Diseño y análisis de control en paralelo para sistemas ternarios de múltiple alimentación

Designing and analysing parallel control for multifeed ternary systems

En este artículo se analiza una estructura de control paralelo para mejorar el comportamiento de una planta con corrientes de recirculación y múltiples alimentaciones, tomando como ejemplo un sistema ternario con reacción de segundo orden irreversible: A+B→C La dinámica inducida por el material reciclado puede provocar el llamado efecto bola de nieve ante la presencia de perturbaciones en la corriente de alimentación. Con el esquema de control paralelo el efecto bola de nieve se puede prevenir mediante la distribución de carga a través del proceso. Con este fin, se propone una estructura de control donde la composición del producto está regulada por medio de la manipulación simultánea de la relación de vapor de la columna final y la temperatura del reactor. Se realiza una extensión a proceso de un reactor, una columna de destilación y un flujo reciclado. Simulaciones no lineales muestran la efectividad del control de composición con esfuerzos de control de vapor moderados.

Introducción

Una planta química incluye unidades que operan independientemente, tales como reactores, columnas de destilación, intercambiadores de calor, etcétera. Existe una clara diferencia entre el comportamiento en estado estacionario y dinámico de estas unidades cuando se utilizan en un sistema interconectado, especialmente si hay un reciclaje en la  planta.  Aunque el reciclaje  reduce  el costo, también tiene algunas desventajas desde el punto de vista de control; Luyben (1994) demostró que los cambios en la concentración y el caudal de alimentación pueden provocar el fenómeno de bola de nieve en los procesos con recirculación. El efecto bola de nieve, que implica un ligero cambio en el flujo de entrada, causa un cambio significativo en el flujo recirculado. Este efecto puede actuar como una retroalimentación positiva y causar inestabilidad de todo el sistema. Para la prevención del efecto bola de nieve, la idea de un control equilibrado es sugerido por Wu y Yu (2003) y Hung et al.  (2006).  Mediante un control equilibrado  se distribuye el efecto de la carga en diferentes partes del proceso. Esto mejora la capacidad de la estructura de control para su recuperación ante cargas y perturbaciones de grandes magnitudes (Alizadeh et al., 2006).

Siguiendo estas ideas, tomamos como ejemplo el proceso considerado por Tyreus Luyben (1993) con una reacción de segundo orden A + B → C . Dos reactivos A y B se alimentan, por separado, a un reactor agitado de tanque continuo, que opera isotérmicamente. La velocidad de reacción puede ser expresada como

R_C=V_Rkz_Az_B