymers includes: mathematical models of the process,

advanced sensors, statistical approaches and advanced process control.

As discussed above, the choice of one or other type of reactor, and agitation rate,

influence the structure of the polymer and because of this, on its final properties. The

sizing of the reactor is based on the polymerization rate of the pilot plant. The choice

depends on the type of reactor kinetics and economic considerations.

The batch type reactor configurations are commonly used. However, continuous

processes are more economical than previous without downplaying semibatch processes.

Four categories of polymerization reactors:

• Batch

• semibatch

• Plug flow (tubular)

• Stirred Tank (continued)

Batch

This type of reactor is the most versatile and has been widely used, especially for

polymers of low production. Possesses stirrer, cooling jacket and a reflux condenser (for

the case of polymerizations "growth step")

Their size ranges from 5 gallons (pilot plant) to 30,000 gallons. Constructed of carbon

steel, glass and polymer may be coated. The polymerization heat exchange is performed

through a cooling jacket.

It has the advantage of accommodating multiple products. Reagents are added to start

polymerization. Thus, the polymerization rate changes over time while the dimensionless

concentration of reactants decreases. High conversions are obtained

Batch reactor design will be based on estimates of polymerization times from pilot plant

data and / or simulation studies. When the "scale-up", particular care must be in turmoil

and heat transfer.

Page 57: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 57

They are used for obtaining Nylon 6, phenolic resins, urea-formaldehyde, melamine-

formaldehyde, have been replaced by continuous reactors because of its greater capacity.

Semibatch

Here, the reagents (in the case of formaldehyde resins formofenólicas) or initiator (free

radical polymerizations) are added during the course of polymerization.

In the case of the condensation polymerization product of condensation is continuously

removed (water) to direct polymer toward the reversible polymerization rather than towards

the monomer.

Using such a strategy, process designer gives the extra degrees of freedom: development

of standard operating procedures and decision control actions to correct deviations from

normal operation.

The semibatch copolymerization is performed to maintain constant the composition of

copolymer when the comonomers have varying reactivities bit. Addition of initiator in the

form semibatch, is performed to maintain control of temperature and addition of initiator or

chain transfer agent is also used to maintain the desired molecular weight distribution.

Plug flow

In this type of reactor, the mass of reactants is pumped through the tube at a rate such

that the reaction occurs as desired.

Each element of the reaction mixture is identified as a single batch reactor.

This gives high conversions and high molecular weights. They have low economic costs.

Tubular reactors are applicable in large volumes polymerizations and have excellent

properties in heat transfer. On the other hand, are vulnerable as they can be obstructed by

small amounts of polymer. It will have to be considered for this case: agitation, diffusion,

molecular weight distribution and fouling factor of the reactor walls.

The temperature along the reactor is controlled by cooling jacket.

For viscous solutions at low speeds occur wall.

Studies on the deviation between tubular plug flow and polymerization have been done by

Hamer and Ray (10).

They are used in the production of Nylon 6 and 66.

Stirred tank (continued)

In such reactors are continuously fed reagents and products obtained continuously to

ensure that the system remains stationary.

Its use is justified for high volume products. High yields are obtained with low cost process.

Page 58: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 58

The polymerization rate is constant and contributes to the homogeneity of the product, but

can be overridden by the homogenization not produced by the wide distribution of

residence times.

As the rate of polymerization varies with operating conditions, such systems can be sized

for the polymerization rate in the design conditions. In practice using a train of reactors of

equal size to minimize the complexity in the design followed by a tubular reactor.

In Figures 2,3 and 4 shows different types of polymerization reactors.

Fig. 2 - First reactor for the production of phenolic resins.

Fig. 3 - Typical reactor for the production of amino resins.

Page 59: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 59

Fig 4. - Continuous Polycondensation Reactor (Courtesy company LIST).

1.4. TECHNICAL SPECIFICATIONS FOR DESIGN OF polymerization reactors.

For processes of high viscosity at high temperature reactors standard or customized

according to DIN or ASME, with heating / cooling and agitation systems custom designed

for polymerization processes.

Mechanical Design

• ASME VIII Div.1 - AD-2000 - IN-13445 - DIN-28136

• Automated Calculations: Microprotol / Compress / PVElite

• Design by finite element (FEA)

• Design for earthquake and wind according to local regulations

• Calculation of fatigue cycles of pressure and temperature

• agitator design process simulator software

Page 60: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 60

Features

• Available volumes from 5 liters to 300 m³

• Design a full vacuum and pressure up to 50 bar (g)

• Temperature from - 50 to + 400 ° C

• Designed to work pressure and temperature cycles

• Heating / cooling jacket, half-round or dimplate

• Heated indoor coils or baffles / chilled

• Agitators axial flow, radial and combined dual flow

• Agitation in turbulent or laminar, up to 2,000,000 cps

• Powers up to 300 KW

• Certificate 'CE' as Security Directive 98/37/CE

Options

• Mechanical interior Pulido, from Ra ≤ 1.2 microns to 0.2 microns Ra ≤

• Electropolishing inside as option

• Systems CIP-SIP, Riboflavin be validated by test

• Agitators with hydraulic

• Thermal insulation lining waterproof with welded stainless

• Agitators with single and double mechanical seals

• Mechanical seals pressurized by nitrogen 'no touch' as an option

• Performances officially certified ATEX Zone 0/20 inside

• Automatic loading of solid dosage

• Weighing Systems

• Systems and reflux condensation

• Vacuum Systems

Applications

• Adhesives

• bakelite

• Rubbers

• Hot Melts

• Latex

• Methacrylate

• Nylon

• Plastics

• Polyamides

• Polietielenglicol

• Polyesters

• Resins

• Silicones

Page 61: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 61

Construction Materials

• austenitic stainless steels

• Stainless steels superaustenitic

• Duplex and super duplex steels

• Nickel Alloys and Superalloys

• Titanium

• Cladding

Page 62: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 62

CHAPTER 2

ACCESSORIES POLYMERIZATION REACTOR.

2.1. Solenoid water valves

A solenoid valve is electrically operated device used to control flow of liquids or gases in

fully open or fully closed. Its basic function is the same as a manually operated shutoff

valve but being electrically actuated. It can be installed in remote locations and can be

conveniently controlled through simple electrical switches.

The use of the solenoid valve is to control the flow of different fluids, giving due

consideration to the pressures and temperatures involved, the viscosity of the fluid and the

adaptability of the materials employed in constructing the valve.

Its operation is feasible by means of thermostatic switches, float, low pressure, high

pressure, clock, or other device that opens or closes an electrical circuit. Is a valve which

closes by gravity, by pressure or by the action of a spring, and is opened by movement of

a piston operated by the magnetic action of an electrically energized coil or vice versa. A

solenoid valve is composed by two parts plaintiffs: an electrical coil or solenoid and valve

body.

A wide variety of types of solenoid valves, which can be divided according to its

application, its construction and shape. Depending on their application, ie the ability of the

system to be installed where the valve is generally classified into two types: 1) direct

action, and 2) Pilot Operated.

As to its construction, the solenoid valve can be: 1) normally closed, 2) normally open, and

3) multiple action.

By the way, there are three types of common use solenoid valve: 1) Two-way, 2) Three-

way and 3) or four-way reversible. Similarly solenoid valves may have combinations of the

above mentioned types. For example, pilot operated valves are normally open and

normally closed.

Page 63: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 63

2.2. Check Valve

Check valves, also called retainer or valves, are intended to prevent discharge of water

towards the pump, it prevents damage by the reverse rotation of the pump, and prevent

emptying of the pipe allowing the placing up of the system is faster and safer also protect

the pump during the overpressure.

This valve acts automatically by the action of the pressures in both directions enabling the

closing and opening.

No maintenance, only occasionally check if locks.

Located immediately after the pump or eccentric expansion cone.

2.3. Three-way valves

In sprinkler systems, three-way valves are mainly applied in the sand filter backwash when

installed at least two of them in parallel, can be actuated manually, hydraulically or by

electric solenoids. To automate the filtering diaphragm are used while for manual

operation can be used 3-way valves ball in "L".

Page 64: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 64

In drip irrigation systems with hydraulic control valves, small valves used 3 way to send the

signal from the pump station to the valves.

2.4. Globe valve

Globe valves are unidirectional, the closure is achieved by means of a disk or plug which

closes or cuts the flow of fluid, are used to regulate or restrict the flow of water. Can be

operated continuously. They are constructed such that when the flow passes, a change in

the direction and increases its resistance gradually according to the position of closure.

For diameters greater than 300 mm, these valves are rarely used because of the large

effort required to operate them.

They have the advantage of efficient strangulation with minimal erosion or disk seat and

disk sprint few laps to power them, which reduces the time and wear on the stem and the

bonnet, precise control of the movement.

Maintenance.

We must open valve slightly to expel foreign bodies from the seat, tighten the packing nut

to fix leaks immediately.

The major disadvantage of this valve is the high pressure loss, as seen in the table the

coefficient K and its relative high cost.

Page 65: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 65

2.5. TEMPERATURE TRANSMITTER

Temperature transmitters are used to transmit the measured temperature as an analog

signal to a receiver. Temperature transmitters transmit a measured temperature as a 0/4-

20 mA analog signal to a receiver. The receiver is typically an electronic controller or PLC

(Programmable Logic Controller).

PT & NTC: PT, the terms and abbreviations for NTC temperature are positive and

negative, and if the resistance described in the resistor increases or decreases when the

temperature increases. If the resistance sensor is connected directly to the receiver, also

be measured cable resistance between the two components giving a false reading. The

error depends on the length of the cable and the room temperature.

USE: The temperature transmitters are used to prevent loss of tension or when a controller

or PLC can not directly measure the signal from a sensor resistance.

2.6 Pressure Transmitter

The measurement and transmission of pressure plays a key role in the control and

monitoring systems pump / fan in order to obtain a predetermined pressure at a given

instant.

Pressure transmitters measure pressure transmitted as an analog signal to a receiver 0/4-

20 mA. The pressure transmitter has a piezoelectric element which generates an electrical

signal that is proportional to the pressure.

The receiver:

The receiver is typically an electronic controller or PLC (Programmable Logic Controller). A

PLC is a small computer which is normally not capable of directly measuring electrical

signals from a sensor.

Page 66: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 66

If the piezoelectric element is connected directly to the receiver, also be measured cable

resistance between the two components giving a false reading. This error is dependent on

the cable length and temperature.

Employment:

Pressure transmitters are used to prevent loss of pressure or when a controller or PLC can

not directly measure the signal from a sensor resistance.

2.7. I / P converter

Instrument that receives standard andthe sends a signal in the form of modified standard

output signal. It differs from a transmitter or transducer, in that the measured variables

converter not directly, but only manipulates pressure current signal, is similar to an

electronic pressure transmitter ranges and are the same standard signal (3-15 psi and 4-

20 mA).

Operation:

The apparatus is comprised of a converter unit I / P, which operates according to the

system of compensation of forces and a volumetric flow amplifier connected downstream.

Page 67: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 67

The DC input (4) passes through the coil (2) located in the field of a permanent magnet

(3). In the rocking lever (1) counteracts the force of the coil, proportional to the electric

current, with the dynamic pressure force produced by the collision of the air jet exiting the

nozzle (7) against the plate rebound (6).

In the following table are the standardized values for a given power output is a standard

pressure:

3 psi 6 psi 9 psi 12 psi 15 psi

4 mA 8mA 12mA 16 mA 20mA

This table can take a little formula, the formula would be:

Page 68: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 68

Page 69: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 69

CHAPTER 3

CONTROL STRATEGIES AND PID CONTROLLER

3.1. Cascade control

The cascade control strategy is a significant improvement, in some applications,

performance, showing a feedback control which has been known for some time.

Computers allow implementing cascade controls are simpler, safer and less expensive

than those obtainable by using similar instrumentation.

Therefore, the availability of computers has provided that cascade control is implemented

now much more than before, when only analog instrumentation was used.

3.2. Reaction process with preheating

Figure 3.1 is considered a preheated oven where component A is fed to a reactor to

convert it into B by reaction. The reaction is exothermic and the heat released is removed

by a cooling fluid flowing through the jacket surrounding the reactor.

The control variable is considered as important, is the temperature in the reactor, TR, and

the control strategy implemented as variable to manipulate the flow of cooling fluid through

the jacket. The reactor inlet temperature was controlled by manipulating the flow of fuel

used in the kiln. It was noted during the commissioning of the process showed that the

liner not the capacity required for cooling, the valve regulating the flow of cooling fluid

remained open most of the time. Therefore, it was decided to open the valve and to control

Page 70: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 70

the reactor temperature by manipulating the flow of fuel to the preheater as shown in FIG.

The strategy worked well enough to show good automatic control during commissioning.

Once the process was underway, the process engineer often observed that the reactor

temperature deviated considerably from the desired value causing the product was

obtained out of specification. After checking the tuning of the feedback controller to ensure

that the performance obtained was the best, the engineer began to look for possible

disruptions. Several mismatches were found around the same reactor (temperature and

cooling fluid flow and others) as well as in the oven (temperature variations in input A, the

calorific value of the fuel, air inlet temperature of combustion, etc.). Furthermore, the

engineer observed repeatedly in a moment, the temperature of the reagent to the

preheater inlet varied by as much as 25 ° C, a substantial mismatch.

It is simple to realize that the effect of a mismatch in the furnace stack causes a change in

the temperature thereof leaving the reagent, TH, and this in turn affects the temperature in

the reactor, TR. When the controller determines the TR error, manipulates the signal

regulating valve through which fuel flows. However, with too delays in the oven-reactor

process, it will take a considerable time for the temperature in the reactor reaches the

desired value again. Because of these delays, the simple feedback control shown in the

figure, will result in an overall cyclical control and slow.

A superior control strategy can be designed using the fact that the imbalances in the oven

first affect TH. It is logical, therefore, manipulating the throttle starting fuel flow as soon as

the variation is determined in TH before start changing TR. That is, the idea is not a bug in

TR expected to begin changing the manipulated variable. This control strategy utilizes an

intermediate variable, in this case TH, to reduce the effect of some dynamics in the

process.

This strategy consists of two sensors, two transmitters, two drivers and a control valve. A

sensor measures the secondary endpoint or intermediate, in this case TH, and the other

sensor measures the primary control variable, TR. To repeat, the furnace outlet

temperature is used as an intermediate variable to better control the reactor temperature,

which is the major target of control (control variable).

The strategy works as follows: TC101 controller reports on the reactor temperature and

decides how to handle the furnace outlet temperature to meet its desired value. The

decision is transmitted to TC102 as the desired value and this in turn manipulates the

signal transmitted to the valve through which fuel flows to maintain a desired value TH

required for TC101.

If one of the aforementioned mismatches occur in the oven, TH deviates from the desired

value and TC102 take appropriate corrective action, before TR switch. Therefore, the

dynamic elements of the process are separated to compensate for mismatches in the

furnace before they affect the primary control variable.

In general, the controller maintains the primary endpoint in the desired value is known as

the master controller, external or primary. The controller used to maintain a secondary

Page 71: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 71

endpoint in the desired value required by the master controller is usually known as the

slave controller, internal or secondary.

3.3. Proportional Integral Derivative

A PID (Proportional Integral Derivative) is a feedback control mechanism that calculates

the deviation or error between a measured value and the value to be obtained, to

implement corrective action to adjust the process. The calculation algorithm of PID control

is given in three different parameters: the proportional, integral, and derivative. The

Proportional value determines the reaction of the current error. The Integral generates a

correction proportional to the integral of the error, it assures us that applying a sufficient

control effort, the tracking error is reduced to zero. The reaction Derivative determines the

time at which the error occurs. The sum of these three actions is used to adjust the

process via a control element as a valve position control or the power supplied to a heater,

for example. Adjusting these three variables in the PID control algorithm, the controller can

provide a control designed for what needed to perform the process. The response of the

controller can be described in terms of control response to an error, the degree to which

the driver reaches the "set point", and the degree of system oscillation. Note that the use

of PID control does not guarantee optimal control system or stability. Some applications

may only require one or two ways of providing this control system. A PID controller can

also be called PI, PD, P or I in the absence of the respective control actions. PI controllers

are particularly common since the derivative action is very sensitive to noise, and the

absence of the comprehensive process may prevent the desired value is reached due to

the action of control.

Practical examples

They want to control the flow of an input stream in a chemical reactor. Firstly one has to

put a flow control valve of said flow, and a flow meter in order to have a continuous

measurement of the circulating flow value. The controller will monitor the rate of flow is the

flow established by us that when an error is detected, will send a signal to the control valve

so that this will open or close correcting the measured error. And thus we have the desired

flow and necessary. The PID is a mathematical calculation, which sends the information is

PLC.

Page 72: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 72

They want to keep the internal temperature of a chemical reactor at its reference value. It

should be a control device of temperature (may be a heater, electrical resistance, ...), and

a sensor (thermometer). The P, PI or PID will be monitoring the variable (in this case

temperature). The moment that this is not the correct alert the control device so that this

act, correcting the error. Anyway, the right thing is to put a PID, if it is noisy, a PI, but P

does not serve us much since it would correct to the exact value.

Applications / Example

A very simple example that illustrates the basic functionality of a PID is when a person

enters a room. Initially open the hot water faucet to increase the temperature to an

acceptable value (also called "Setpoint"). The problem is that there may come a time when

the water temperature exceeds this value so the person has to open a little cold water

faucet to counter the heat and keep the balance. Cold water is adjusted to reach the

desired temperature. In this case, the human is the one who is exercising control over the

control loop, and is the one making the decisions to open or close any of the keys, but it

would be great if instead of us, was a machine which make the decisions and we want to

maintain the temperature.

This is the reason that the PID loops were fabricated. To simplify the work of operators

and exercise better control over operations. Some of the most common are:

• Temperature Ties (air conditioners, heaters, refrigerators, etc..).

• Ties Level (Level in liquids such as water tanks, dairy blends, oil, etc.).

• Pressure loops (to maintain a predetermined pressure in tanks, pipes, containers,

etc.).

• Flow Loop (keep the amount of flow in a line or tube).

Page 73: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 73

CHAPTER 4

ANALYSIS PROCESS CONTROL POLYMERIZATION REACTOR N° 2. AREA

CHEMICAL - PVC PLANT.

SOCIEDAD PARAMONGA LTDA.

4.1. Process variables:

• Temperature

• Pressure

4.2. Process Description:

The polymerization process in the area of PVC Chemical Society Paramonga plant begins

with the introduction of the raw material (PVC polymers and other chemical additives) to

then by actuating the mixer (Mixer) is to start a chemical reaction which brings a result of

temperature increase inside the reactor, the TIC23 this setpoint set at 65 ° C, which is why

the aim is to maintain the mixture at that temperature for an abrupt increase and damage

the raw material unusable. When it reaches the setpoint (through a baffle of

thermocouples inside the tank with the PVC polymer) in the driver TIC23, this sends a

signal to the controller cascaded TIC24 which sends a signal to the i / p and this in turn will

send a signal TCV22 pneumatic valves (7-11 PSI for cooling water ingress), TCV23 (3-7

PSI for entering cooling water) or TCV24 (11 to 15 PSI for the entry of water vapor); if it

exceeds the temperature, a signal is sent to the cooling water ingress if this cooling

because the temperature drops much, the controller sends a signal to the steam valve

allow access and the temperature stabilizes at the setpoint. If there is an abrupt rise in

temperature, the controller activates the cooling water valve. Note that when entering

steam, this cooling water ejected or cooling in the tank, sending the signal through

comparison of the selector SW1 (compared to the cooling water inlet line (TT24) with

water when exiting the reactor type steam) finds that the water is at 80 ° C, if this is true, it

sends the cooling water from the well, otherwise not meet this match condition, sends it to

the cooling pit.

As a safety measure, the TT24 sends a signal to the 187 ° F (86 ° C) when the

temperature in the water entry exceeds this, cutting off the supply of steam in the system.

Page 74: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 74

At the end of the reaction and having obtained the desired mixture, the system shuts

down.

This was a clear example of how you can make a simple, accurate control in a polymer

reactor, safety measures and improved ability to remain.

ATTACHED DIAGRAM P & ID

Page 75: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 75

CHAPTER 5

SCADA SYSTEM IMPLEMENTATION

5.1. PC SELECTION OF SUPERVISION

A typical monitoring PC has the following characteristics:

• Monitor 17 ".

• Intel Core 2 Duo 3.16 GHz

• Video Card 1 GB

• 150 Gb hard drive for data storage and alarm and historical records.

• 3 Gb RAM

• Operating System Windows 7 32-bit operation.

• LAN Card.

• Internet access.

Specifications are for the correct operation of the software elements, such as SCADA,

programming software, communications, etc.

5.2. SCADA SOFTWARE SELECTION OF SUPERVISION

Wonderware InTouch HMI.

InTouch software provides graphical display functions capabilities leading operations

management, control and optimization to a whole new level. That which is now known in

the industry as HMI (Human Machine Interface) began more than twenty years with

InTouch software. No other HMI on the market can match InTouch software in terms of

innovation, architectural integrity, device connectivity and integration, migration path of

software versions without interruptions and ease of use.

This results in standards-based systems that allow to maximize productivity, optimize user

effectiveness, improve quality and reduce operating costs, development and maintenance.

Page 76: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 76

According to the user manual INTOUCH, has the following features:

• Provides a set of tools that make the work of managers, operators, supervisors and

engineers more friendly and easy to develop or operate the applications of

automated process control.

• Displays (unchanged) data from the production area of a plant or process in real

time from a PC connected to a local area network (LAN), also provides a useful

tool is to allow developers to create their own pre-configured objects (Wizards).

• INTOUCH allows end user-friendly interfaces, not only for designers but for anyone

who needs to operate the system, another advantage offered by InTouch is that

you can connect to SQL modules that satisfy the needs of requirements a variety of

reports in the industry especially at a management level.

Benefits

• Ease of use that allows developers and operators be more productive to simply

and quickly

• Greater integration of devices and connectivity to virtually all devices and systems

• Its graphical capabilities and allow interaction with its operations deliver the right

information to the right people at the right time

• Migration of software versions without interruption, which means that the

investment is protected HMI applications

• Capabilities

• Resolution independent graphics and intelligent symbols that visually bring life to

your installation directly on the computer screen

• Sophisticated scripting to extend and customize applications according to their

specific needs

• Alarms distributed real-time historical visualization for analysis

• Graphing historical trends and real-time integrated

• Integration with Microsoft ActiveX controls and controls. NET

• Library extensible with over 500 pre-designed objects and graphics, "smart" and

customizable

Page 77: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 77

SCADA SYSTEM DESIGN

Based on the diagram P & ID system, SCADA system was structured, which has the

following structure:

Note that to be a simulation, data were used entirely "Memory Discrete and Real Memory".

SCREENSHOTS ATTACHED APPLICATION.

• User: JCALDERONC

• Password: INDUSTRIAL

Logueo

• P&ID

• Real Time Trend

• Control Panel

• Indicators

Screen of Process • Historic Trend

• CSV (Excel files)

Historics

Page 78: Monografia Final Instrumentacion Industrial

REACTOR DE POLIMERIZACION

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL 78

CONCLUSIONS

• identified that the control system is closed and the controlled variable is

temperature.

• Was clearly evident in the technical implementation of cascade control for proper

operation and simplification of control functions in the polymerization reactor.

• Identification of industrial instruments used is crucial for the correct modeling of the

production process.

• Control system installed is oversized in order to allow a future business add other

control elements of the system as found appropriate.

• For the future implementation of the system is given control planes to facilitate the

work of the musicians, thus reducing the possibility of failure in the implementation.

• We used correctly and in a large percentage capabilities provided by Wonderware

InTouch software with ArchestrA technology for monitoring SCADA system, the

model reflects the diagram designed P & ID system.

REFERENCES

• Modern Control Engineering. (Ogata)

• Heat transfer processes DONALD Q. KERN, 1999

• Practical Industrial networks: design, installation and troubleshooting; MacKay,

Park, Wright, Reynders, 2004.

• http://instrumentacionycontrol.net/instrumentacion/itemlist/category/15-

transmisores-y-equipos.html