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CONTROLAUTOMTICODEROCESOSIISEMESTRE 2015

ESPECIFICACIONESPARALAPRESENTACINDELPROYECTOFINAL

Introduccin

Con el fin de aplicar los conceptos del curso, se desarrollar un proyecto final grupal. El

proyecto de simulacin tiene como objetivo: aplicar y afianzar los conceptos aprendidos

durante el curso mediante el anlisis de un caso de estudio, aplicando herramientas de

software (MatLab/Simulink).

Generalidades para la presentacin de los reportes

Las condiciones para la realizacin y presentacin del proyecto son las siguientes:

La realizacin y sustentacin de los proyectos es de carcter grupal. El equipo de

trabajo no debe tener ms de 4 personas.

Como est estipulado en el programa del curso, el trabajo final corresponde a un 30%

de la nota de la asignatura. Dicho porcentaje ser dividido equitativamente entre 2

entregas y la sustentacin final de los resultados. La sustentacin ser privada, a cada

grupo se le asignar una hora para la evaluacin.

Los reportes deben contener los elementos necesarios de acuerdo a la temtica

mnima exigida (presentada abajo). La extensin mxima de cada reporte ser 10

hojas usando un formato compacto legible. Cada informe debe contener una

pequea introduccin, temas particulares, anlisis de resultados y conclusiones. Para

el planteamiento del problema y anlisis de resultados es de vital importancia la

revisin bibliogrfica y respectivas citas segn estndares (ej: Harvard o IEEE).

Elementos complementarios debern presentarse como anexos, sin superar 3 hojas. Los reportes debe ser entregados digital e impreso, acompaado de los programas

desarrollados en el software recomendado. Los programas presentados deben estar

documentados y ser ejecutables.

Las fechas para la entrega de los reportes sern divulgadas en clase de acuerdo con el

avance de la temtica.

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A pesar que todos los grupos de trabajo tienen mismo caso de estudio, las soluciones

a encontrar pueden ser diferentes debido a que cada grupo plantear su propio

problema de control. Esto se basa en el entendimiento del proceso que alancen

durante su ejecucin. La calidad y profundidad de los reportes tendrn gran

influencia en la calificacin.

a Contenido del primer avance:

La cobertura de esta entrega es el modelamiento y anlisis en lazo abierto del caso de

estudio. Este reporte debe contener cmo mnimo la siguiente informacin: descripcin

detallada del proceso, diagrama de caja negra, seleccin del volumen de control, anlisis e

implicaciones de las suposiciones, planteamiento de ecuaciones de conservacin y

ecuaciones complementarias, anlisis dimensional, anlisis de grados de libertad,

representacin del sistema en espacio de estados y el dominio de Laplace (derivacin manual

y validacin en Matlab), simulacin esttica (anlisis del proceso) y anlisis dinmico del

sistema.

b Contenido del segundo avance:

El alcance del segundo avance es la seleccin de la instrumentacin y el diseo del sistema

de control para el sistema. Este informe debe contener: aspectos clave del primer informe

(correcciones y complemento), objetivos de control, diseo de la estructura de control

(lazos de control propuestos), diagrama de ingeniera detallado (P&ID), seleccin de

sensores y actuadores con sus respectivos parmetros, sintonizacin de los controladores

y evaluacin del desempeo del proceso en lazo cerrado.

Cometarios:

Se espera que cada grupo de trabajo mantenga los ms altos estndares de honestidad

acadmica. Entonces los programas, reportes y material utilizado en el desarrollo del

proyecto sean producto de su propio trabajo o realizando las citas bibliogrficas

pertinentes. Cualquier desvo de estos estndares de honestidad desvirta los principios

fundamentales que se desea promover en la Universidad, por ende, sern considerados

como serias ofensas. De ser necesario se aplicarn sanciones disciplinarias establecidas

por el Consejo Superior Universitario en el acuerdo 44 del 2009.

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Descripcin del caso de estudio

DISEO Y CONTROL DE UNA COLUMNA DE DESTILACIN PARASEPARACIN DE UNA MEZCLA BINARIA

Se desea investigar el diseo y comportamiento tanto en lazo abierto como cerrado deuna columna de destilacin para la separacin de una mezcla binaria, que puede ser

considerada relativamente ideal. Como caso de estudio se tomar la separacin de una de

la mezcla etanol-agua:

Donde:

( )

( )

( )

( )

( )

: flujo de alimentacin mol/min

: composicin de la alimentacin fraccin molar

: Flujo de destilado mol/min

: Flujo de fondos mol/min

: composicin de destilado fraccin molar

: composicin de fondos f

F

D

B

F

z

D

B

x

x ( )

( )

( )

( )

( )

raccin molar

: flujo de lquidos mol/min

: flujo de vapor mol/min

: nmero de etapas

: composicin del lquido en la etapa fraccin molar

: composicin del vapor en la etapa fraccin molar

:lquido a

i

i

i

L

V

N

x i

y i

M cumulado en la etapa (holdup - mol)

: volatilidad relativa

i

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Para la formulacin del modelo, tener en cuenta las siguientes suposiciones:

a) La mezcla de entrada ingresa a la torre como lquido saturado

b) Se considera que no hay efectos entlpicos de mezclado

c) La presin es constante a lo largo de la columna

d)

La volatilidad relativa de la mezcla determina el equilibrioe) Los calores de vaporizacin de ambos componentes son iguales y constantes en toda

la columna. Teniendo en cuenta a y b, se tiene un flujo molar de vapor constante en la

columna e implica una respuesta inmediata de los flujos de vapor.

f) La cantidad de lquido acumulado en cada plato de la columna es constante, pues el

flujo molar de lquido en la columna es por sobre flujo. Esto implica que el flujo molar

de lquido es constante (a excepcin del plato de alimentacin) y se tiene respuesta

inmediata de los flujos de lquido.

g) El lquido se encuentra en equilibrio con el vapor en cada etapa. El condensador y

rehervidor se pueden considerar como etapas ideales.

h) Se puede considerar que hay un mezclado perfecto en todas las etapas, el

condensador y el rehervidor.

i) El condensador es total y el lquido es almacenado en un acumulador

j) El reflujo a la columna se supone que se encuentra como lquido saturado.

k) Se tiene control perfecto de los niveles del acumulador de cima y el rehervidor, ya sea

usando una configuracin de control LV o DB (LV-configuration or DB-configuration)

Nota: con el fin de analizar el comportamiento de la columna, se hacen las siguientes

definiciones: (Se recomienda analizar los balances totales sobre las secciones de la

columna)

Cambios en flujos externos: son cambios en variables de entrada manipulablesque generen un cambio en la relacin D/B

Cambios en flujos internos: son cambios en variables de entrada manipulables que

mantienen constantes los flujos de destilado (D) y fondos (B)

Se conocen los siguientes parmetros/variables para el sistema:

Parmetro Unidades ValorNmero de etapas totales (Inc Cond y Reherv.) - 15Etapa de alimentacin - 7

Flujo de alimentacin mol/min 0.2Composicin de alimentacin - 0.5L nominal mol/min 0.7V nominal mol/min 0.8Liquido acumulado en cada etapa (hold up) mol 1Presin de la columna atm 1

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Recomendaciones:

Para el anlisis del sistema dinmico del sistema en lazo abierto, investigar cambios

que generen cambios en flujos externos e internos. Realizar cambios con varias

amplitudes y direcciones. Como caso de gran inters, incluir en el anlisis los cambios

L V = y L V = . Contextualizar los resultados con lo que se esperara en unasituacin real.

Investigar la respuesta del sistema en lazo abierto ante perturbaciones de varias

amplitudes y direcciones.

Discutir las diferentes configuraciones de control posibles teniendo en cuenta las

suposiciones y objetivos de control

Bonus: se motiva a los grupos de trabajo a abordar el trabajo final teniendo en cuentalas siguientes directrices. Los grupos que trabajen el caso completo tendrn unabonificacin en cada entrega.

Una de las grandes suposiciones del sistema es que el flujo molar de lquido es constante

en secciones de la columna, debido a que la cantidad de lquido acumulado en las etapas

se considera constante. Una expansin al modelo es considerar la dinmica de cada etapa

teniendo en cuenta la constante de tiempo para la propagacin de perturbaciones en la

columna. Para esto, se modifica el modelo teniendo en cuenta que el flujo molar de

lquido viene dado por:

( )00

i i

i i

L

M ML L

= +

( )2L T LN =

Donde:

( )

0

0

: valor nominal del flujo de lquido en la etapa

: valor nominal del lquido acumulado en la etapa

: constante de tiempo para la dinmica de lquidos en cada etapa 0.34

: Retraso

i

i

L L

L

L i

M i

=

de tiempo para que un cambio en el reflujo llegue al rehervidor

Resolver el problema de control utilizando el modelo modificado!