Control a Nivel de Planta del Proceso de Hidrogenación de Acetileno

Martínez Castilla, Guillermo Juan (2016). Control a Nivel de Planta del Proceso de Hidrogenación de Acetileno. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Control a Nivel de Planta del Proceso de Hidrogenación de Acetileno
Autor/es:
  • Martínez Castilla, Guillermo Juan
Director/es:
  • Rodriguez Hernandez, Manuel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería Química
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Este proyecto nace con el objetivo de diseñar y validar una estructura de control a nivel de planta del proceso de hidrogenación selectiva de acetileno. Mediante una metodología propuesta por William L. Luyben, se van tratando diferentes aspectos del proceso y su dinámica para definir la estructura de control capaz de mantener estable en el tiempo el proceso. El proceso que se ha elegido es característico por su fuerte no linealidad, además de estar sujeto a numerosas perturbaciones de diversa índole. Además, la selectividad de los reactores ha de ser muy alta, ya que en caso contrario el proceso generaría pérdidas de etileno, el producto a maximizar. Todos estos aspectos hacen que sea un proceso idóneo sobre el cual trabajar el diseño y simulación de una estructura de control. El proceso de hidrogenación de acetileno se enmarca dentro de la producción de etileno, un compuesto petroquímico destinado principalmente a la fabricación de polietileno, el polímero más utilizado en la sociedad actual. El etileno que se destina a dicha polimerización ha de ser de una calidad muy elevada, ya que el proceso por el cual se obtiene el polietileno exige una serie de condiciones infranqueables. Una de ellas es la ausencia total o prácticamente total de acetileno, un compuesto que se forma durante la producción de etileno. La vía más utilizada para la eliminación del acetileno existente en la corriente de etileno consiste en la hidrogenación selectiva. Se trata de hacer reaccionar el acetileno con hidrógeno en presencia de un catalizador sólido, de forma que se genere etileno. Sin embargo, el etileno también reacciona con el hidrógeno, dando lugar a graves pérdidas. Por tanto la clave del proceso reside en llevar a cabo la reacción de eliminación de acetileno minimizando la segunda. Para ello ha de haber un control exhaustivo de la temperatura de los reactores, siendo ésta la principal variable que influye en la selectividad. La reacción se lleva a cabo en dos reactores adiabáticos con un enfriamiento intermedio entre ambos, ya que a mayores temperaturas más probabilidad hay de que se produzca un disparo de la reacción (desencadenamiento exponencial de una reacción exotérmica), además de la hidrogenación de etileno. El siguiente paso es fijar un proceso en concreto, pues la variedad de configuraciones y condiciones de operación es enorme. Se elige una configuración Front-End, la cual se caracteriza por estar al principio de la planta de producción de etileno, estando su alimentación formada por monóxido de carbono, hidrógeno, etileno y acetileno. Aparte de los dos reactores y el enfriamiento intermedio, el proceso consta de un precalentamiento de la alimentación y un enfriamiento a la salida de los reactores. La metodología de Luyben consiste en una serie de pasos que van guiando al ingeniero de control con el fin de diseñar una estructura de control correcta para el proceso. Sin embargo, el análisis de Luyben se realiza sólo de forma teórica, aplicando ciertos cálculos analíticos y estudiando en profundidad el proceso. El problema que surge es que no se conoce su validez real en el proceso y ante diferentes perturbaciones y situaciones anómalas. Es necesario realizar una validación antes de poner en marcha la estructura en una planta real. Es en este momento donde la simulación cobra importancia, pues permite estudiar los resultados de la estructura de control de forma que se puede volver atrás a cambiar cualquier aspecto en caso de que no sea válida. Tras realizar la simulación estacionaria con las condiciones de proceso elegidas, se exporta el archivo a la herramienta Aspen Dynamics, donde se lleva a cabo la implantación de la estructura. Se introducen todos los sensores, transmisores, controladores y válvulas que se haya decidido, y se sintoniza cada uno de los lazos de control instalados, ya que el propio programa permite realizar un test sobre cada controlador de forma que calcula los parámetros del algoritmo PID (Proporcional, Integral y Derivativo) que más se ajustan a cada lazo. Teniendo toda la estructura implementada y sintonizada, se procede a la simulación dinámica del proceso. Se comprueba que la estructura es válida, siendo los tiempos de respuesta más largos. Tras la realización del trabajo se puede corroborar que la metodología propuesta por Luyben puede ser aplicable a un proceso químico con una dinámica complicada, obteniéndose buenos resultados. La estrategia propuesta a partir de dicha metodología resulta satisfactoria en todas las situaciones estudiadas. Como principal aspecto a resaltar destaca la importancia que tiene conocer el funcionamiento de un simulador dinámico de procesos a la hora de estudiar un proceso, pues ha resultado ser una herramienta clave para la correcta realización de este proceso. Finalmente, decir que el proceso de hidrogenación selectiva de acetileno puede ser estudiado con mayor profundidad o desde otros puntos de vista, no acabando aquí su análisis dinámico. Resulta un proceso tremendamente complejo y con enormes perspectivas de ser optimizado y mejorado en futuros trabajo.

Más información

ID de Registro: 42504
Identificador DC: http://oa.upm.es/42504/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:42504
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 11 Jul 2016 10:12
Ultima Modificación: 13 Oct 2016 17:24
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