Columna de Destilación Binaria
- Descripción del Proceso
La columna de destilaciónn binaria que se considera es la denominada
Columna A, originalmente modelada por S. Skogestad y M. Morari en
[1], y que también puede encontrarse en el libro [2] de Skogestad y Postlehwaite.
La información detallada de la columna, junto con los modelos Matlab/Simulink de
la misma desarrollados por el Prof. S. Skogestad, pueden encontrarse en el siguiente
link.
La columna tiene 40 platos y produce la separación de una mezcla binaria con una
volatividad relativa de 1.5, en productos con un 99 % de pureza. El modelo se
realizó basándose en balance de masa y balance de energía en estado estacionario,
y consiste de un conjunto de ecuaciones diferenciales algebraicas
no lineales. Las siguientes hipótesis fueron usadas para la construcción del modelo: mezcla
binaria; presión constante; volatividad relativa constante; equilibrio en todas
las etapas; flujo molar constante; no existencia de vapor holdup; dinámica de líquido
linealizada, pero que afecta al flujo de vapor (el denominado efecto "K2")
ha sido incluido. La columna tiene 40 platos, un recalentador en
la base y un condensador del flujo de salida en el tope de la
columna. Un diagrama esquemático de la columna se representa en la Figura 1.
Figura 1: Diagrama
esquemático de la columna de destilación binaria.
Este proceso ha sido estudiado por diversos investigadores y representa un
problema paradigmático de control de procesos. Las entradas del
sistema son el flujo de alimentación F(feed flow rate), la
composición del flujo de alimentación zF (feed composition), el
flujo de vapor V (vapor flow rate), y el factor de reflujo L (reflux
ratio). Típicamente, las variables manipuladas son el factor de
reflujo y el flujo de vapor, en tanto que las
otras entradas se mantienen constantes, y sus variaciones
alrededor del valor nominal son consideradas como perturbaciones.
Las salidas del sistema son el flujo en el tope de la columna
D, la composición en el tope de la columna xD, el flujo
en la base de la columna B, y la
composición en la base de la columna xD. Las
salidas de interes (i.e., las variables controladas) son
las composiciones en el tope y en la base de la columna, y típicamente el objetivo
de control es lograr un determinado porcentaje de pureza en la composición
en el tope de la columna y en la base de la
columna. Este problema se conoce como problema de control de
composición dual y la configuración de Figura 1, denomina configuración L-V.
- Condiciones Nominales de Operación
Esto resulta en un producto destilado con un flujo D=0.5 [kmol/min] y composición
xD = xNT = 0.99 [mole fraction units], y un producto en
la base de la columna con un flujo B = 0.5 [kmol/min] y composición
xB = x1 = 0.01 [mole fraction units].
- Archivos Matlab/Simulink
Para simular la columna deberá bajar los siguientes archivos:
- colas_nonlin.mdl Interfase Simulink (version 5)
de la columna.
- colas_nonlin_S_4_1.mdl Interfase Simulink
(version 4.1) de la columna.
- colas_nonlin_S_4.mdl Interfase Simulink
(version 4) de la columna.
- colas.m Simulink S-function para vínculo con modelo no lineal
de la columna (colamod.m).
- colamod.m Modelo básico de la columna.
- cola_init.m Genera las condiciones iniciales
de la simulación.
- cola4.m Interfase Matlab con modelo de la columna (colamod.m).
- cola_lv.m Similar a cola4.m , pero con lazos
cerrados de control (tipo P) de nivel D y B.
La simulación de la columna en condiciones nominales de operación puede
realizarse a partir del modelo colas_nonlin.mdl.
- Referencias
[1]Skogestad, S. and Morari, M.. "Understanding the Dynamic Behavior of
Distillation Columns", Ind. & Eng. Chem. Research , Vol. 27, No. 10,
pp: 1848-1862, (1988).
[2]Skogestad, S and Postlethwaite, I.. Multivariable feedback control,
Wiley, 1996.
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