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E N D
1. CRISTALIZADORES BLANCHARD CONECTADOS EN SERIE POR CANALES ALTERNOS
2. CRISTALIZADORES BLANCHARD CONECTADOS EN SERIE
4. LAZOS DE CONTROL PARA ESTACIÓN DE CRISTALIZADORES EN SERIE
5. CRISTALIZADOR DDE ENFRIAMIENTO POR AIRE
6. CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO Las dinámicas de la temperatura de la masa cocida a la salida del cristalizador (variable controlada) frente a cambios en el flujo de agua (variable manipulada), o frente a a cambios en su temperatura de entrada o en la temperatura del agua (posibles perturbaciónes) puede describirse con suficiente aproximación por un sistema de primer orden con retardo de tiempo.
Estas dinámicas son extraordinariamente lentas, debido a las grandes capacidades de almacenamiento de energía y masa presentes en un cristalizador.
A partir de la caracterización del proceso y de su identificación dinámica experimental, se demostró por la vía de la simulación que la estrategia de control alguna vez implantada en numerosos ingenios estuvo mal concebida por dos razones. Es erróneo controlar el nivel de masa cocida en el cristalizador manipulando el flujo proveniente del receptor de templas; lo correcto es manipular ese mismo flujo pero para controlar en régimen promediante al nivel en el propio receptor de templas. Es erróneo también pretender controlar la temperatura de la masa cocida utilizando la estrategia PID convencional, pues como es conocido esta estrategia falla cuando la dinámica del proceso es muy lenta, tal como el caso que nos ocupa. Por esas concepciones erróneas esta estrategia no tuvo resultados favorables.
7. FACTIBILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA La aplicación de un sistema de control avanzado garantizaría una reducción de la pureza de la miel final en no menos de tres unidades con relación al control manual de la misma estación.
Este estimado se sustenta en el hecho de que la pureza de la miel final, depende entre otros factores, del mejor o peor control del tratamiento térmico de la masa cocida en los cristalizadores de tercera. Según Jenkins “se comprueba que una reducción de una unidad en pureza, se puede lograr por cada descenso de 3?C en la temperatura de la masa cocida”. Por otra parte Hugot considera que “una disminución de un punto en la pureza de las mieles, corresponde a un aumento de aproximadamente de 0.4 a 0.5% del azúcar recuperado”. Para ejemplificar el beneficio económico que significaría una reducción de la pureza en tres unidades, utilizaremos datos de un ingenio, que en la zafra 95/96 produjo 6641 ton de miel final con un Brix promedio de 90.47 y una pureza promedio de 41.04. Si este central hubiese logrado una pureza promedio de 38 en esa campaña hubiera recobrado aproximadamente 150 ton de azúcar adicionales, con un precio aproximado de 45000 USD,.
8. CASO DE ESTUDIO El primer caso de estudio es la estación de cristalizadores verticales del INGENIO LA UNIÓN, S.A. de Guatemala.
Es necesario y conveniente lograr al menos otro caso de estudio.
9. CRISTALIZADORES VERTICALES DEL INGENIO LA UNION SA
10. DESCRIPCIÓN DE LA ESTACIÓN DE AGOTAMIENTO DEL INGENIO LA UNION SA Los equipos de proceso son un recibidor de templas con una capacidad de 4017pie3 y sección transversal de 230 pie2, tres cristalizadores verticales conectados en serie, y cuatro bombas accionadas con variadores de frecuencia. Cada cristalizador tiene un volumen de 7000 pie3, dispone de 12 serpentines para el enfriamiento y aporta un tiempo de residencia promedio de 10.16 hora. La masacocida entra al primer efecto desde el recibidor y fluye a contracorriente con el agua a través de todo el banco de cristalizadores.
El sistema de instrumentación, monitorización y control está conformado por:
Sensores de nivel OHMART instalados en cada cristalizador y en el receptor de templas.
Sensores de temperatura RTD tipo PT100 de tres hilos, instalados en tubería de salida masa y en tuberías agua alimentación.
Variadores de frecuencia Siemens y Rockwell para todas las bombas.
Válvula de regulación tipo mariposa de 4" en la tubería de alimentación de agua.
Medidor de flujo magnético marca KROHNE de inserción.
Sistema I/A Foxboro en el área de Tachos y Cristalizadores, ya está migrado a la V8.2, conviviendo con el resto de la fábrica en V6.4
11. MODELADO, SIMULACIÓN Y CONTROL DEL NIVEL En cada cristalizador es necesario implantar un control de nivel, que por un lado garantice el balance de materiales y por otro la eficiencia térmica del proceso de enfriamiento. El principio de funcionamiento es controlar a valor constante el nivel en el cristalizador, manipulando el caudal de salida de masa. Los cambios en el caudal de entrada constituyen la perturbación principal.
Un esquema de este control de nivel se muestra en la figura.
12. MODELADO DE LA DINÁMICA DEL NIVEL Planteando la ecuación de balance de masa cocida en el cristalizador
13. DINÁMICA DEL NIVEL EN TRANSFORMADA DE LAPLACE (frente a cambios en los caudales de entrada y/o salida)
14. MODELADO DEL CONJUNTO VARIADOR MOTOBOMBA La dinámica del caudal bombeado frente a cambios en la señal de control U aplicada al variador puede ser representada con suficiente exactitud por una ecuación diferencial de primer orden. La constante de tiempo ta propiamente debe determinarse experimentalmente o por lo menos verificarse a posteriori. Inicialmente para la simulación se supone que es igual 1 minuto. La ganancia en términos adimensionales es 1.
15. MODELIZACIÓN DEL SENSOR DE NIVEL La dinámica de la salida Y del sensor frente a cambios en el nivel puede ser representada con suficiente exactitud por una ecuación diferencial de primer orden.
16. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA PLANTA CONTROLADA
17. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CONTROL DE NIVEL Obsérvese que la planta controlada no tiene autorregulación de nivel.
El diagrama de bloques del lazo de regulación utilizando un controlador PI se muestra en la figura.
Obsérvese que la acción de controlador es inversa, debido a que hay un cambio de signo en el proceso controlado.
Para la planta controlada nominal se ha supuesto una constante de tiempo del actuador de 1 minuto y la constante de tiempo del sensor 0.2 minutos.
18. SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL DE NIVEL La simulación y optimización del desempeño de este lazo se realizó con ayuda de la herramienta SIMULINK del paquete MATLAB.
Las especificaciones exigidas al desempeño del lazo de control son las siguientes:
Operar al 90% para utilizar al máximo la capacidad de enfriamiento del equipo y proporcionar el mayor tiempo de residencia posible. Esto significa que si se quiere operar con referencia fija al 90 % es necesario garantizar que frente a un aumento súbito del caudal de entrada el pico del nivel no produzca desbordamientos.
Que tenga el menor error estacionario (offset) posible.
Entonces el objetivo de la simulación ha sido seleccionar la mejor ley de control para esta aplicación y sintonizar sus parámetros de modo de satisfacer las especificaciones requeridas.
Teniendo en cuenta que las constantes de tiempo reales del actuador y del sensor pueden ser diferentes de las estimadas inicialmente, se debe hacer una sintonía que tenga un margen de robustez determinado.
Para estos parámetros la ganancia crítica del lazo es 2.13 y el periodo crítico es 2.66 minutos, y el controlador fue sintonizado con Kc = 0.2 y Ti= 1000 s
19. RESULTADOS EXPERIMENTALES COMPORTAMIENTO DEL NIVEL EN EL CRISTALIZADOR Nº 2 (arriba) Y EN EL Nº3 (debajo) Se operaron en “automático” los controladores de nivel en los cristalizadores Nº2 y Nº3.
Los controladores fueron configurado y sintonizado en el sistema I/A Foxboro .
Observar que el control mantiene el nivel de masa cocida alrededor del 90% con una buena precisión.
20. CONTINUACIÓN DEL PROYECTO El proyecto no está finalizado, faltando aún:
EL control de alimentación de masacocida al primer cristalizador.
El control de la temperatura de la masacocida.
21. CONCLUSIONES En la próxima zafra se trabajará en la modelización y control de la temperatura de la masa cocida.
Para generalizar los resultados de este proyecto se necesitan otros casos de estudio.
!MUCHAS GRACIAS!
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