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UNIVERISDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS

Br: Oscar A. Briceño P.

Mérida, Abril 2008

UNIVERISDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Electricista

Br: Oscar A. Briceño P. Tutores: Prof. Oscar O. Cárdenas S. Prof. Edinzo Iglesias

Mérida, Abril 2008

AGRADECIMIENTOS A Dios Todopoderoso y al Santísimo Sacramento del Altar por iluminarme y escuchar mis plegarias.

A mis padres: Gregoria y Oscar, por haberme traído al mundo para lograr alcanzar esta gran meta. Gracias por su apoyo.

A mis hermanos: Alexis y Oswuilmer, gracias por su apoyo.

A mi hijo: José, a quien quiero mucho y siempre me da aliento para seguir alcanzando metas.

A mi esposa: Moraima, siempre apoyándome y motivándome a seguir adelante en las buenas y las malas. Gracias por tus consejos y paciencia, el cual me ayudaron a vencer los grandes obstáculos que pensé imposibles de alcanzar.

A la ilustre Universidad de los Andes, el cual fue mi morada durante estos años, proporcionándome los conocimientos necesarios para el logro de esta meta.

A todos mis grandes profesores de esta ilustre Universidad, por compartir sus conocimientos y sabidurías durante mi estadía en esta casa de estudio, pero en especial a mis tutores, Prof. Oscar Cárdenas y Edinzon Iglesias por darme esta oportunidad y orientarme este proyecto que hoy culmina. Gracias por su paciencia y dedicación.

A los técnicos del Laboratorio de Operaciones Unitarias: Pedro, gracias por su paciencia y colaboración.

A todas las personas que hicieron posible realizar este trabajo. Aunque no los nombre son fundamentales durante este logro que hoy se hace realidad. Muchas Gracias.

iii

Br. Oscar A. Briceño P. PROPUESTA DE AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN DEL LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS. Universidad de Los Andes. Tutores: Prof. Oscar O. Cárdenas S. y Prof. Edinzo Iglesias. Abril 2008.

Resumen

El Laboratorio de Operaciones Unitarias de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes, cuenta con gran cantidad de procesos químicos a escala piloto, siendo uno de ellos el proceso de destilación el cual se hace necesario automatizar. Este equipo cuenta con dispositivos de mediciones desactualizados y el proceso es realizado manualmente para cada una de las destilaciones (Vacío y Atmosférico), por tal motivo se diseña la automatización y el control tanto manual como automático de los procesos a realizar, satisfaciendo las necesidades que se presentan. Para ello se utiliza como componente electrónico principal dos microcontroladores (PIC18F452) que se encarguen de realizar el control del proceso, enviar y recibir la información de una computadora utilizando como lenguaje de programación C. La comunicación entre el microcontrolador y la computadora se realiza a través del puerto serial por medio de un interfaz (MAX232), usando la información en un ambiente computacional que sea lo más amigable posible (LabVIEW) con cualquier usuario. Luego de este diseño viable, se selecciona y elabora un presupuesto de componentes de instrumentación y/o electrónicos para lograr la automatización del proceso que se requiera. De igual forma se especifican los lenguajes de programación y compiladores utilizados para la obtención de la propuesta de este diseño.

Descriptores: Instrumentación Industrial, Control, Microprocesadores, Electrónica, Circuitos. iv

ÍNDICE GENERAL

APROBACIÓN AGRADECIMIENTOS RESUMEN

ii iii iv

Capítulo 1 EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del Problema 1.2. Justificación 1.3. Objetivos de la Propuesta 1.3.1. General 1.3.2 Específicos 1.4 Alcance 1.5 Delimitación

pp 3 3 4 4 5 5 5 5

2 2.1

6 6 6 7 7 11 12 12 16 16 16

2.7

MARCO TEÓRICO Generalidades del Laboratorio de Operaciones Unitarias 2.1.1 Reseña histórica Unidad de destilación 2.2.1 Descripción de la unidad de destilación 2.2.2 Datos técnicos de la unidad de destilación Proceso de destilación 2.3.1 reflujo total Tipo de destilación 2.4.1 Batch o por lote 2.4.2 Continua Automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias Partes de la automatización del proceso de destilación 2.6.1 Parte de mando 2.6.2 Parte operativa Requerimientos mínimos para la automatización del proceso de destilación

3 3.1 3.2 3.3 3.4

MARCO METODOLÓGICO Metodología Técnicas e Instrumentos de recolección de datos Modalidad de la investigación Diseño de la investigación

23 23 23 24 25

4

SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES Y EQUIPOS Y PRESENTACIÓN DEL PRESUPUESTO PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN

26

2.2

2.3 2.4

2.5 2.6

v

16 18 17 18 21

4.1

4.2

5 5.1

Selección de la parte de mando 4.1.1 Microcontrolador 4.1.2 Relés 4.1.3 Computadora Selección de la parte operativa 4.2.1 Válvulas de control 4.2.2 Electroválvulas 4.2.3 Sensor de temperatura 4.2.4 Pantalla 4.2.5 Teclado 4.2.6 Amplificadores 4.2.7 Acondicionamiento 4.2.8 Bombas 4.2.9 Resistencias 4.2.10 Capacitancias 4.2.11 Oscilador 4.2.12 Software

26 26 26 27 27 27 27 27 27 27 28 28 28 29 29 29 29

RESULTADOS Resultados 5.1.1 Estudio del proceso de destilación para la recolección de datos 5.1.2 Diseño de la automatización del proceso de destilación 5.1.3 Recomendaciones para la implementación

30 30 30 31 40

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS ANEXO A: PIC18F452. Microcontrolador ANEXOB: Relé SSR ANEXO C: Presupuesto de Video y computación C.A. Computadora Completa ANEXO D: MPA02-SS-ORS2. Válvula de control ANEXO E: Electroválvula ANEXO F: ATM2004D. Display de Cristal Líquido (LCD) ANEXO G: Teclado Matricial ANEXO H: LM324. Amplificador Operacional ANEXO I: AD620. Amplificador de Instrumentación ANEXO J: MAX232. Comunicación serial RS232 ANEXO K: Conexión de los dispositivos, componentes y/o instrumentos para la Automatización del Proceso de Destilación ANEXO L: Diagramas de Flujos

43 46 53 57 60 62 64 66 68 70 74 76

vi

79 84

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Unidad de destilación Diagrama de bloque de la medición de Temperatura Diagrama de bloque del funcionamiento de la bomba centrífuga Diagrama de bloque del funcionamiento de la bomba de desplazamiento positivo Diagrama de bloque del funcionamiento de la bomba de vacío Diagrama de bloque del calentamiento de las resistencias Diagrama de bloque del funcionamiento de la válvula de producto-reflujo Configuración en forma manual del proceso Valores iniciales del proceso dentro del panel frontal del LabVIEW Valores del controlador del proceso dentro del panel frontal del LabVIEW Simulación del valor de las temperaturas enviadas por el PIC y recibidas por el LabVIEW en el panel frontal Simulación del voltaje del PMW proporcionado por el PIC Convertidor de voltaje a miliampere. Indica 5V en la entrada y 20mA en la salida Diagrama de bloque para la automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias Unidad de destilación automatizada

vii

pp 7 8 9 9 10 10 11 32 35 35 36 38 38 41 41

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 4.1 4.2 4.3 5.1

pp Datos técnicos de la unidad de destilación. Características de la bomba centrífuga Características de la bomba de desplazamiento positivo Características de la bomba de vacío Presupuesto de los componentes y equipos a utilizar para la implementación en la Automatización del Proceso de Destilación

viii

11 28 28 29 42

INTRODUCCIÓN En la actualidad la automatización y el control de todo proceso tienen gran importancia en todas las áreas dentro de cualquier sistema en una industria, mejorando así la demanda, calidad y rendimiento del producto requerido.

Por tal motivo La Universidad de Los Andes a través del Laboratorio de Operaciones Unitaria de la escuela de Ingeniería Química, ejecuta gran cantidad de procesos químicos, entre los cuales existe el proceso de destilación (Destilación Batch y Destilación Continua), que hoy en día no cuenta con la automatización e instrumentos adecuados y actualizados, para mejorar la destilación y poder realizar actividades de docencia e investigación en esta área.

Así pues, se pretende automatizar este proceso realizando el estudio correspondiente a las variables y familiarizándose con las modalidades de operación del proceso, para luego diseñar y seleccionar los componentes necesarios para el alcance de nuestro objetivo y adaptarlo a la necesidad requerida.

Para la compresión del contenido de este trabajo, se ha distribuido de la manera siguiente:

Capítulo I: Exposición del problema y la justificación correspondiente para realizar este proyecto. De igual forma se presentan los objetivos o metas a alcanzar con el desarrollo del mismo.

Capítulo II: Contiene el marco teórico.

Capítulo III: Comprende el marco metodológico, el cual se refiere al área de la investigación.

2 Capítulo IV: Selección de la mejor alternativa que cumpla con las exigencias planteadas y presentación del presupuesto de este diseño.

Capítulo V: Análisis de los resultados obtenidos.

Por ultimo se presentan las conclusiones y recomendaciones necesarias para la automatización de la propuesta de automatización realizada, así como los anexos y referencias bibliográficas donde se encuentra la información necesaria.

CAPÍTULO I

EL PROBLEMA

En este capítulo se expone el problema que en la actualidad presenta el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes con respecto al proceso de destilación y la justificación correspondiente para el planteamiento y desarrollo del presente trabajo. También se presentan los objetivos o metas a alcanzar, la importancia de esta automatización y la limitación que pueda presentarse.

1.1 Planteamiento del problema

Al transcurrir el tiempo, el avance e innovación de la tecnología en el mundo aumenta de forma rápida. Esto trae como consecuencia una exigencia de instalaciones del Laboratorio más adecuadas para satisfacer las necesidades actuales.

Por tal motivo, el Laboratorio de Operaciones Unitarias no debe ser la excepción para la automatización y control con las nuevas tecnologías y actualización de equipos, así como el entrenamiento necesario para el personal que labora dentro del mismo, para así cumplir con la exigencia del proceso de manera óptima y segura.

Actualmente, los equipos y/o dispositivos del proceso de destilación de dicho Laboratorio presentan un estado de deterioro, que hace necesaria la actualización de los mismos y búsqueda de la automatización para disponer de instalaciones adecuadas para realizar actividades docentes e investigación en esta área de destilación. Este proceso cuenta en este

4 momento con una columna de destilación (altura 1.8 m, diámetro 50 mm , empaque helicoidal con un diámetro 1/8˝, rehervidor de 20 L, presión que soporta el vidrio 3.5 bar y un choque térmico de 130 ºC ), una válvula que se abre manualmente para el enfriamiento, una válvula electroneumática distribuidora de reflujo y producto, una resistencia eléctrica para el sistema de calentamiento, termocuplas tipo K para la medición de temperatura, un instrumento de señalización de las temperaturas, un tablero de control que se encuentra deteriorado y no se tiene especificación alguna de los componentes (como por ejemplo la intensidad de calentamiento).

1.2 Justificación

Para la ilustre Universidad de Los Andes realizar actividades docentes y de investigación en el área de destilación es de suma importancia, por lo que estas actividades son difíciles de realizarlas en estos momentos, ya que estos instrumentos se encuentran obsoletos, trayendo como consecuencia desventajas tecnológicas y dificultad para su mantenimiento. De esta manera surge la propuesta de actualizar y automatizar dicho proceso, por lo cual se hace presente el estudio correspondiente, para luego seleccionar equipos e instrumentos necesarios para satisfacer las necesidades que hoy se tienen, teniendo en cuenta una visión futurista de esta automatización. De igual forma especificar los componentes, instrumentos y equipo que se adecuen a nuestro propósito en este trabajo de grado.

Esta investigación será de alto nivel para quienes se encarguen de implementar y poner en funcionamiento esta propuesta, por lo que nuestro estudio trata de ser lo mas preciso y real, teniendo en cuenta una visión futurista para la selección de los componentes, instrumentos o equipos, estando basado en Ingeniería de diseño correspondiente al Área de Control y Automatización de Procesos.

1.3 Objetivos de la propuesta

Para lograr la propuesta de automatización del proceso de destilación es necesario fijar los siguientes objetivos:

5 1.3.1 Objetivo General: Diseñar la Automatización del proceso de destilación existente en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la escuela de Ingeniería Química.

1.3.2 Objetivos Específicos: Para alcanzar el objetivo general se plantea los siguientes objetivos específicos: •

Familiarizarse con las modalidades de operación del proceso: batch y continua tanto en el vacío como atmosférico.

•

Analizar las variables del proceso susceptibles de ser instrumentadas.

•

Seleccionar los componentes de instrumentación y/o electrónicos para la automatización del proceso.

•

Elaborar presupuesto para la automatización del proceso.

•

Diseñar la interfase computacional para la operación automática del proceso en la modalidades señaladas, sin olvidar que el proceso debe poderse operar también en forma manual.

1.4 Alcance El alcance del estudio de esta propuesta planteada por el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la escuela de Ingeniería Química, el cual se encuentra operando de una forma manual es el diseño de la automatización adecuada para su posterior implementación de acuerdo a los requerimientos propios del proceso de destilación. De esta forma ajustarla a las actividades docentes, de investigación y de pregrado que la Universidad de Los Andes proporciona.

1.5 Delimitación Este estudio e investigación se lleva a cabo dentro de las instalaciones del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes, diagonal a los talleres tipográficos de la ULA y detrás del supermercado COSMOS por la Av. Andrés Bello, en Mérida, Estado Mérida, Venezuela. Esta propuesta esta programada con una duración máxima de 18 semanas.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

En este capítulo se presentan los conceptos básicos, necesarios para entender el desarrollo de esta propuesta, comenzando con una breve reseña del Laboratorio de Operaciones Unitarias, funcionamiento de cada proceso de destilación actual, conceptos del área de instrumentación y características del software apropiado para el diseño.

2.1 Generalidades del Laboratorio de Operaciones Unitarias

2.1.1 Reseña histórica: Dentro del plan de estudio de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes se encuentra el Laboratorio de Operaciones Unitarias, el cual es la encargado del estudio de los procesos donde los cambios que ocurren en las sustancias son de naturaleza física, y de los métodos de separación tales como: destilación, absorción, filtración, evaporación, secado, cristalización, sedimentación, extracción, etc., basados en la comprensión de los fenómenos de transferencia de materia, energía y momento. De esta manera nace el Laboratorio de Operaciones Unitarias, para realizar en forma experimental los procesos expuestos teóricamente. Dicho laboratorio se encuentra ubicado en la Av. Andrés Bello, diagonal a los talleres tipográficos de la ULA y detrás del supermercado COSMOS, donde funcionaba el antiguo central azucarero.

7

2.2 Unidad de destilación

Actualmente el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad de Los Andes presenta una unidad de destilación para la realización de las diferentes prácticas, el cual se desea automatizar para el mejoramiento y actualización de los instrumentos y/o equipos que se encuentran obsoletos, figura 2.1.

Figura 2.1. Unidad de destilación.

2.2.1 Descripción de la unidad de destilación: A continuación se describe la unidad de destilación:

Aislamiento: Se emplean para reducir el flujo de calor entre las zonas calientes y frías del ambiente.

Rehervidor: Es el recipiente donde se almacena la mezcla, a la que se le proporciona calor necesario.

Depósito del producto: Es el recipiente donde se almacena el producto que se destila.

8

Balón adicional: Es el recipiente que es usado para colocar la mezcla para realizar el proceso en forma continua.

Columna empacada: Es un dispositivo utilizado para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en flujo contracorriente como a corriente paralela que consiste en un envolvente cilíndrico que se ha llenado con empaque o con dispositivo de superficie grande que contiene un plato de soporte y un dispositivo de distribución de líquido, diseñado para proporcionar la irrigación eficaz del empaque. El líquido se distribuye sobre estos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas. (Orange, 2008).

Condensadores: Se encargan de enfriar los vapores generados por medio de un serpentín (Tubo de forma frecuentemente en espiral), llevándolos de nuevo al estado líquido y almacenando el líquido concentrado en un recipiente (Depósito de producto). Para el proceso de condensación se debe tener en cuenta que los tubos de refrigeración:

Entrada de agua: El líquido siempre debe entrar por la parte inferior, para que el tubo permanezca lleno con agua.

Salida de agua: Casi siempre puede conectarse la salida de uno a la entrada de otro, porque no se calienta mucho el líquido. (Wikimedia Foundation; Inc, 2008).

Medidor de temperatura: Es el encargado de indicar los valores de temperatura en las posiciones respectivas. Para medir estos valores de temperatura se utilizan las termocuplas o termopares, figura 2.2.

Figura 2.2. Diagrama de bloque de la medición de Temperatura.

9

Bomba centrífuga: Se encarga de hacer circular el aceite por la resistencia y chaqueta para el calentamiento del rehervidor que contiene la mezcla y poder llevar a cabo el destilado, figura 2.3.

Figura 2.3. Diagrama de bloque del funcionamiento de la bomba centrifuga.

Bomba de desplazamiento positivo: Es encargado de suministrar la alimentación a la columna en forma continua, luego de ser precalentado a través de un serpentín colocado en el intercambiador de resistencias eléctricas, utilizando el aceite de calentamiento del rehervidor, figura 2.4.

Figura 2.4. Diagrama de bloque del funcionamiento de la bomba de desplazamiento positivo.

Bomba de vacío: Se encarga de reducir la presión menor a la presión atmosférica, colocando la temperatura por debajo de su punto normal de ebullición. Este es utilizado

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cuando el líquido tiene un punto de ebullición excesivamente alto o se descompone a alta temperatura, figura 2.5.

Figura 2.5. Diagrama de bloque del Funcionamiento de la bomba de vacío.

Calentamiento de las resistencias: Para realizar el proceso de destilación es necesario calentar la mezcla que existe dentro del rehervidor y así lograr la separación de los líquidos debido a los puntos de ebullición que no corresponden al mismo valor. De esta forma las resistencias son las encargadas de realizar este proceso con ayuda de la bomba centrifuga y del aceite, figura 2.6.

Figura 2.6. Diagrama de bloque del Calentamiento de las resistencias.

Tablero de control: Es el encargado del control general del proceso de destilación. Actualmente se encuentra deteriorado, siendo la parte de la unidad para la cual se debe automatizar debido que representa una de las piezas fundamentales para el proceso.

11

Válvula de producto-reflujo: Esta determinado para accionarse por cierto intervalo de tiempo para realizar el producto que se condensará por medio de los refrigerantes. Esta válvula es accionada por un solenoide a través de aire, figura 2.7.

Figura 2.7. Diagrama de bloque del Funcionamiento de la válvula de producto-reflujo.

2.2.2 Datos técnicos de la unidad de destilación: La actual unidad de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad de Los Andes presenta los datos técnicos en la tabla 2.1.

Tabla 2.1. Datos técnicos de la unidad de destilación. (Duran; Luisa Elena, 1999, pp. 15)

Altura de la columna (h)

1,80 m

Diámetro de la columna (φc)

50 mm

Diámetro del empaque (φe)

1/8 plg

Empaque utilizado

Helicoidal

Capacidad del Rehervidor

20 L

Caudal de los refrigerantes

5 L/min

Presión máxima de trabajo

3,5 Bars

Choque térmico

130 ºC

Voltaje de alimentación en A.C.

220 V

Sistema de calentamiento Sistema del control de calentamiento Producto y reflujo

Aceite calentado por resistencia eléctrica Termocupla y amplificador de señales Válvula electroneumática

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2.3 Proceso de destilación

El proceso de destilación consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes más volátiles pasan a la fase de vapor basándose en las diferencias de sus puntos de ebullición y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. Sin embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente más volátil en forma pura. (Ramírez; Nuria, 2008).

En ciertas ocasiones, la separación en el proceso de destilación solo ocurre hasta cierto punto, en el cual no se puede separar más la mezcla, este punto es mejor conocido como el punto azeotrópico de mezcla, en el cual la composición para la mezcla es invariante en el tiempo, y tanto la composición como la temperatura permanecen constantes para tales condiciones de operación del equipo de destilación, si se requiere una mayor separación de los componentes es necesario variar alguna condición de operación, como la presión.

A medida que transcurre el tiempo, la composición del material que se destila se va haciendo cada vez menos rica en el componente más volátil. El proceso de la destilación puede ser controlado de varios modos, entre éstos: •

Operando a reflujo constante, en cuyo caso la composición en el domo es variable.

•

Operando a reflujo variable, en el caso que se desee mantener una composición constante en el domo, para el caso de mezclas binarias, la cantidad de reflujo debe ir aumentando constantemente, durante toda la operación.

El proceso para la destilación tipo batch se puede controlar de varios modos distintos:

2.3.1 Reflujo Total: Con frecuencia se usa un procedimiento de reciclaje para establecer el patrón de funcionamiento de la columna. La unidad funciona a reflujo total hasta que se establece el equilibrio. En este funcionamiento se dice que la torre trabaja a reflujo infinito

13 (L/D = ∞ ; el producto destilado es cero) y el número de etapas se hace mínima, resultando el mínimo coste del aparato e infinito el coste de funcionamiento. Cuando la volatilidad relativa de la mezcla varía poco entre los límites de destilación, puede determinarse el mínimo número de etapas haciendo uso de la expresión deducida por Fenske.

Nmin

⎡⎛ x D ⎞⎛ 1 − x w ⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎟⎟⎜⎜ log ⎢⎜⎜ 1 x x − D ⎠⎝ w ⎠⎦⎥ ⎣⎢⎝ −1 = log α

(2.1)

Siendo α la media geométrica de α D y α w ( α = αD × α w ). Los subíndices D y W corresponden a los puntos de las torres del destilado y residuo respectivamente.

El Reflujo Constante, composición en el domo variable. El reflujo se ajusta en un valor predeterminado, donde se mantiene la operación. Al permanecer constante la relación de reflujo la composición del destilado varía a medida que se modifica la composición de la mezcla contenida en el calderín. La composición del destilado se determina en función del residuo una vez fijada la relación de reflujo.

Para el caso de una mezcla binaria la relación entre la cantidad de líquido inicial Lo y la final L, viene dada por la ecuación:

ln

Lo = L

∫

xo

x

dx y−x

(2.2)

En que los límites de integración xo y x son las composiciones inicial y final del líquido contenido en la caldera. Cuando se conoce una relación matemática entre las concentraciones de equilibrio x e y, la integración puede hacerse analíticamente. En el caso de que la relación entre x e y se encuentre tabulada, el valor de la integral se determina gráficamente representando la función 1/(y-x) frente a x, y calculando el área comprendida entre la curva, el eje de abscisas y las ordenadas extremas.

14

Por otra parte, el número de etapas en equilibrio para un proceso de destilación en una torre empacada equivale al número de unidades de transferencia; como se sabe tal magnitud es determinable mediante una expresión integral que relaciona el cambio de composición con la fuerza impulsora de la diferencia de concentraciones en el equilibrio.

Nt = N =

xD

dx

∫ (x − x * )

(2.3)

xF

x*: composición de la fracción líquida en equilibrio con la fracción de composición x xF,xD: composición de la alimentación y el destilado instantáneo respectivamente

El coeficiente global de transferencia de masa se halla por la ecuación general de diseño:

KX × a =

L ×N Z

(2.4)

Donde: L es el flujo molar por área de alguna de las fases implicadas en el proceso Z es la altura de la torre empacada N es el número de etapas en equilibrio equivalentes también al número de unidades de transferencia.

En la práctica de la resolución de problemas, no solo se emplea la ecuación de Fenske para la determinación del número de etapas mínimas del proceso de destilación, también se emplea el método de McCabe Thiele, el cual es un método gráfico basado en las condiciones de operación de la torre. El método se desarrolla sobre el diagrama de equilibrio x-y. De esta manera se calculará el número de etapas mínimas necesarias para la operación trabajando a reflujo total. Así como también la aplicación de una ecuación analítica. (Bastidas; Mancillas y Romero, 2007, pp. 1-4).

De igual forma se tienen los siguientes conceptos que son utilizados en el proceso de destilación:

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Alimentación: Corresponde a la mezcla o la solución que se va a extraer. Al introducir la mezcla de alimentación modifica el cambio de la pendiente de las líneas de operación cuando se pasa de la sección de enriquecimiento a la de agotamiento del fraccionador. Destilado: Corresponde al material que se elimina permanentemente, que puede ser un vapor o un líquido, enriquecido con el componente más volátil.

Residuo: Denominado también fondo. Es el líquido eliminado, enriquecido con los componentes menos volátiles.

Equilibrio entre el vapor y el líquido: está representado por la relación de moles de vapor y líquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.

Puntos de ebullición: son aquellos puntos o temperaturas de compuestos puros a las que sus presiones de vapor igualan a la presión atmosférica, produciéndose el fenómeno llamado ebullición.

Reflujo: Es el líquido devuelto en la parte superior de la torre.

Relación de reflujo: Denominado también relación de reflujo externo, siendo la relación molar entre el reflujo y el destilado separado.

Producto: Es el líquido, vapor o mezcla destilado de la torre al depósito de dicho producto. Volatilidad relativa: Es una medida numérica de la distancia entre la curva en el equilibrio y la diagonal de la curva de la fracción de mol en el vapor de una sustancia y la fracción de mol en el líquido de dicha sustancia. Entre mayor es la diferencia entre líquido y vapor, mayor es la facilidad para realizar la separación por destilación. (Orange, 2008). Empaques: Son dispositivos de superficie grandes que llenan la columna, haciendo distribuir y escurrir el líquido, exponiendo gran superficie al contacto con el gas.

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2.4 Tipo de destilación

Las sustancias son sometidas a un proceso de destilación, estos son:

2.4.1 Batch o por Lote: La destilación batch o por lotes, es un proceso de separación para una cantidad específica de una mezcla líquida (carga) en productos. La destilación se lleva a cabo en estado no estacionario y se caracteriza porque a medida que el tiempo transcurre, la composición del material que se destila cambia haciéndose cada vez menos rico en el componente más volátil, dicho proceso se detiene cuando se tiene la composición deseada de destilado acumulado.

En el proceso de destilación por cargas o batch, un lote de líquido se carga en una caldera o destilador equipado con algún tipo de dispositivo de calentamiento, como por ejemplo una chaqueta de vapor, un aceite, etc. La carga se hierve lentamente y los vapores se descargan en un condensador tan pronto como se forman; aquí se licuan y el condensado (destilado) se almacena en el colector. El destilado puede recolectarse en varios lotes separados “fracciones”, se obtienen así una serie de productos de diferente pureza. Dichas fracciones de destilado y fondo se encuentran en equilibrio en cada etapa de la destilación, es decir, que para cada muestra de destilado hay un fondo o residuo que está en equilibrio con el mismo. (Bastidas; Mancillas y Romero, 2007, pp. 2).

2.4.2 Continua: A diferencia de la destilación por lotes, esta destilación tiene su alimentación constantemente y de forma continua, siendo precalentado antes de entrar al proceso por medio de un serpentín que pasa por calentamiento de resistencia.

2.5 Automatización del Proceso de Destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias

El Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Los Andes, cuenta con un proceso de destilación a escala piloto, y que al transcurrir el tiempo no ha tenido ninguna innovación, trayendo como consecuencia el

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deterioro de los equipo y la disminución de posibles actividades para mejorar la compresión del proceso de destilación, por tal motivo es de suma importancia y es

necesaria la

automatización y control de dichos procesos de destilación, para realizar de esta forma las distintas actividades de pregrado, docencia y de investigación en esta área, cubriendo las expectativas que se quiere obtener. Para estos procesos de destilación, la automatización es innovar dispositivos, componentes y/o instrumentos, para brindar una excelente calidad del producto y lograr una mayor eficiencia en los diferentes tipos de destilaciones que proporciona este Laboratorio.

Esta automatización se basa principalmente en modificar el tablero de control, ya que el mismo contiene componentes, dispositivos y equipos obsoletos y deteriorados, estando algunos de ellos fuera de funcionamiento. De igual forma se podrá incorporar nuevos equipos como son las válvulas de control que se encargan de controlar el producto y el reflujo, así como también las electroválvulas que suministran el agua necesaria para condensar

los

vapores generados y así producir el producto, de igual forma suministra el agua para el enfriamiento del aceite que calienta el rehervidor que contiene la mezcla en el momento que culmine cualquier proceso de destilación.

2.6 Partes de la automatización del proceso de destilación

Dentro del proceso de destilación, la automatización consta de dos partes:

2.6.1 Parte de mando: Para esta parte se tiene un autómata programable, el cual corresponde a una tecnología programada y a su vez es el centro del sistema para la automatización siendo capaz de comunicarse con todos los componentes, equipos e instrumentos del sistema automatizado. Como parte de mando para la automatización del proceso de destilación existen los siguientes: Programable Logia Controller (PLC): Es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo

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industrial, procesos secuenciales. Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.

Microcontroladores: Es un circuito integrado o chip que contiene las tres unidades funcionales de una computadora como lo son: CPU, Memoria y unidad de entradas y salidas. Los microcontroladores trabajan de acuerdo a su software interno diseñado.

Con la evolución de la tecnología los microcontroladores también se han desarrollado teniendo una gran variedad de ellos y que dependiendo de la naturaleza del problema se puede seleccionar el más indicado para su solución.

Computadora: También se puede usar la computadora como parte de mando dentro de esta automatización, debido que puede generarse ciertas instrucciones que otro autómata puede ejecutar.

Hasta hace poco tiempo se utilizaban los relés como autómatas, pero que para la automatización del proceso de destilación se utilizan como parte de mando:

Relés: Este dispositivo funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico externo y que dentro de esta automatización se hace necesario utilizarlos. Existe una serie de relés:

•

Relés electromecánicos: Están formado por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o corriente alterna.

•

Relés de estado sólido SSR(Solid State Relay): Contiene en su interior un circuito disparado por un nivel, acoplado a un interruptor semiconductor un transistor o un tiristor. Normalmente está compuesto por optoacopladores lo cual aísla la entrada con la salida.

2.6.2 Parte Operativa: Corresponde a la parte que actúa para ejecutar y colocar en funcionamiento el proceso de destilación. Para ellos se tiene los siguientes componentes para la parte operativa:

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Válvulas de control: Constituye un parte fundamental dentro de la automatización del proceso de destilación, ya que a través de ella se puede iniciar, regular o detener la circulación de los gases para obtener el producto o reflujo mediante un actuador que se acciona neumáticamente o eléctricamente para realizar la circulación de los líquidos o gases.

Para este diseño se desea realizar el control de la válvula por medio de un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo), para poder mantener a la variable en el punto de control deseado.

Con respecto a la dimensión de estas válvulas de control para la propuesta se tiene los siguientes datos y cálculos:

Q = 20 mL/min = 0.005283

gpm = 0.00002 m^3/min = 0.0012 m^3/h,

∆P =1 psi,

=1 kg/dm^3.

Aumentado el caudal máximo en un factor de seguridad de 50% para evitar que la válvula tenga que regular en una posición extrema de completa abertura y con la ecuación que corresponde para el cálculo del coeficiente de flujo de la válvula, se obtiene lo siguiente:

Cv = 1.5 * 0.005283 * (1/1) = 0.0079245 gpm ≈ 0.01gpm Kv = 0.86*1.5*0.0012 = 0.001548 m^3/h= 0.002 m^3/h

Siendo estos valores los necesarios para que en el momento de la selección, sugerir la válvula más conveniente.

Electroválvulas: Este dispositivo que controla el agua que circula por la tubería para la refrigeración y así condensar los vapores generados por el rehervidor. También controla el agua para el enfriamiento del aceite que calienta la mezcla contenida dentro del rehervidor.

Para dimensionar este tipo válvula se tiene que la tubería corresponde a ½ pulgada, para lo cual se tomara en cuenta al momento de la selección.

20

Sensores: Dentro de esta automatización tiene que existir un transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Para este caso la magnitud que se quiere medir corresponde a las distintas temperaturas en los distintos puntos de la columna de destilación, por tal motivo se consideran los siguientes tipos de sensores de temperatura:

•

Termómetro de resistencia RTD (Resistance Temperature Detector): Al variar la temperatura varia la resistencia. Esta variación de resistencia depende de su característica.

•

Termopares o Termocuplas: Corresponde a dos metales diferentes unidos en un terminal que produce un voltaje pequeño.

•

Pirómetros: Realiza la medición sin contacto, es decir, relaciona la temperatura del cuerpo con la energía radiante que emite el cuerpo calentado.

•

Termómetro Bimetalito: Al incrementar la temperatura el metal se deforma de acuerdo al coeficiente de dilatación del mismo.

Pantalla: Al adquirir los valores de temperatura durante el proceso de destilación es necesario tener un dispositivo que señale estos valores para tomar ciertas decisiones y llevar a cabo la destilación. Otro parte que se debe tener en cuenta es en el momento de la selección de los valores iníciales que se le debe introducir para realizar el tipo de destilación deseada. Al momento de la selección se estudia las diferentes gamas de pantallas que existe en el comercio y que satisfaga con la necesidad que se tiene.

Teclado: El teclado matricial ayuda a realizar la automatización del proceso de destilación en forma manual con el apoyo de una pantalla que le va indicando los pasos para la debida selección del proceso y valores que inicialmente debe cumplirse. De esta forma se tiene que este teclado tiene que estar presente dentro de este diseño como también una pantalla y así cumplir con esta parte de la automatización.

Amplificadores: Luego de obtenidas las señales de ciertos dispositivos es posible que deban amplificarse para obtener una señal a la salida con una amplitud mucho mayor a la señal original. Esto puede pasar en el caso de los termopares que su señal esta dada en milivoltios y se amplifica a valores que corresponden a los voltios, esto se logra con los amplificadores de

21

instrumentación, el cual existe en la actualidad una gran cantidad de circuitos integrados que se encargan de realizar este tipo de amplificación. Por otro lado normalmente las válvula de control son accionadas por una corriente que varia de 4 mA a 20 mA, siendo esta otra forma de usar amplificadores que transforma los valores de voltaje en valores de corrientes.

Acondicionamiento: Esta es una de las etapas esenciales para la automatización, debido que es la parte que corresponde a la comunicación entre ciertos dispositivos, equipo, componentes y/o autómatas para que se pueda obtener un proceso sin ningún tipo de problema.

Bombas: Para los distintos tipos de destilación que se presenta en este laboratorio se debe tener presente las siguientes bombas:

•

Bomba centrífuga.

•

Bomba de desplazamiento positivo.

•

Bomba de vacío. Cada uno de estos equipos tiene una finalidad importante dependiendo del proceso de

destilación que se realiza y se explican en la sección 2.2.1. Aún cuando se realice la automatización este tipo de bombas deben existir debido a su necesidad en el proceso.

2.7 Requerimientos mínimos para la automatización del proceso de destilación

Para automatizar cualquier proceso se presentan una serie de requisitos mínimos para lograrlo. De esta forma se consideran los siguientes requerimientos:

•

Dispositivos, componentes o equipos que tengan tecnología de última generación.

•

Contar con un autómata programable que se encargue de ser el que controla todo el proceso, es decir la parte de mando de la automatización.

•

Que el autómata programable tenga facilidad de integrarse con otros equipos o componentes de marcas comerciales diferentes.

22

•

Que sea factible económicamente para su adquisición, pero que cumpla con las funciones requerida para el objetivo planteado.

•

Que el proceso de destilación puede ser lo más amigable y fácil de realizar, de manera que los estudiantes o quienes realizan las actividades docentes y de investigación no tengan ningún tipo de problema en la hora de ejecutarlas.

•

Que los componentes puedan tener comunicación entre si, como también con el PC, debido a que para este caso es una exigencia de esta propuesta.

•

Que cualquier dispositivo, componente o equipo que se requiera para la compra en el momento de su implementación debe de tener la sede en nuestro país para facilidad de mantenimiento y suministro.

CAPÍTULO III

MARCO METODOLOGICO En este capítulo se presentan la metodología del trabajo de grado, incluyendo el tipo o tipos de investigación, las técnicas y procedimientos en cuanto a la realización, organización y presentación de la información para el cumplimiento de los objetivos propuestos.

3.1 Metodología

La metodología empleada en este trabajo de grado corresponde a un Prototipo Funcional debido a que es un trabajo susceptible de ser utilizado como solución a un problema existente, como es La Automatización del Proceso de Destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias, aplicando los conocimientos de la Ingeniería Eléctrica y sus áreas afines. Teniendo como apoyo los aspectos teóricos documentales e incluyendo la necesidad de la creación o importancia del trabajo innovador que se propone como aporte al conocimiento. (Barboza M; Zulima, 2007, pp. 2)

3.2 Técnicas e Instrumentos de recolección de datos

Dentro del proceso de investigación la recolección de información es de gran importancia e indispensable, debido a que estos datos obtenidos ayudan a lograr los objetivos planteados para el desarrollo del proyecto, ya que luego de analizados y procesados los datos se pueden elaborar las conclusiones de la investigación. De esta forma la recolección de datos se basa en lo siguiente:

24 •

La observación: Es el registro sistemático, valido y confiable del comportamiento o conducta de cualquier evento para la resolución de un problema de investigación. Dentro del proceso de destilación la observación es de gran importancia ya que a través de ella se puede observar y recolectar la información para la solución de los problemas que en la actualidad se presentan y de esta forma automatizarla para una solución a la necesidad existente.

•

La entrevista: Es un proceso de comunicación verbal o escrita con las personas que poseen la información requerida para el investigador. La entrevista para el desarrollo de esta propuesta se realiza en forma verbal y sin un patrón formalizado, es decir, las conversaciones se realizan de forma espontáneas, debido a que no existe un modelo rígido o cuestionario para la entrevista, siendo de gran ayuda para las posibles dudas que existan al momento en que se realizó la observación.

•

Fuentes secundarias: Consiste en la investigación por medio de consultas de manuales, libros, informes, guías, páginas de Internet, constituyendo un apoyo fundamental para la realización del diseño de Automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias, debido a que no sólo la observación y la entrevista pueden satisfacer la necesidad de diseñar la propuesta, sino también por medio de manuales, libros, páginas de Internet se puede lograr los objetivos planteados en la hora del diseño (Flores, C; Ender J, 2007, pp. 36-41).

3.3 Modalidad de la investigación

El tipo de investigación se enmarcará en la modalidad de Campo, porque tiene como finalidad observar de manera directa el proceso que se realiza en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, para luego diseñar la automatización mas adecuada en el proceso de destilación que en la actualidad se presenta, es decir que existe un contacto entre el diseñador y la columna donde se realizan los distintos procesos.

Igualmente, es una investigación de tipo Documental, ya que se basa en la búsqueda de información por medio de fuentes bibliográfica, así como también páginas de Internet que proveen toda la información para el estudio del proceso y así poder automatizarlo.

25 3.4 Diseño de la investigación

Para realizar la automatización se debe implementar un plan o la estrategia que permita alcanzar los objetivos propuestos y responder las interrogantes planteadas. De esta forma la automatización de este proceso de destilación se tiene las siguientes estrategias que se lleva a cabo para satisfacer esta propuesta: •

Se procede primeramente en el estudio del proceso, recolectando los datos necesarios para obtener las diferentes fuentes: la observación de los diferentes equipos que operan en el proceso de destilación, entrevistas a los operadores técnicos del Laboratorio de Operaciones Unitarias, como también a los bachilleres que realizan las practicas y profesores, recolección de información a través de la revisión bibliográfica, digitales, manuales y algún otro medio que ayuden a complementar la investigación.

•

Con los conocimientos adquiridos diseñar la automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias cubriendo los requerimientos mínimos que son necesario para realizar este proyecto, realizando las simulaciones que sean necesarias para complementar dicha investigación.

•

Al realizar el diseño de la Automatización del Proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias se realiza la selección de los equipos que son necesario para implementar en un futuro el proyecto planteado, con sus respectivos estudios económicos.

•

Por último, se hace necesario entrenar al personal técnico del Laboratorio de Operaciones Unitarias el diseño realizado, para que cuando se implemente exista un apoyo de dicho personal.

CAPÍTULO IV

SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES Y EQUIPOS Y PRESENTACIÓN DEL PRESUPUESTO PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN

Antes de seleccionar cualquier equipo es necesario conocer el proceso que se realiza, con la finalidad de que cumpla con las exigencias mínimas que requiera el proyecto planteado. También se necesita un estudio detallado con distintos dispositivos, componentes o equipos, para seleccionar el más recomendable.

4.1 Selección de la parte de mando

4.1.1 Microcontrolador: Como autómata programable se selecciona el microcontrolador debido a que puede satisfacer los requerimientos mínimos que se ha planteado en la sección 2.7. Este dispositivo corresponde a un PIC de la serie 18F452, cuyas especificaciones se encuentran en el anexo A.

4.1.2 Relés: Otro dispositivo que entra como autómata son los relés, el cual se selecciona el relé de estados sólido (SSR), debido a que la entrada se encuentra aislada por un optoacoplador. Por tal motivo se puede seleccionar el SSR modelo TSR-40DA y SSR-40DA de la marca FOTEK, siendo estos los encargados de alimentar (220 V o 115 V) las diferentes bombas y las resistencias de calentamiento, el cual se activa en el momento que el microcontrolador se lo indique. Las especificaciones se encuentran en el anexo B.

27 4.1.3 Computadora: Para el diseño de esta propuesta se selecciona un equipo que contenga como requisito mínimo las siguientes características: Una tarjeta madre que soporte un procesador de 1.8 GHz, memoria RAM 512 MB, tarjeta de video de 128 MB, una pantalla de 19” y que contenga un puerto serial. De esta forma se anexa un presupuesto con la satisfacción de esta parte del proyecto en el anexo C, que corresponde a una empresa denominada video y computación C.A. del estado Mérida.

4.2 Selección de la parte operativa 4.2.1 Válvulas de control: Para seleccionar las válvula de control que puede satisfacer a esta propuesta corresponde a MPA02-SS-ORS2, de la empresa de HANBAY, siendo ésta una miniválvula que cumple con el coeficiente de válvula calculado en la sección 2.6.2 y para una temperatura de trabajo aproximada a los 100 ºC, teniendo también una apertura de la válvula lineal. Su especificación se encuentra en el anexo D.

4.2.2 Electroválvulas: Para la selección de este equipo es necesario tener en cuenta que el orificio de la tubería que corresponde a la refrigeración es de 1/2”, que el accionamiento de mando sea eléctrico, una diferencia de presión de 1 psi. Por tal motivo se selecciona la ELECTROVALVULAS DE 2 VIAS 1/4” – 1/2” G NORMALMENTE CERRADO de ELECTROTAZ, la cual se encuentra especificado en el anexo E. 4.2.3 Sensor de Temperatura: Debido a la existencia de termocuplas tipo K en el Laboratorio de Operaciones Unitarias, se toma este componente como sensor de temperatura para realizar las mediciones de temperatura en los distintos puntos de la columna de destilación.

4.2.4 Pantalla: Para visualizar las distintas opciones que se presenta en el momento de la elección de los tipos de proceso que se desea realizar y poder visualizar también las temperatura se selecciona un display de cristal líquido (ATM2004D) de 20 caracteres x 4 líneas, especificado en el anexo F. 4.2.5 Teclado: Este componente que se selecciona corresponde a un teclado matricial denominado KEYPAD 4x4, siendo especificado en el anexo G.

28 4.2.6 Amplificadores: Se selecciona el LM324 que contiene 4 amplificadores dentro del mismo encapsulado, ya que satisface la necesidad de realizar un seguidor de tensión y también diseñar un convertidor de voltaje a corriente para poder controlar la válvula de control. La especificación del LM324 se encuentra en el anexo H Además como amplificador de instrumentación se elige el dispositivo AD620, el cual amplifica la señal que proporciona las termocuplas. Su especificación se encuentra en el anexo I.

4.2.7 Acondicionamiento: Para esta parte de la automatización se hace necesario seleccionar un dispositivo que pueda ser el intermediario entre la computadora y el microcontrolador, es entonces cuando se hace referencia al MAX232. Estando especificado en el anexo J.

4.2.8 Bombas: En el Laboratorio de Operaciones Unitarias existen las bombas que satisfacen esta necesidad por lo que no se hace referencia a ninguna selección. Aunque no se tiene especificaciones de dichas bombas, se pueden observar los datos de placa que para el diseño de la automatización es de gran utilidad. A continuación se presenta para cada bomba sus datos de placa: •

Bomba Centrifuga:

Tabla 4.1. Características de la bomba centrífuga.

•

voltaje (V)

Amperaje (A)

potencia (kW)

Frecuencia (Hz)

∆

220

3.15

0.75

60

Y

380

1.81

0.75

60

Bomba de desplazamiento positivo:

Tabla 4.2. Características de la bomba de desplazamiento positivo. voltaje (V)

Amperaje (A)

potencia (kW)

Frecuencia (Hz)

∆

220

2.34

0.370

50

Y

380

1.35

0.370

50

29 •

Bomba de vacío:

voltaje (V)

Tabla 4.3. Características de la bomba de vacío. Amperaje (A) potencia (Hp) PH

rpm

115/230

6.2/3.1

1725

1

1

4.2.9 Resistencias: En la actualidad la columna de destilación cuenta con resistencias para el calentamiento respectivo del aceite, el cual no se hace necesario realizar ninguna comparación para seleccionarlas. Pero para el caso de las resistencias que son necesarias para la implementación del circuito encargado de realizar la automatización, se seleccionan resistencias de ¼ W.

4.2.10 Capacitancias: Para la sección de este tipo de componente solo se puede tener en cuenta que el voltaje de trabajo sea como mínimo de 50 V.

4.2.11Oscilador: El oscilador de alta velocidad que corresponde a un valor de 14.745.600 Hz, garantiza que el proceso se realice de forma rápida. No se puede cambiar este valor, debido a que el diseño de esta automatización esta basado en este valor de frecuencia y cambiarlo implica modificar parte del software diseñado.

4.2.12 Software: Esta parte de selección consta del siguiente software:

•

Software LabVIEW: Se requiere como mínimo que se utilice la versión la LabVIEW 6.1 de la National Instruments.

•

Software Sistema Operativo: Se requiere como mínimo Microsoft Windows XP Profesional versión 2000 y Microsoft office 2003.

•

Software de diseño y simulación Proteus VSM: Se requiere como mínimo la versión 7.1 SP2 with advanced simulation, labcenter electrinics 1989-2007.

•

Software CCS PCWH Compilador C: se requiere como mínimo una versión 4.014.

CAPÍTULO V

RESULTADOS

En esta propuesta los resultados obtenidos son presentados por medio de figuras provenientes de las simulaciones de los distintos programas que son ejecutados durante la elaboración, mostrando su comportamiento y dando su explicación. A continuación se presentan los siguientes resultados:

5.1 Resultados

5.1.1 Estudio del proceso de destilación para la recolección de los datos: Durante la recolección de la información para el diseño de la automatización del proceso del destilación no se presentó ningún inconveniente, debido que durante la observación de cada uno de los procesos realizado no presentó ninguna falla, solo que es un poco trabajoso para realizarlas, y si se necesita automatizarse en la brevedad posible, ya que mucho componentes, dispositivos y equipos están llegando a su máxima vida útil.

Luego de obtener la información se realiza un estudio de cada una de las variables, componentes y equipos dando como resultado la modificación del tablero principal, como también cambiar las válvulas manuales que existen por electroválvulas. De la misma forma se debe cambiar la válvula que actualmente proporciona el producto y el reflujo por intervalos de tiempo, cambiándola por las válvulas de control para que el producto y reflujo sean independiente una de la otra. De esta forma el diseño de la automatización del proceso de destilación se llevó a cabo de la siguiente forma:

31 5.1.2 Diseño de la automatización del proceso de destilación: Para automatizar este proceso se escogió como autómata dos microcontroladores (PIC18F452), el cual se comunica con todos los constituyentes (equipos, componente y dispositivos) que se encargan de realizar los tipos de proceso que se quieran ejecutar. Para ello se diseña de la siguiente forma:

Periféricos del microcontrolador como maestro: Los dispositivos que controla este PIC son los siguientes: •

Alimentación del microcontrolador: Antes de comenzar el diseño con este autómata se debe tener en cuenta que su alimentación corresponde a 5 V y como oscilador externo se tiene uno de frecuencia de 14.7456 MHz, ya que el diseño se basa en este valor. Su conexión se especifica en el anexo K, figura K.1.

•

Teclado matricial: se encarga de seleccionar el tipo de destilación que se desea ejecutar, los valores iniciales (Potencia, posición de las resistencias, temperatura de referencia, porcentaje de apertura de la válvula de reflujo, porcentaje de apertura de la válvula de producto) o si se quiere modificar nuevamente la apertura de la válvula de reflujo o producto. Esto se lleva a cabo por medio del accionamiento de los botones del teclado matricial, indicándole al microcontrolador por medio de sus entradas que corresponden al puerto D para que realice las tareas de acuerdo al software y de la entrada que se active. La conexión de este dispositivo se encuentra en el anexo K, figura K.2 (b).

•

LCD: Este dispositivo que facilita la observación de los pasos que se van siguiendo para seleccionar el tipo de destilación a ejecutarse también nos muestra los valores de temperatura. Se seleccionó un LCD de cuatro líneas debido que para lo que se necesita ver no podía con uno de menor líneas. Para lograr esto se realizó una modificación de la librería que existe en el compilador C, debido a que el código que existe solo podía escribir para las dos primeras líneas, pero que con la modificación se puede escribir en las cuatro líneas. Su conexión se refleja en el anexo K de la figura K.2 (a). En la figura 5.1 se observa en el LCD cada uno de los cambios a medida que se selecciona

por medio del teclado matricial hasta llegar al final que corresponde a la visualización de las temperaturas presentes en los distintos puntos de la columna y que depende del tipo de

32 destilación. Al seleccionar a través del teclado matricial la forma semiautomático del proceso aparece además de las temperatura una opción de cambio de apertura de las válvulas de producto y reflujo, mientras que en el caso de la forma manual del proceso se ejecuta por medio de un potenciómetro (figura K.8 del anexo K).

Figura 5.1. Configuración en forma manual del proceso

•

Interfaz serial RS-232: Uno de los requisitos de esta propuesta es diseñar la interfaz computacional para la operación automática del proceso, siendo esta parte del diseño la que la satisface. Como intermediario entre la computadora y el microcontrolador se utiliza el MAX232, el cual se encarga de que la información enviada por la computadora que corresponde a los valores iniciales (Potencia, posición de las resistencias, temperatura de referencia, porcentaje de apertura de la válvula de reflujo, porcentaje de apertura de la válvula de producto), valores del PID (KC, temperatura de referencia, BIAS, i, d) y el momento para que le envíe los valores de la temperaturas, pueda ser recibida de la forma mas adecuada por microcontrolador para que no exista ningún tipo de problema. En la figura K.5 del anexo K se observa las conexiones para que se realice esta comunicación.

33 •

Computadora: Para completar el proyecto de la interfaz computacional se diseñó como solución un programa en LabVIEW, el cual se programa en forma grafica por medio de diagramas de bloques y se visualiza los controles e indicadores en el panel frontal. Dentro de la programación del diagrama de bloque se divide en cuatro partes, una que corresponde a los valores iniciales como se observa en la figura 5.2, el cual se envía cuando se selecciona cada uno de los valores correspondientes y se presiona el botón de configuración, enviándole al PIC una cadena de caracteres que contiene estos valores y unos caracteres que sirven para indicarle al software del PIC para ejecutar las intrusiones de acuerdo a lo enviado, otros caracteres para separar cada uno de los valores dados en el momento que se le coloco en el panel frontal para los valores iniciales del proceso y por ultimo un carácter que le indica el fin de la cadena. De igual forma la segunda parte se realiza para los valores del controlador PID (figura 5.3) donde el rango de KC es de (0100) %, la temperatura referencia tiene un valor máximo de 100 ºC, BIAS corresponde a un valor máximo de 100%, i tiene un valor máximo de 1000 minutos al igual que d. La tercera parte se diseñó para graficar cada una de las temperaturas, dependiendo del tiempo que se le coloque, la computadora envía un carácter para indicarle al PIC que le debe enviar la cadena de caracteres de las temperatura y el software del LabVIEW lo ordena para que lo grafique en cada uno de la pantalla correspondiente (figura 5.4) y a su vez guarda los valores de tiempo y temperatura en la dirección que al principio se le indicó. Después del diseño en el LabVIEW se debe realizar un ejecutable que para esta propuesta no se realizó debido a que al momento de implementar pueda que exista algún cambio, pero se indican a continuación los pasos para obtener el ejecutable:

Paso 1: Abra el VI principal que va hacer ejecutable. Este va a ser el VI que el usuario va a ver cuando sea abierto el ejecutable. Vaya al menú File, y seleccione Save With Options.

Paso 2: Aparecerá una ventana que le dará varias opciones. Si selecciona la configuración Application Distribution, va a crear por defecto una librería de VIs en la cual los VIs no tendrán diagramas de bloques. Esto significa que no podrá editar su VI principal ni cualquiera de los sub-VIs cuando abra esta librería. Asegúrese que tenga una copia de su VI principal y de los sub-VIs que utilice por si necesita realizar algunos cambios en el futuro.

34 Paso 3: Nombre su librería de VIs con cualquier nombre que desee. (NOTA: Sin embargo, es buena idea asignarle un nombre diferente a la nueva librería del que tiene su VI principal.)

Paso 4: Ahora, vaya al menú Project y seleccione Application Builder. Va a ver la siguiente ventana. En esta ventana va a seleccionar Embed VI Library e incluya el archivo .llb que creó en los pasos anteriores. Finalmente presione OK. Nota: Si no tiene seleccionado su VI principal como top-level en su librería, seleccione el VI y configúrelo como VI top-level. Escoja el VI que quiera que aparezca cuando sea abierto el ejecutable. Puede seleccionar varios VIs como top-level y todos aparecerán en el momento que corra el ejecutable

Paso 5: Ahora va a configurar el nombre de su ejecutable. Puede darle el nombre que desee. Presione el botón de Save.

Paso 6: Aparecerá una ventana en el que le dirá que escoja su VI top-level. Presione OK. En la ventana que aparece, seleccione el VI que quiera que se abra cuando empiece a correr el ejecutable, y seleccione la caja que se encuentra a un lado del top level. Para finalizar presione OK.

Paso 7: Va a ver la ventana para construir la aplicación y va a ver otra ventana la cual le dirá que el ejecutable fue construido de una manera satisfactoria. También note que hay otros archivos que necesita incluir en la carpeta donde se encuentra el ejecutable de la computadora en la que va a correr la aplicación. Estos archivos (daqdrv o serpdrv) puede encontrarlos en la carpeta de LabVIEW en la computadora donde desarrollo su aplicación. Incluya el archivo daqdrv si su aplicación requiere de alguna adquisición de datos o incluya serpdrv si su aplicación se comunica por medio del puerto serial.

Paso 8: Una vez que se encuentra en la computadora donde va a ejecutar la aplicación, asegúrese de que contiene la misma versión de NIDAQ que en la computadora en la que desarrollo la aplicación (si esta haciendo adquisición de datos.) Una vez que copie su archivo ejecutable en la computadora, debe de estar listo para correr su aplicación. Si tiene problemas,

35 asegúrese de que ha incluido los archivos que se han mencionado en el mismo directorio en el que se encuentra su aplicación.

Paso 9: Si tiene algunas preferencias en especial del LabVIEW (cualquier cosa disponible en el menú Edit >> Preferences), estas configuraciones cambian su ejecutable por lo que necesita copiar el contenido del archivo labview.ini en un nuevo archivo llamado my_program.ini en donde my_program es el nombre del ejecutable. También, la primera línea de su archivo ejecutable debe contener el nombre de su ejecutable, menos la extensión, en paréntesis. (e.g. [my_program] en lugar de [Labview]) Guarde esto dentro del mismo directorio donde se encuentra su ejecutable.

Figura 5.2. Valores iniciales del proceso dentro del panel frontal del LabVIEW

Figura 5.3. Valores del controlador del proceso dentro del panel frontal del LabVIEW

36

Figura 5.4. Simulación del valor de las temperaturas enviadas por el PIC y recibidas por el LabVIEW en el panel frontal

•

Comunicación SPI: El PIC18F452 puede realizar una comunicación síncrona a través del protocolo SPI de tres hilos. Para el diseño de esta propuesta es bastante útil debido que para un solo PIC no es suficiente por la cantidad de dispositivo que se controla y el límite de pines que contiene el microcontrolador, por tal motivo se utiliza un PIC como maestro y otro PIC como esclavo, siendo el maestro el que le envía la información necesaria al esclavo para que realice el control de los dispositivo restantes y poder llevar a cabo el proceso de destilación. En la figura K.8 del anexo K se presenta la conexión correspondiente.

•

Electroválvula de refrigeración: El PIC maestro también controla la electroválvula que corresponde al enfriamiento para condensar los vapores generados y obtener el producto. Esto se logra usando el relé SSR que la activa cuando se lo indique el microcontrolador.

37 •

Sensor de temperatura: Con respecto a esta parte del diseño se utiliza como sensores las termocuplas o termopares que realiza la adquisición de los datos de temperaturas para enviarlos al autómata y realizar las tareas que sean necesarias. Estas señales obtenidos por las termocuplas son valores muy pequeño por lo que se necesita amplificar esta señal, es entonces cuando se utiliza un AD620 que corresponde a un encapsulado que contiene un amplificador de instrumentación. Por otra parte el voltaje máximo que recibe el PIC es de 5 V por lo que para este propósito se usa un divisor de voltaje a la salida del amplificador de instrumentación para que los valores de las temperatura leído no se excedan de este valor (5 V). Su conexión se encuentra en el anexo K figura K.4.

Periféricos del microcontrolador como esclavo: Los dispositivos que controla este PIC son los siguientes: •

Bombas: El PIC maestro por medio del SPI le envía la información necesaria para que se active las bombas correspondientes, por medio de los relés SSR cuando el PIC se lo indique. Por otro lado si la selección de la forma del proceso es manual la bombas se activan por medio de los interruptores que se diseñaron para este tipo de evento, su conexión se encuentra en el anexo K figura K.3

•

Las resistencias: Son las que se encargan de calentar el aceite para a su vez calentar la mezcla. Este control se realiza por medio de la de los relés SSR que las alimenta cuando se activa por medio del PIC, pero que depende de los vatios que se seleccionó en un principio y que el software del PIC activa el otro relé que le da la alimentación para que se calienten. Este valor de vatios esta relacionado con el tiempo de alimentación que para 5000 W corresponde a 10 s, por este motivo se realiza dentro del microcontrolador una interrupción que proporciona el tiempo real para cumplir con esta parte de la automatización. Su conexión se puede observar en el anexo K figura K.9.

•

Válvulas de control: Para realizar este control se diseñó el control por medio del modulador de ancho de pulso, con un T=100 µs. Dependiendo del valor del porcentaje que se haya seleccionado al principio o la modificación que se le ha dado durante el proceso, va proporcionando los valores de voltaje correspondientes. En la figura 5.5 se muestra el

38 osciloscopio virtual la señal del voltaje de acuerdo al valor proporcionado. Pero al obtener estos valores de voltaje se diseñó a parte un circuito que se encargue de transformar estos voltajes (0 V-5 V) a miliampere (4 mA-20 mA), ya que las válvulas de control se accionan por medio de la corriente, siendo el circuito el de la figura 5.6, que es una simulación de cómo se varia el voltaje y se obtiene la corriente necesaria para satisfacer esta parte del diseño. La conexión de esta válvula que corresponden a la válvula de producto y reflujo se observan en el anexo K figuras K.6 y K.7.

Figura 5.5. Simulación del voltaje del PMW proporcionado por el PIC

Figura 5.6. Convertidor de voltaje a miliampere. Indica 5V en la entrada y 20mA en la salida

39 •

Interruptor de culminación del proceso: Al presionar este interruptor el proceso se paraliza, apagando las bombas (excepto la bomba centrifuga), desactiva las resistencias, lo que corresponde con los vatios, mantiene las válvulas en su sitio actual, cierra la electroválvula de refrigeración y abre la electroválvula de refrigeración del aceite para enfriar el rehervidor.

Otro análisis importante es el estudio programa para el PIC, el cual fue compilado por el CCS C, siendo este software esencial y de gran importancia, ya que en el esta la ejecución del proceso que se llevará a cabo. Este software se basa en una serie de interrupciones que se dedican a una tarea específica, donde va llamando las rutinas que va necesitando para que realice cualquier actividad que se le ha encargado, mientras el resto del programa continua sus otras tareas. Con respecto a la parte que corresponde al PID se considera un tiempo de muestreo muy pequeño 10 ms. Donde este tiempo verifica la temperatura tope para modificar o mantener la apertura de la válvula de control de reflujo, siendo esta modificación realizada de acuerdo a la formula del PID. Para entender mejor esta parte que es de suma importancia ver el anexo L.

Con lo expresado anteriormente se pudo diseñar la automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias presentándose en el diagrama de bloque de la figura 5.7. Por otro lado se presenta en la figura 5.8 la representación de la columna de destilación con los nuevos componentes, dispositivos y equipos que se han diseñado para satisfacer la necesidad que se presentó en esta propuesta.

Finalmente, se presenta la elaboración del presupuesto para automatizar este proceso en la tabla 5.1, el cual se muestra la cantidad, descripción, precio unitario, dirección electrónica para

40 el pedido y el monto total para la ejecución de esta propuesta. Este presupuesto fue elaborado en el mes de Febrero del 2008, teniendo en cuenta que estos precios están sujeto a cambios sin previo aviso. Por tal motivo el monto total de BsF 22069,309 se debe incrementar un aproximado de 25%, porcentaje el cual va a tender a mantenerse hasta el tercer trimestre del presente año, según algunos especialistas en la materia.

5.1.3 Recomendaciones para la implementación: En esta parte se presentan las recomendaciones necesarias para que al implementar esta propuesta se pueda lograr los resultados esperados. Para ello se recomienda lo siguiente: •

Antes de conectar cualquier dispositivo o equipo debe tenerse a la mano las especificaciones de las características para no dañarlo.

•

Antes de alimentar cualquier dispositivo o equipo verificar minuciosamente sus correcta conexión, recuerde tener a la mano las especificaciones de funcionamiento.

•

Conocer como programar en lenguaje C, el compilador de lenguaje C y LabVIEW, para realizar cualquier modificación del software.

•

Manejar el simulador de Proteus para ayudarse antes de realizar cualquier conexión.

•

Manejar por lo mínimo un nivel básico o técnico de inglés, debido a que los manuales y especificaciones en su mayoría son en este idioma y muy pocos en español.

•

Implementar por bloque las conexiones, para garantizar un menor error. No se debe conectar todo, ya que de esta forma si presenta alguna avería no sabrá en que lugar de conexión se pudiera estar presentando.

•

Tener en cuenta que para la simulación el tiempo no es real, debido que un computador depende de la velocidad del procesador.

•

Conocer

teóricamente

el

microcontrolador

PIC18F452,

funcionamiento

de

las

interrupciones y la modulación de ancho de pulso. •

Contar con los dispositivos y equipos que fueron seleccionados en esta propuesta, de no ser así, que tengan similitudes en su funcionamiento; ya de allí depende el resultado que se espera.

41 •

Conocer el proceso de destilación. Esta parte es muy importante.

•

Conocer teóricamente el controlador PID para el control de válvula.

Figura 5.7. Diagrama de bloque para la automatización del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias

Figura 5.8. Unidad de destilación automatizada

42 Tabla 5.1. Presupuesto de los componentes y equipos a utilizar para la implementación en la automatización del proceso de destilación CANT

DESCRIPCIÓN

2

PIC18F452-I/P ENCAPSULADO PDIP 40 PINES

28

RESISTENCIAS DE 10kΩ 1/4 W

P.U.

TOTAL

Bs.F

Bs.F 46

0,15

DIRECCION ELECTRONICA 92 http://www.ingelect.unlugar.com/ 4,2 http://www.electronica.com.ve/

6

RESISTENCIAS DE 4.7 kΩ 1/4 W

0,15

0,9 http://www.electronica.com.ve/

4

RESISTENCIAS DE 470 Ω 1/4 W

0,15

0,6 http://www.electronica.com.ve/

2

POTENCIOMETRO PTLN010 kΩ

5,36

4

CONDENSADOR Elect. 10 µF/50V

3

CONDENSADOR Elect. 100 µF /50V

10,72 http://www.micropik.com/

1

4 http://www.electronica.com.ve/

0,75

2,25 http://www.electronica.com.ve/

2

Condensador Ceramico 22 pF/50V

0,4

0,8 http://www.electronica.com.ve/

5

CONDENSADOR Elect. 1 µF /50V

0,75

3,75 http://www.electronica.com.ve/

2

LM324 AMPLIFICADORES OPERACIONALES

2,05

4,1 http://www.electronica.com.ve/

1

LCD 20X4

91,2

91,2 http://www.electronica.com.ve/

4

1N4148 DIODOS

7

AD620 GENERAL PURPOSE IA 4.6V to 36V Resistor

1

OSCILADOR XTU14M74 14.7456 MHz

0,84

0,84 http://www.micropik.com/

CONECTOR DB9 HEMBRA

2,55

2,55 http://www.electronica.com.ve/

1

0,6 6,751

2,4 http://www.electronica.com.ve/ 47,257 http://www.analog.com/

SOFTWARE PROTEUS AMPLIACIÓN SIMULACIÓN 1

AVANZADA

1

SOFTWARE CCS PCWH COMPILADOR C

1

RS232 MAX232

1

SOFTWARE LABVIEW

1

TECLADO 4*4

1251,08 1075 1,032 8812,85 32

1251,08 http://www.ieeproteus.com/ 1075 http://www.ccsinfo.com/ 1,032 http://focus.ti.com/ 8812,85 http://www.ni.com/labview/ 32 http://www.electronica.com.ve/ http://stores.ebay.es/new2006power-

4

SSR TSR-40DA 40A 3V~32Vdc to 24V~380Vac

1

PULSADOR 6 PARA EMPOTRAR NA

2

VALVULAS DE CONTROL MPA02-SS-ORS2

87,09 1,8

348,36 DigitalWorld 1,8 http://www.electronica.com.ve/

2420,9

4841,8 http://www.hanbayinc.com/

526,77

1053,54 http://www.electrotaz.com/

ELECTROVALVULAS DE 2 VIAS 1/8” – 1/2” G NC 2

ELECTROTAZ

3

SW ON-OFF-ON TSMINI

1

TERMOCUPLA TIPO K

1

COMPUTADORA CON TODOS SUS ACCESORIOS

8

RESISTENCIAS DE 10 kΩ 1/4 W

0,15

1,2 http://www.electronica.com.ve/

2

RESISTENCIAS DE 8 kΩ 1/4 W

0,15

0,3 http://www.electronica.com.ve/

2

RESISTENCIAS DE 8,6 kΩ 1/4 W

0,15

0,3 http://www.electronica.com.ve/

2

RESISTENCIAS DE 25 MΩ 1/4 W

0,15

0,3 http://www.electronica.com.ve/

4,8

14,4 http://www.electronica.com.ve/

79,2

79,2 http://www.electronica.com.ve/

3851,48

3851,48 http://www.videoycomputacion.com.ve/

2

RESISTENCIAS DE 9.7 kΩ 1/4 W

0,15

0,3 http://www.electronica.com.ve/

2

RESISTENCIAS DE 4 kΩ 1/4 W

0,15

0,3 http://www.electronica.com.ve/

7

RESISTENCIAS DE 50 Ω 1/4 W

5

SSR SSR-40DA 40A 3V~32Vdc to 24V~380Vac TOTAL

0,15 87,09

1,05 http://www.electronica.com.ve/ 435,45 22069,309

CONCLUSIONES

En la Automatización del proceso de destilación existente en el Laboratorio de Operaciones de la Escuela de Ingeniería Química de la universidad de Los Andes, se puede comentar lo siguiente:

Con respecto a las modalidades de operación del proceso de destilación se realizó un análisis por separado, debido que cada variable instrumentada del proceso puede ser modificada dependiendo del tipo de destilación. Esto se logró con la observación de las distintas prácticas realizadas en el Laboratorio.

Luego de la adquisición de los datos de este proceso se obtuvieron los requisitos o requerimientos mínimos que debían cumplirse para lograr la selección de los dispositivos, componentes, equipos y/o instrumentos que cumple con nuestra necesidad, como lo son:

•

Tomar en cuenta los dispositivos, equipos o instrumentos existentes en la actualidad para lograr de minimizar lo que corresponde a la parte financiera.

•

Siempre y cuando estos dispositivos, equipos o instrumentos sean adaptado para la automatización actual.

•

La nuevas adquisiciones de equipos, dispositivos o instrumentos deben ser de nuestro país en lo máximo, su configuraciones, manipulaciones y manejo sea lo mas agradable y fácil para cualquier persona que tenga contacto con el diseño planteado en esta propuesta, debido a que en este momento existe un proceso no muy amigable.

Con los requerimientos obtenidos para este proceso, se optan por los dispositivos, equipos y/o instrumentos necesarios para lograr el objetivo que se ha planteado. La selección se realizó en el capítulo IV, después de haberse hecho las comparaciones necesarias de acuerdo con los requisitos y requerimientos mínimos que se plantearon para satisfacer la necesidad existente.

44 Para los dispositivos y/o equipos que existen en la actualidad en el Laboratorio de Operaciones Unitarias y que van a ser utilizado para esta automatización cuando se implemente, no se tiene mayor información, solo sus datos de placa, pero que se pueden utilizar, ya que funcionan en forma adecuada y hasta el momento en que se estudió el proceso no presentó ningún tipo de problema, de esta forma se minimizan los gastos.

En el momento de realizar el presupuesto, los precios de algunos dispositivos y equipos no tienen relación directa con la empresa o marca que especifica sus características, debido a que para dichas empresas no se tiene acceso a los costos, mientras que otras empresas tienen el precio pero no sus especificaciones.

Dentro de lo que corresponde a las simulaciones, se realizó por partes, llevándose a cabo sin ningún tipo de problema, luego cada parte se unificó para lograr esta propuesta.

Para las simulaciones se contó con la ayuda del proteus, que se encarga de la parte circuital, el CCS C que es el compilador usado para programar el PIC 18F452 y el LabVIEW que a través de su panel frontal puede realizar el proceso en forma remota.

Aunque esta propuesta esta basada en simulaciones para el momento de la implementación no debería tener ningún tipo de problema siempre y cuando se utilice todo lo expresado en este proyecto.

RECOMENDACIONES A continuación se presenta una serie de recomendaciones para mejorar el funcionamiento total del proceso de destilación del Laboratorio de Operaciones Unitarias, y así lograr mejores resultados.

Se recomienda actualizar o diseñar un equipo para medir la densidad de las muestras, debido que la balanza de Mohr-Wesphal (Equipo actual) se encuentra obsoleto y deteriorado.

Se recomienda diseñar una nueva columna de destilación, basándose en el diseño de la automatización planteado en esta propuesta.

Así mismo, se hace necesario diseñar un dispositivo de sistema de energía interrumpida (UPS, uninterruptible power suply), para mantener la energía eléctrica en caso de alguna interrupción de la misma, eventualidad en la línea o acometida, evitando de esta forma que se pierda el estado estacionario del proceso.

También se recomienda adquirir un equipo de refrigeración del agua que circula por los serpentines de la columna de destilación, ya que cada proceso varía su temperatura para condensar los vapores generados, evitando de esta manera el derrame innecesario del agua potable.

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ANEXOS

53

ANEXO A: PIC18F452. Microcontrolador

54

Figura A.1. Diagrama de bloque del PIC18F452.

55 Tabla A.1. Características de los distintos PIC18FXXX.

Tabla A.2. Características eléctricas del PIC18F452.

56

Figura A.2. Control de las interrupciones.

57

ANEXO B: Relé SSR

58 Tabla B.1. Especificaciones del SSR de la marca FOTEK trifásico.

59 Tabla B.1. Especificaciones del SSR de la marca FOTEK monofásico.

60

ANEXO C: Presupuesto de Video y Computación C.A. Computadora Completa

61

62

ANEXO D: MPA02-SS-ORS2. Válvula de Control

63

Figura D.1. Grafica para la selección de la válvula de control de acuerdo a su Cv.

MPA02-SS-ORS2 MPA02-B-ORS2 XX-ORS2 Swagelok® Valve Mat: SS-Stainless B-Brass Size: orifice .080” Connection 1/8” Compr. Fitting

Figura D.2. Válvula seleccionada, de la marca HANBAY.

64

ANEXO E: Electroválvula

65

ELECTROVALVULAS de 2 VIAS 1/4” – 1/2” G NORMALMENTE CERRADO

Tabla E.1. Selección del tipo de electroválvula.

Tabla E.2. Características eléctricas para la válvula seleccionada.

66

ANEXO F: ATM2004D. Display de Cristal Líquido (LCD)

67 ATM2004D SERIES --------------------- STANDARD CHARACTER LCD MODULES * 5 x 8 with Cursor Dots * Transflective * View Angle (6:00) * STN (Yellow green) * 1/16 Duty, 1/5 Bias, 20CHAR x 4LINE * Controller/Driver (S6A0069 ) * LED Backlight (Yellow green) * Operating Temp (-20 ~70 )

Figura F.1. Características del LCD

Tabla F.1. Especificaciones eléctricas del LCD. Description(mm) Item Size 98(L)x60(W)x14(H) V.A 76(L)x25.2(W) Character Pitch 3.55 x 5.35 Dot Size

0.55*0.55

Symbol

Min

Typ

Max

Item Supply Voltage for Logic Supply Voltage for LCD Supply Current for Logic

VDD VLCD IDD

4.5 V 4.0 V

5.0 V 4.5 V 1.0 mA

Supply Current for LED

IF

5.5 V 5.0 2.0 mA 80 mA

Tabla F.2. Especificación de las Conexiones del LCD. Pin 1 2 3 4

Symbol VSS VDD V0 R/S

Level 0V +5V -H/L

5 6 7~14 15 16

R/W E DB0~DB7 A K

H/L H,H-L H/L ---

Description Ground Supply Voltage for Logic Operating Voltage for LCD H: Data L: Instruction Code H: Data Read L: Data Write Enable Signal Data Bus Line Back Light anode:+4.2V Back Light cathode:0V

68

Anexo G: Teclado Matricial

69

70

ANEXO H: LM324. Amplificador Operacional

71 Tabla H.1. Características del amplificador LM324.

72

Tabla H.2. Características del amplificador LM324 (Continuación).

73 Tabla H.3. Características del amplificador LM324 (Continuación).

Figura H.1. Diagrama de conexión del LM324.

74

ANEXO I: AD620. Amplificador de Instrumentación

75 Tabla I.1. Especificaciones del DIP AD620

76

ANEXO J: MAX232. Comunicación serial RS232

77 Tabla J.1. Tabla de comparación de los distintos MAX.

Tabla J.2. Características eléctricas del MAX232.

78 Tabla J.3. Características eléctricas del MAX232 (Continuación).

79

ANEXO K: Conexión de los Dispositivo, Componentes y/o Instrumentos para la Automatización del Proceso de Destilación

80

Figura K.1. (a) Descripción de las entradas y salida del PIC18F452. (b) Alimentación para el funcionamiento del PIC18F452.

Figura K.2. (a) Conexión del PIC18F452 con LCD. Conexión del PIC18F452 con teclado matricial.

81

Figura K.3. Conexión de los interruptores par encender las bombas de forma manual y la conexión para el encendido de las bombas a través del relé activado por el PIC18F452.

Figura K.4. Conexión para la medición de las temperaturas por los puertos analógico A0, A1, A2, A3, A5, E0 y E1 del PIC18F452 utilizando el AD620.

Figura K.5. Conexión del PIC para la comunicación por el puerto serial de la computadora utilizando el MAX232.

82

Figura K.6. Conexión del PIC y la válvula de control del producto a través del amplificador operacional LM324 que convierte 0-5V a 4-20mA y la conexión de la electroválvula con el PIC por medio del SSR.

Figura K.7. Conexión del PIC y la válvula de control del reflujo a través del amplificador operacional LM324 que convierte 0-5V a 4-20Ma

83

Figura K.8. Conexión PIC a PIC por SPI, conexión del PIC y la electroválvula por medio del SSR, botón que desactiva el proceso y potenciómetro que realiza la apertura o cierre de las válvulas control (Producto y Reflujo).

Figura K.9. Conexión de las resistencia de calentamiento para el aceite, controlada por el PIC esclavo.

84

ANEXO L: Diagramas de Flujos

85

Figura L.1. Flujograma del software del PIC18F452 esclavo para la válvula producto y reflujo.

Figura L.2. Flujograma del software del PIC18F452 esclavo para la activación de los watt.

86

Inicio

Llamado de las librerías. #include "tesis_destilacion_maestro_01.h". #include . #include . #include "MATH.H". Declaración de las variables. #int_RDA #int_TIMER1.

Sub-rutinas lazocerrado(void). Usada para realizar dentro de la interrupción los cálculos para el accionamiento de la válvula de reflujo. ini_setup(). Usada para inicializar los periféricos del PIC. escanear_fila(). Usada para verificar la tecla presionada. kbd_getc(). Usada para saber cual de la teclas se presiona. Ini_var(). Usada para inicializar los valores del PID. temp_tope(). Lee por el canal analógico 0, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. temp_fondo_manual(). Lee por el canal analógico 1, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD para la parte manual. temp_fondo(). Lee por el canal analógico 1, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. Dependiendo de su temperatura y tipo de proceso, enciende o apaga las bombas (Aceite, vacío o/y desplazamiento positivo) por SPI. Temp_aceite(). Lee por el canal analógico 2, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. Dependiendo de la temperatura de referencia, enciende o apaga las resistencias por medio del SPI, como también si se ha apagado el proceso para decírselo al PIC esclavo temp_refrigerante(). Lee por el canal analógico 3 , transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. temp_condensado_tope(). Lee por el canal analógico 4, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. temp_alimentacion(). Lee por el canal analógico 5, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. temp_descarga_producto(). Lee por el canal analógico 6, transforma a grado centígrados y lo imprime en el LCD. proceso_afmosferico(). Llamado de las sub-rutinas: temp_tope(), temp_fondo(), Temp_aceite(). proceso_vacio(). Llamado de las sub-rutinas: temp_tope(), temp_fondo(), temp_refrigerante(), Temp_aceite(). proceso_continuo(). Llamado de las sub-rutinas: temp_tope(),temp_fondo(),Temp_aceite(),temp_refrigerante(), temp_condensado_tope(), temp_alimentacion(), temp_descarga_producto(). tipo_practica(). Imprime en el LCD para seleccionar el tipo de proceso (BACTH o CONTINUA). tipo_bacth(). Imprime en el LCD para seleccionar el tipo de proceso BACTH (ATMOSFÉRICA o VACIO ) tipo_continua(). Imprime en el LCD para seleccionar el tipo de proceso CONTINUA (ATMOSFÉRICA). tipo_kw(). Imprime en el LCD para seleccionar los watt. tipo_resistencia(). Imprime en el LCD para seleccionar las resistencia. tipo_temperatura_referencia(). Imprime en el LCD para seleccionar la temperatura referencia. tiempo_reflujo(). Imprime en el LCD para seleccionar el porcentaje de la válvula reflujo. tiempo_producto(). Imprime en el LCD para seleccionar el porcentaje de la válvula producto. sel_manual_automatico(). Imprime en el LCD para seleccionar si es de tipo manual o semi-automatico verificar(). Imprime en el LCD los valores introducidos durante la selección y confirmarlos. Revisar_teclado(). Verifica si se ha presionado alguna de las teclas Las sub-rutinas de borrar se usan para cuando se presiona la teclas de los Nº los coloque en la posición adecuada, para borrar el Nº en caso de equivocarse y guardarlo en la memoria eeprom en la dirección dada para luego usarlos. borrar_kw(). borrar_temp_ref(). borrar_tiempo_refl(). borrar_tiempo_producto(). ini_proceso_manual(). Envía por SPI los valores escogidos durante la selección realizada por el teclado. Esta corresponde a la parte manual. ini_proceso(). Envía por SPI los valores escogidos durante la selección realizada por el teclado o los enviados por la PC.

Menu principal

Llamado de la sub rutina: ini_setup() y Ini_var(). Inicialización de las variables a usar.

Figura L.3. Flujograma del software del PIC18F452 maestro.

87

estado_menu=0

S

tipo_practica() Revisar_teclado()

N N

While (true)

press=0

S

S

Key='1' N

N

estado_menu=2 printf(lcd_putc,"\f") CONTINUA=1 ATMOSFERICA=0 VACIO=0

S Key='2'

S

N Fin estado_menu=1

S

tipo_bacth() Revisar_teclado()

N

press=0

estado_menu=1 printf(lcd_putc,"\f")

S

Key='1'

N

S

N

Key='2'

S

N

Key='A'

vengo_menu=1 estado_menu=3 printf(lcd_putc,"\f") tipo_kw() ATMOSFERICA=1 CONTINUA=0 VACIO=0 vengo_menu=1; estado_menu=4; printf(lcd_putc,"\f") tipo_kw() VACIO=1 CONTINUA=0 ATMOSFERICA=0 estado_menu=5; VACIO=0; ATMOSFERICA=0; printf(lcd_putc,"\f");

S

N

estado_menu=2

S

tipo_continua() Revisar_teclado()

N

press=0

S

Key='1'

N

S

vengo_menu=2 estado_menu=3 printf(lcd_putc,"\f") tipo_kw()

N

Key='A'

S

estado_menu=0 CONTINUA=1 printf(lcd_putc,"\f")

N

estado_menu=3 O

S

Revisar_teclado()

press=0

key!='B' y key!='D' y key!='C' y key!='A' y key!='*'

S

estado_menu=4 N N

N

key=='A'

S

vengo_menu=1 N

N

vengo_menu=2 N

key='D'

N

S

S

borrar_kw()

estado_menu=1 for (i=0;i