Quimica Electronuc Electron Uc Simulador De Procesos Lou 4e1b71

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

Desarrollo de una herramienta didáctica para la simulación de procesos con reactores aplicados en el Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo utilizando el software MATLAB.

Autores:

Br. Aguilar G. Maria J. Lic. Briceño P. Victor J.

Tutor(ra): Prof. Colmenares Mariela. Naguanagua. Julio de 2014

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA PROYECTO DE TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

Desarrollo de una herramienta didáctica para la simulación de procesos con reactores aplicados en el Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo utilizando el software MATLAB.

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

Autores:

Br. Aguilar G. Maria J. Lic. Briceño P. Victor J.

Tutor(ra): Prof. Colmenares Mariela. Naguanagua. Julio de 2014

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Agradecimiento. Primeramente, le agradecemos a Dios que nos permitió culminar esta carrera y alcanzar esta meta personal. A nuestros padres y hermanos, que nos brindaron su apoyo incondicional para culminar todas las metas propuestas, y que gracias a los valores que nos enseñaron nos mantuvimos constantes y responsables. A nuestros familiares que nos apoyaron y animaron en cada etapa de la carrera. A nuestros profesores, que día a día nos brindaron sus conocimientos para crecer como profesionales, y además por dedicarnos tiempo extra fuera de clases. A nuestra tutora la profesora Mariela Colmenares, por brindarnos la oportunidad de realizar este trabajo con ella, por guiarnos y orientarnos en el desarrollo del trabajo especial de grado. Y a todas las personas que día con día estuvieron presentes en el desarrollo de esta meta alcanzada. Finalmente un Agradecimiento a la Universidad de Carabobo y a todas aquellas personas que no alcanzamos nombrar pero que estan presente en nuestra mente, nuestra más sincera gratitud. Maria Jose Aguilar Gutierrez. Victor Jose Briceño Pineda. 2014.

Sistemas y Automática

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Dedicatoria. Este trabajo va dedicado a mis padres María de Aguilar y Luis Aguilar, a mi hermano Néstor Aguilar, ya que ellos trabajaron hombro a hombro conmigo brindándome amor y apoyo. También va dedicado a toda mi familia, en especial a ti abuela Alejandrina Pagua, amigos y profesores que hicieron realidad este gran sueño.A mi gran amigo Victor Briceño, que desde que nos conocimos hicimos un excelente equipo de trabajo, apoyándome en cada etapa de la carrera. Maria Jose Aguilar Gutierrez. Dedico este trabajo primeramente a Dios con el que siempre cuento en los buenos y malos momentos, a mis padres por su apoyo en cada etapa de mi vida, a mis grandes amores mi esposa Beatriz Elena y mi hija Miranda que tuvieron tanta paciencia y comprensión para poder hacer realidad esta meta de mi vida, a mis hermanos (Arístides, Rosario y Daniela) cada uno a su manera me ha brindado lo mejor de sí para que culmine cada etapa académica y personal que me he trazado, a mi amiga y compañera de estudio Maria Aguilar por tenerme la paciencia a lo largo de toda la carrera y brindarme su apoyo en todo momento. Finalmente dedico este trabajo a toda mi familia, amigos y conocidos, y dejando una reexión.

Nunca es tarde para alcanzar un sueño.

Lic. Victor Jose Briceño Pineda.


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Índice general 1. Planteamiento de problema. 1.1. El Problema. . . . . . . . . . 1.2. Justicación. . . . . . . . . . 1.3. Objetivos. . . . . . . . . . . . 1.3.1. Objetivo General. . . 1.3.2. Objetivos Especícos. 1.4. Alcances y Limitaciones. . .

1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. Marco Teórico 2.1. Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Bases Teóricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Reactor Químico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Reacción Química. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Areas interfacial gas-líquido y el coeciente de transferencia de masa en fase liquida. . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Constante de velocidad de seudo primer orden. . . . . 2.2.6. Criterio para reacciones de seudo primer orden en un sistema gas líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7. Método de Blauwho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8. Método de Danckwerts y Laddha. . . . . . . . . . . . . . 2.2.9. Supercie de o del reactor. . . . . . . . . . . . . . 2.2.10. Sistema de alimentación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.11. Sistema de agitación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.12. Líneas de transporte de uido. . . . . . . . . . . . . . . .

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4 6 6 6 13 19 19 20 20 20 21 21 21 21

ÍNDICE GENERAL

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Medidores de ujo volumétrico de líquido y de gas. 2.2.14. Simulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.15. MATLAB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.13.

3. Marco Metodológico 3.1. Tipos de Investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Etapas del proyecto factible. . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Diagnóstico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Planteamiento y fundamentación teórica. 3.3. Procedimiento Metodológico. . . . . . . . . . . . .

. .

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22

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55 . . . . . . . .

55

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57

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58

4. Desarrollo de la herramienta didáctica y Análisis de resultados. 59 4.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2. Fase N 0 1 Estudio de las características de cada reactor utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2.1. Reactor agitado discontinuo (BATCH). . . . . . . . . . . 60 4.2.2. Reactor agitado continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3. Fase N 0 2 Categorización de las variables de los reactores. . . 64 4.3.1. Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA). 65 4.3.2. Absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA) en un Reactor de Tanque Agitado Continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4. Fase N 0 3 Elaboración de pantallas de los cálculos numéricos de cada reactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4.1. Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono CO2 en Monoetanolamina (MEA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.4.2. Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5. Fase N 0 4 Elaboración de pantallas y objetos animados. . . . 88 4.6. Vericación y análisis de resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Sistemas y Automática

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ÍNDICE GENERAL 4.6.1.

4.6.2.

viii

Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108

110

5. Conclusiones Y Recomendaciones.

114

6. Apéndice. 6.1. Experimento N◦ 1. . . . . . . . . . 6.1.1. Objetivos: . . . . . . . . . . 6.1.2. Método Operatorio: . . . . 6.1.3. Condiciones de operación: 6.1.4. Cálculos: . . . . . . . . . . . 6.2. Experimento N◦ 2. . . . . . . . . . 6.2.1. Objetivos: . . . . . . . . . . 6.2.2. Método Operatorio: . . . . 6.2.3. Condiciones de operación: 6.2.4. Cálculos: . . . . . . . . . . . Referencias Bibliográcas . . . . . . .

117


. . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

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Índice de cuadros 2.1. Sistemas de absorción con reacción química. . . . . . . . . . . . . . .

16

4.1. Difusividad en líquidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

4.2. Correlación Danckwerts y Laddha en función de la concentración de Monoetanolamina (MEA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3. Constante de velocidad de seudo primer orden y error porcentual entre los valores del simulador y los de Toyo-Jaspe en función de la concentración de Monoetanolamina (MEA). . . . . . . . . . . . . . . 110 4.4. Solubilidad de dióxido de carbono en agua. . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.5. Presiones absolutas de entrada y salidas. . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.6. Flujos molares de dióxido de carbono de entrada y salida. . . . . . . . 112 4.7. Rata promedio de Absorción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.8. Área interfacial y Coeciente de Transferencia de Absorción. . . . . . 112 4.9. Criterio de Seudo primer Orden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

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Índice de guras 2.1. Reactor por Lote o tipo Batch con agitación. . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2. Reactor Continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3. Ventana Principal de MATLAB (MATLAB Desktop). . . . . . . . . .

25

2.4. Barra de herramientas (MATLAB Desktop). . . . . . . . . . . . . . .

26

2.5. Botón de Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

2.6. Ventana Launch Pad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.7. Ventana Command Window. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.8. Ventana Workspace.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

2.9. Ventana Command History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

2.10. Ventana Current Directory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

2.11. Demo modelo de sistema hidráulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

2.12. Demo modelo de recticador trifásico. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

2.13. Demo interactivo respuesta de un circuito RLC. . . . . . . . . . . . .

34

2.14. Demo Frontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

2.15. Diagrama de bloques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

2.16. Paleta de Herramienta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.17. Tools palette

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

2.18. Tools palette

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.19. Paleta de controles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.20. ActiveX - Select a Control - Para seleccionar cualquier control. . . . .

41

2.21. Paleta de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.22. Paleta de Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.23. Paletas de funciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.24. Paleta de funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43


43

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ÍNDICE DE FIGURAS

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44

2.29. Barra de Herramientas.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

2.30. Apariencia del botón RUN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

2.31. Continuos RUN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

2.32. STOP y PAUSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.33. Modelo OSI con T/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.34. Encapsulado de datos por los niveles T/IP. . . . . . . . . . . . . .

49

2.35. Representación de la cabecera de una datagrama IP. . . . . . . . . . .

50

2.36. Representación del formato de mensaje UDP. . . . . . . . . . . . . .

51

2.37. Campos de cabecera para un segmento T. . . . . . . . . . . . . . .

52

2.38. Distintas formas de representar una dirección IP. . . . . . . . . . . .

54

2.39. Solución de direcciones de red y host. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.1. Reactor Agitado Discontinuo (BATCH). . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.2. Reactor Agitado Continuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

4.3. Partes del reactor BATCH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

4.4. Agitador y Sistema de calentamiento del reactor BATCH. . . . . . . .

62

4.5. Partes del Reactor Continuo.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

4.6. Reactor Discontinuo en la unidad Armeld CEM-KII. . . . . . . . . .

64

4.7. Reactor Continuo en la unidad Armeld CEM-KII. . . . . . . . . . .

64

4.8. Librería de Simulink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

4.9. Conguración interna del bloque que simula la correlación Danckwerts

y Laddha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

4.10. Modelo en Simulink de la correlación Danckwerts y Laddha. . . . . .

69

4.11. Conguración interna del bloque que simula la supercie de o.

69

4.12. Modelo en Simulink de la Supercie de o. . . . . . . . . . . .

70

4.13. Conguración interna del bloque que simula el cálculo de la constante

de velocidad por el método de Blauwho y el error porcentual. . . . .

70

4.14. . Modelo en Simulink del cálculo de la constante de velocidad y el error

porcentual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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ÍNDICE DE FIGURAS

xii

4.15. . Conguración en bloque del modelado de la práctica 1 de la herra-

mienta SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014. . . . .

72

4.16. Conguración interna del bloque que modela el cálculo de la solubilidad

de (CO2 ) en agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.17. Modelo en Simulink del cálculo de Solubilidad. . . . . . . . . . . . . .

76

4.18. Conguración interna del bloque que modela la rata promedio de ab-

sorción por unidad de volumen para concentración de MEA. . . . . .

77

4.19. Modelo en Simulink del cálculo de Solubilidad. . . . . . . . . . . . . .

78

4.20. Conguración interna del bloque de los ujos molares de dióxido de

carbono. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

79

4.21. Modelo en Simulink de los ujos molares. . . . . . . . . . . . . . . . .

79

4.22. Conguración interna del bloque de las presiones absolutas de dióxido

de carbono. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.23. Modelo en Simulink de las Presiones Absolutas. . . . . . . . . . . . .

81

4.24. Conguración interna del bloque de los mínimos cuadrados para la

obtención A2 y B2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.25. Modelo en Simulink de los mínimos cuadrado para la obtención de A2

y B2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

4.26. Conguración interna del bloque del cálculo del área interfacial. . . .

83

4.27. Modelo en Simulink del área interfacial. . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

4.28. Conguración interna del bloque del coeciente de transferencia. . . .

85

4.29. Modelo en Simulink del coeciente de transferencia. . . . . . . . . . .

85

4.30. Conguración interna del bloque del criterio de seudo primer orden. .

86

4.31. Modelo en Simulink del criterio de seudo primer orden. . . . . . . . .

86

4.32. Conguración en bloque del modelado de la práctica 2 de la herramien-

ta SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014. . . . . . . .

87

4.33. Pantalla de inicio del software LabVIEW2012. . . . . . . . . . . . . .

88

4.34. Archivo del proyecto de la Herramienta didáctica. . . . . . . . . . . .

88

4.35. Portada del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014. .

90

4.36. Programación de los botones de la Portada. . . . . . . . . . . . . . . .

91

4.37. Ventana de selección de Prácticas del SIMULADOR BÁSICO DE

REACTORES ABC-2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

4.38. Programación de los botones de la ventana selección de Práctica. . . .

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ÍNDICE DE FIGURAS

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4.39. Ventana descripción Práctica 1 del SIMULADOR BÁSICO DE REAC-

TORES ABC-2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

4.40. Programación de la ventana descripción de la Práctica 1. . . . . . . .

97

4.41. Ventana descripción Práctica 2 del SIMULADOR BÁSICO DE REAC-

TORES ABC-2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

4.42. Programación de la ventana descripción de la Práctica 2. . . . . . . .

99

4.43. Ventana Práctica 1 del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES

ABC-2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.44. Bloques de Programación de la ventana Práctica 1. . . . . . . . . . . 101 4.45. Bloques de Programación de la ventana Práctica 1. . . . . . . . . . . 102 4.46. Ventana Práctica 2 del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES

ABC-2014. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.47. Bloques de Programación de la ventana Práctica 2. . . . . . . . . . . 105 4.48. Librería de conexión entre MATLAB y LabVIEW. . . . . . . . . . . . 106 4.49. Bloque SignalProbe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.50. Conexión T/IP entre MATLAB y LabVIEW para las prácticas 1y2

del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014. . . . . . . 107


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ÍNDICE DE FIGURAS

xiv

Resumen. Actualmente el Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo cuenta con un Reactor Químico marca Armeld modelo CET MKII, el cual no está operativo para prácticas experimentales de procesos que permitan analizar el comportamiento del reactor, y debido a eso una gran cantidad de alumnos se ven afectados semestralmente ya que no pueden observar los resultados teórico prácticos vistos en la materia cinética y diseño de reactores (IQ8Q11) perteneciente al pensum académico de dicha escuela. Es por esto que nació la propuesta de realizar una herramienta didáctica, a través del software MATLAB y LABVIEW para simular el comportamiento de cada reactor partiendo de un conjunto de prácticas que fueron elaboradas en 1986 pero nunca fueron puestas en marcha. Para obtener los resultados esperados se procedió a realizar una descripción completa de cada modelo de reactor a utilizar en las prácticas, y luego clasicar los tipos variables del sistema las cuales son manipuladas o controladas, posterior a esto se denieron los rangos de trabajo de todos los elementos existentes. Una vez recopilada toda la información antes expuesta se procedió a realizar una herramienta didáctica con el software MATLAB que muestra los modelos matemáticos de los cálculos deseados, mientras que las pantallas y objetos animados que simulan el comportamiento de los reactores de acuerdo a las prácticas planteadas se realizó con la ayuda del software LABVIEW. Después de culminar la herramienta didáctica se procedió a realizar pruebas de funcionamiento, las cuales se compararon con los resultados obtenidos de las prácticas, comprobando de esta manera la conabilidad de esta herramienta y luego se elaboraron instrucciones breves del manejo para futuros s. Palabras claves:

Reactor, MATLAB, Modelado, Software, Didáctico.


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ÍNDICE DE FIGURAS

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Introducción Un reactor químico es un equipo capaz de formar un producto a partir de unas sustancias llamadas reactantes, mediante transformaciones químicas. Por esa cualidad son de gran importancia en los procesos industriales, ya que permite la integración de componentes que favorecen la elaboración del producto deseado. Debido a la gran gama de tipos de reactores, la variable principal de control es la composición nal del producto de salida del reactor, esto a n de cumplir con las especicaciones requeridas. Cabe destacar que las otras variables controladas son consecuencia de la composición, ya que dependiendo de tipo de reactor se mantendrán o no constantes las variables involucradas. El estudio de cada reactor es bastante extenso debido a sus características físicas y químicas, es por ello que en la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo existe una materia llamada Cinética y Diseño de Reactores, donde aprecian lo antes mencionado. Sin embargo, este estudio es netamente teórico y no práctico porque el reactor existente se encuentra desincorporado, lo que impide efectuar prácticas de laboratorio, aún cuando ya han sido diseñadas. Por esta razón, surge la idea de implementar una herramienta didáctica empleando los software MATLAB (Matrix Laboratory) y LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) que permitirán observar el comportamiento de los reactores. Las simulaciones se hicieron bajo características ya denidas por prácticas existentes, con dos tipos de reactores, Batch y Continuo, y dos concentraciones que son dióxido de carbono y monoetanolamina. Con el software de MATLAB se trabajó todo lo relacionado con la simulación del modelo matemático de los cálculos requeridos en las prácticas, mientras que en LabVIEW se muestra el entorno gráco de la simulación como la interfaz humano máquina, resaltando todos los aspectos importantes tanto de los reactores como de los parámetros a calcular. La comunicación entre ambos software se realizó a través del protocolo T/IP, T (Transmission Control Protocol) y el protocolo IP (Internet Protocol). Sistemas y Automática

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Capítulo 1 Planteamiento de problema. 1.1. El Problema. Los principales reactores en la industria son los reactores de tanque agitado como el reactor continuo o batch. Para algunas reacciones químicas existen reactores que son más ecientes que otros, ya que eso depende solo de las condiciones deseadas por la industria. El Laboratorio de Ingeniería Química (LIQ) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo cuenta con un Reactor Químico marca Armeld modelo CET MKII para el desarrollo de prácticas experimentales que forman parte del contenido programático de la asignatura Cinética y Diseño de Reactores (IQ8Q11) de la Escuela de Ingeniería Química, la cual es materia obligatoria del octavo semestre de dicha carrera, con un promedio de cursantes por semestres de 30 alumnos. La unidad CET MKII cuenta con un controlador proporcional integral derivativo (PID), el cual se encarga de la regulación de la temperatura de los procesos en los diferentes reactores que conforman el equipo de laboratorio, los cuales son de tipo continuo, de tipo batch y contiene un software gráco interactivo que permite ver en pantalla el comportamiento de los reactores, ante variaciones en el proceso. Cabe destacar que la unidad de PC se encuentra deteriorada, mas no ha podido actualizarce debido a que el software es muy antiguo y no funciona en los nuevos procesadores.

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CAPÍTULO 1. PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA.

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Cabe destacar que existe un compendio de prácticas, donde se muestra el comportamiento de los reactores tipo continuo y batch, pero ellas no pueden ser desarrolladas debido a que el dispositivo se encuentra desincorporado, por tal motivo se ven afectados una gran cantidad de estudiantes como se mencionó anteriormente, ya que no cuentan con una herramienta didáctica que complementé su conocimiento teórico. Es por ello, que surge la idea de realizar una herramienta didáctica basada en la simulación de dichas prácticas utilizando los software de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices"(MATLAB) y Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW), que abarca todos los aspectos característicos de los reactores, como lo son la concentración, la temperatura, presión, entre otras, en este sentido algunas de estas variables son controladas o se tiene un seguimiento de manera indirecta aplicando fórmulas, y otras que son cuanticables a través de los instrumentos.

1.2. Justicación. La elaboración de una herramienta didáctica que permita la simulación de las prácticas con el software MATLAB de la unidad de Rectores Químico CET MKII del LIQ de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo, que se enmarca con la línea de investigación

Modelado y Simulación de Procesos

Industriales que permitirá reforzar el conocimiento de los procesos de reactores a

los estudiantes de Ingeniería Química lo cual sería provechoso debido a que en la actualidad en dicha escuela no existe forma alguna de observar el comportamiento experimental de un reactor químico. Con la implementación de esta herramienta se desea realizar un análisis de los procesos en función de la variación de las variables fundamentales para las reacciones en estudio, tomando en cuenta la posibilidad de existir o no una perturbación en el sistema.


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CAPÍTULO 1. PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA.

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1.3. Objetivos. 1.3.1. Objetivo General. Desarrollar una herramienta didáctica para la simulación de procesos con reactores utilizados en el Laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo.

1.3.2. Objetivos Especícos. 1. Realizar un estudio acerca de las características de cada reactor utilizado en las prácticas. 2. Categorizar las variables de los reactores de acuerdo a las prácticas. 3. Elaborar pantallas que reejen los cálculos numéricos de cada reactor empleando el software MATLAB. 4. Elaborar pantallas que muestren el comportamiento de cada reactor utilizando el software Labview. 5. Vericar los datos obtenidos comparando con los teóricos.

1.4. Alcances y Limitaciones. Se desarrollará una herramienta didáctica con el software MATLAB, que permita observar el comportamiento de los diferentes tipos de reactores químicos, tomando en cuenta los procedimientos de las prácticas existentes, del laboratorio de la escuela Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo, cabe destacar que tal herramienta estará orientada a las exigencias y dicultades de las prácticas seleccionadas.


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Capítulo 2 Marco Teórico 2.1. Antecedentes. Eliana Peña T., Aída R Pérez R., Ander J. Miranda, José H. Sánchez L.(2008) Modelado de un reactor químico tipo CSTR y evaluación del control predictivo aplicando Matlab-Simulink. Centro de Investigación y Tecnología en Automatización, Electrónica y Control (CITAEC), Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo. Venezuela. El propósito de este trabajo es el estudio de un reactor tipo tanque continuamente agitado (CSTR) a partir de su modelo matemático en variables de espacio de estado. Posteriormente, se utiliza el modelo no lineal para realizar unas pruebas de lazo abierto del sistema y por último se diseña su sistema de control predictivo por modelo (MPC), el cual se compara con una estrategia de control proporcional. Para ambos lazos de control se utilizó el modelo lineal representado a través de variables de estado. Como una de las prácticas a implemetar esta basada en un reactor continuo agitado, estos modelos empleados en esta investigación serán la base para la elaboración de las simulaciones de las practicas empleadas, apoyandonos tambien en la programacion de Simulink.

Alex Alvarez S.,Winston M.,García G.,Oscar E.,Camacho Q., Oscar O.,Cardenas S.(2000) Control e Instrumentación de un Reactor Exotérmico. Postgrado en Automatización e Instrumentación Facultad de Ingeniería Universidad de los Andes Mérida Venezuela. El presente artículo ilustra el mo4

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO

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delo y la simulación del control e instrumentación de un reactor exotérmico. Este tipo de proceso presenta fuertes no linealidades. Así como una gran interacción entre las variables manipuladas y controladas. Estas características intrínsecas del proceso hacen interesante el estudio de la instrumentación adecuada y de las limitaciones que pudiese presentarse a la hora de seleccionar una estrategia de control. Las bases teóricas regidas en esta investigación son de gran ayudad para el entendimiento y compresión para el comportamiento de los reactores exotérmico que es justamente parte de las practicas que serán simuladas.

Zulay M. Niño., Sergio A. Pérez. (1991)Simulación de Procesos Químicos en Estado Estacionario y no Estacionario Facultad de Ingeniería escuela de Química Universidad de Carabobo. El objetivo de este trabajo se centro en la creación de los programas de simulación SIMDIN y SIMEST a partir de las versiones originales DYNSYS-B (Jhonson y otros, 1970) y GEMCS (Jhonson y otros 1970), los cuales permiten, respectivamente la simulación de procesos en condiciones transitorias y estacionarias. Es de interés utilizar esta investigación como punto de comparación en lo que se reere a simulación de procesos de reacciones puesto que forma parte principal de nuestra investigación.

Toyo Amado. Jaspe Pedro. (1986) Estudio de reacciones gas-líquido en un reactor de tanque agitado con nes didácticos. Facultad de Ingeniería. Escuela de Química. Universidad de Carabobo. El presente trabajo tiene como objetivo brindar las bases teóricas y a su vez las practicas basadas en el comportamiento de reactores de tanque agitado, el cual nos ilustra el modelo y la simulación del control e instrumentación de este tipo de reactor. Estas características del proceso hacen interesante el estudio de la instrumentación y de las limitaciones que pudiese presentarse a la hora de seleccionar una estrategia de control. este estudio muestra el comportamiento de reactores de tanque agitado continuo y discontinuo con los cuales se trabajaran en el presente trabajo y así tener punto de comparación para nuestras simulaciones.

Pérez. R. Aida, Peña. T. Eliana. (2001) Simulación para el control de Reactores Químicos. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Universidad de Carabobo. Este trabajo brinda los conocimientos de los modelos lineaSistemas y Automática

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lizados de los reactores a emplearse, además da orientación en la realización de los comandos de programación con el software MATLAB.

2.2. Bases Teóricas. 2.2.1. Proceso. Según el diccionario, es una operación o desarrollo natural, caracterizado por una serie de cambios graduales, progresivamente continuos, que se suceden uno a otro de un modo relativamente jo, y que tienden a un determinado resultado o nal; o a una operación voluntaria o articial progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o n. [5]

2.2.2. Reactor Químico. Denición. Un reactor químico se puede denir como un equipo en el cual se forma una sustancia o producto a partir de otra (s) llamada (s) reactante (s), por medio de una serie de transformaciones químicas. Los reactores químicos utilizados en diversos procesos industriales pueden existir en una gran variedad de tamaños, formas y condiciones de operación que no siempre tienen alguna relación especíca con la clase de reacción. Por tal razón, la realización de una clasicación no es tarea sencilla dado que un determinado reactor puede pertenecer a distintos subgrupos de acuerdo a su diseño.[8]

Control de Reactores Químicos. En general, en todos los tipos de reactores la variable de interés que se desea controlar es la composición del producto a la salida del reactor, a n de cumplir con las especicaciones de calidad establecidas. Las demás variables controladas son consecuencia del control de composición. Así, la temperatura dentro del reactor deberá mantenerse dentro de cierto rango, ya que la misma afecta la conversión del


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o los reactantes, la velocidad de reacción y la cantidad de calor generado en el caso de tratarse de una reacción exotérmica. Cuando se realiza el diseño y análisis de un sistema de control para un reactor químico, es importante tomar en cuenta los siguientes factores que son determinados previamente en la etapa de diseño del proceso: Tipo de reactor y método de operación. Capacidad del reactor. Cinética de la reacción. Condiciones de operación en la alimentación. Según se opere con uno u otro tipo de reactor, existirán variables involucradas que se pueden mantener más o menos uniformes dentro del recipiente, mientras que otras sí cambiarán y requerirán especial atención dentro del esquema de control. Por ejemplo, un sobre pico de temperatura es indeseable y a la vez más difícil de controlar en un reactor por lotes que en uno tipo tanque. En el método de operación, se especica si es un reactor por lotes o continuo, isotérmico o no isotérmico, de acuerdo a las distintas clasicaciones donde se ubique. El objetivo de control de un reactor químico se centra en mantenerlo en las condiciones de funcionamiento óptimo para las cuales fue diseñado, aun ante la presencia de perturbaciones, de manera que el sistema de control sea capaz de ajustar las condiciones de operación en el menor tiempo y con el mayor desempeño posible. Se deben seleccionar las condiciones de los puntos de operación o ajuste, para luego optimizar su funcionamiento y maximizar los benecios. También es importante resaltar, que a n de lograr un sistema de control eciente, es conveniente evaluar la forma de operación del reactor para un conjunto dado de condiciones constantes.[8]


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Reactor por lotes ó "BATCH". Este reactor se caracteriza por la variación en el grado de reacción y en las propiedades de la mezcla reaccionante con el transcurso del tiempo. También se le llama reactor por cargas o de operación intermitente, ya que ite todos los reactantes al principio y los procesa durante un tiempo jado previamente, durante el cual no se alimenta o se extrae algún material. Tiene normalmente forma de tanque con o sin agitación como se observa en la gura, y usa principalmente para la producción a pequeña escala y cuando se requiere exibilidad en las condiciones de operación (presión y temperatura).

Figura 2.1: Reactor por Lote o tipo Batch con agitación.

Fuente:Manual CEM MKII. Estos sistemas son utilizados con reactantes y productos costosos, como por ejemplo en la industria farmacéutica. En el reactor por lotes se introducen los reactantes y se eleva la temperatura calentando la chaqueta o camisa con vapor, hasta el punto donde se inician las reacciones adecuadas. Una vez alcanzada la temperatura de operación dicho valor se mantiene inyectando agua a la chaqueta a n de retirar el calor Sistemas y Automática

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liberado por la reacción exotérmica durante el tiempo de formación del producto. Los reactores por lotes no son muy utilizados a escala comercial para reacciones gaseosas, pues con un reactor de mediano tamaño la cantidad de producto que se puede obtener es pequeña. Se emplean con mayor frecuencia para reacciones en fase líquida. La dicultad que presenta este reactor desde el punto de vista de control se debe a que se necesita un dispositivo de control que permita aumentar la temperatura del producto a un nivel adecuado. Luego, mientras ocurre la reacción, se debe remover el calor desprendido durante el tiempo necesario para que el producto a la salida sea el óptimo. De ocurrir desviaciones en el calentamiento, enfriamiento o tiempo de reacción, se originaran consecuencias indeseables como reacciones secundarias, cambios en la composición y la velocidad, todo lo cual resulta en la pérdida del producto. En este tipo de reactor primero se introduce el líquido hasta tener el nivel adecuado, y luego se introduce el gas por la parte superior del reactor hasta obtener una cierta presión. Se somete a agitación tanto la fase gaseosa como la liquida y se dejan que reaccionen un tiempo determinado, y nalmente se descarga la mezcla resultante. Esta operación se caracteriza porque el o de las dos fases se realiza en la supercie del líquido. [12]

Salidas a medir: La salida medida es la temperatura, que corresponde a una medición primaria, dado que es la variable a ser controlada directamente. En este caso no existen mediciones secundarias, es decir, variables auxiliares usadas para mejorar el control principal.

Entradas medibles: Las entradas medibles se reeren a posibles perturbaciones, entradas constantes y variables manipuladas. Para el caso del reactor por lotes, las entradas son la temperatura de alimentación del agua fría para las dos últimas etapas de la simulación, y los ujos volumétricos de vapor y agua manejados por las respectivas válvulas. Como el tanque ya fue cargado con los reactantes previamente, no existe ninguna entrada al mismo. La fuente de perturbación la constituye la misma temperatura de entrada del agua fría a la chaqueta. Se supondrán sólo pequeñas Sistemas y Automática

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variaciones de la misma, ya que por lo general la temperatura del agua inyectada a estos sistemas de enfriamiento en las plantas es relativamente constante y con pocos cambios.

En resumen: Entradas medibles: - Flujo de vapor que circula por la chaqueta en la fase de calentamiento. - Flujo de agua fría que circula por chaqueta en las fases de llenado y enfriamiento. - Temperatura del agua fría que entra a la chaqueta durante las fases de llenado y enfriamiento.

Perturbaciones: - Ninguna en la etapa de calentamiento. - La misma entrada en las fases de llenado y enfriamiento: temperatura del agua fría.

Variables manipuladas: - Fase de calentamiento: ujo de vapor que circula por la chaqueta. - Fases de llenado y enfriamiento: ujo de agua fría que circula por la chaqueta. Estos ujos son manejados variando la apertura de las válvulas de vapor y agua fría respectivamente, cuyas señales son establecidas por un sistema de control que determine el grado de calentamiento o enfriamiento requerido por el proceso. [8]

Reactores Continuos. En los reactores continuos los reactantes se introducen y los productos se extraen simultáneamente y en forma continua de esa forma las condiciones de operación son jas. Pueden construirse de diversas formas, entre ellas: como tanque, una estructura tubular o una torre. Entre los motivos por los cuales son empleados en plantas grandes están facilitar el control de calidad del producto y disminuir costos de operación. Los reactores continuos o de ujo pueden construirse de distintas formas. Pueden ser tanques o recipientes similares a los reactores por carga, a los cuales se les adaptan tubos que permitan la adición de reactantes y la extracción de producto de manera continua. En los reactores continuos de tanque con agitación, la velocidad de producción es constante y corresponde a las concentraciones y la temperatura en el euente. Como se explicó en la clasicación de reactores según su forma, la Sistemas y Automática

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uniformidad de presión, composición y temperatura se logra a través de un mezclado eciente. La operación isotérmica es posible cuando se mantienen las condiciones de estado estable. Los sistemas continuos de tipo tanque presentan ventajas para las conversiones que requieren un tiempo de reacción largo. Las unidades convencionales para el craqueo térmico de hidrocarburos son una aplicación de este tipo de reactores. En ellas, el gasoil u otras fracciones del petróleo se pasan a través de tubos de aleaciones especiales dispuestos en serie en las paredes y techos de las estufas. El calor se transere por convección y radiación a la pared del tubo a n de elevar la temperatura del gasoil a nivel de la reacción y suministrar el calor endotérmico requerido. El reactor continuo tipo tanque no es recomendable para reacciones tales como el craqueo térmico, donde deben aplicarse grandes cantidades de energía caloríca, ya que se cuenta con una supercie muy reducida por unidad de volumen del reactor. En su lugar se emplean reactores continuos tubulares.[8]

Figura 2.2: Reactor Continuo.

Fuente:Manual CEM MKII. El reactor tanque agitado continuo se caracteriza porque la fase gaseosa y liquida están completamente, denidas. Debido a que el mezclado de las dos fases en este tipo de operaciones es completo, la concentración de soluto en el volumen de líquido Sistemas y Automática

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será igual a la del ujo líquido a la salida del reactor, en cada instante de tiempo. [12]

Salidas a medir: Las salidas medidas son la temperatura del reactor y el nivel

de la mezcla dentro del tanque, ambas corresponden a mediciones primarias, dado que son las variables a ser controladas directamente. No existen mediciones secundarias, es decir, variables auxiliares usadas para mejorar el control principal.

Entradas medibles: Las entradas medibles se reeren a posibles perturbaciones, entradas constantes y variables manipuladas. En el caso del reactor tipo tanque, las entradas son: - La concentración de entrada del reactante. - El ujo de alimentación del reactante. - La temperatura de entrada del reactante. - El ujo de agua fría que entra a la chaqueta. - La temperatura del agua fría a la entrada de la chaqueta. De las entradas anteriores, algunas de ellas se considerarán jas y otras serán fuentes de posibles perturbaciones al sistema, de acuerdo a la siguiente clasicación:

Entradas jas: - Temperatura de entrada del reactante. - Temperatura del agua fría a la entrada de la chaqueta.

Perturbaciones: - La concentración de entrada del reactante. - El ujo de alimentación del reactante. En cuanto al ujo de agua que entra a la chaqueta, el mismo forma parte de las variables manipuladas.

Variables manipuladas:

- Flujo de salida del producto - Flujo de agua que

entra a la chaqueta. Estos ujos son manejados variando la apertura de las respectivas válvulas asociadas, cuyas señales son establecidas por un sistema de control que determine el grado de enfriamiento requerido por el proceso y la cantidad de ujo de salida de producto necesaria para mantener regulado el nivel dentro del tanque. [8]


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2.2.3. Reacción Química. Una reacción química es el proceso por medio del cual una o varias especies químicas (reactantes) de características diferentes se transforman en otra(s), denominada(s) producto(s). Existe en química un fenómeno denominado cinética química el cual estudia la velocidad y el mecanismo en que ocurre una reacción. Por consiguiente, un mecanismo de reacción química es una serie de eventos químicos que dan origen, además del producto, a una serie de propiedades termodinámicas como lo es la rata de calor generado durante el proceso. La ecuación generalizada para cualquier tipo de reacciones es[8]:

na ∗ A + nb ∗ B ←→ ∗C ± Q

(2.1)

donde:

A, B:

Reactantes.

C:

Producto.

Q:

calor generado o absorbido, según sea la reacción exotérmica (+) o endotérmica (-)

na, nb, nc:

coecientes de balance (No de moles) .

Monoetanolamina. La etanolamina, también llamada 2-aminoetanol o monoetanolamina, abreviado como ETA o MEA, es un compuesto químico orgánico que es tanto una amina primaria, (debido a un grupo amino en su molécula) como un alcohol primario (debido a un grupo hidroxilo). Como en el caso de otras aminas, la monoetanolamina actúa como una base débil. La etanolamina es un líquido tóxico, inamable, corrosivo, incoloro y viscoso, con un olor similar al amoníaco.[12]

Equilibrio Químico. El equilibrio químico de una reacción es una condición en la cual la reacción tiene las siguientes características: La temperatura y presión permanecen constantes y los cambios de energía libre son nulos. En condiciones estáticas de temperatura Sistemas y Automática

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y de algún catalizador utilizado, se alcanza una condición de equilibrio entre las concentraciones resultantes de reactantes y producto, el cual es representado por la llamada constante de equilibrio . La existencia de un estado de equilibrio revela que una cierta porción de los reactantes debe ser retirado con el producto. Esto da lugar a un límite en la conversión que puede alcanzarse dentro de un reactor. Una reacción puede ser estimulada de alguna de las siguientes maneras[8]: Por retiro de producto: esta acción reduce la concentración del mismo, por lo que para volver al equilibrio químico la concentración de los reactantes también debe disminuir, es decir, existirá más reacción o lo que es igual habrá un aumento en la conversión. Por adición de alguno o todos los reactantes: en este caso, el desequilibrio ocurre en forma contraria al caso anterior. Por tanto, si se utiliza exceso de algunos de los reactantes, el equilibrio será determinado por la concentración de los demás. Por manipulación de la presión en el reactor (cuando alguno de los reactantes o el producto se encuentra en estado gaseoso): si en la ecuación 2.11 se cumple que

na + nb > nc, un aumento de presión tenderá a aumentar la concentración de los reactantes en mayor grado que la del producto, favoreciendo así la reacción directa. Si por el contrario na + nb < nc, la reacción directa se verá favorecida por una disminución de presión. Por manipulación de la temperatura en la reacción: el sentido del ujo de calor involucrado en la reacción depende de su naturaleza (exotérmica o endotérmica). Para el caso de una reacción exotérmica, un mayor retiro de calor favorecerá la conversión directa, mientras que en el caso endotérmico favorecerá a la conversión inversa. A diferencia de los otros tres métodos, con éste se altera la constante de equilibrio químico de la reacción, en consecuencia, la reacción será tratada a moderadas temperaturas y con retiros continuos de calor.

Velocidad de reacción. Se dene como el cambio del número de moles de un componente con respecto al tiempo por unidad de volumen de la mezcla reaccionante. La velocidad de reacción Sistemas y Automática

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también puede denirse como un parámetro que indica cómo cambia la concentración de un reactante o un producto con el tiempo. La velocidad de reacción es negativa cuando el componente es un reactante y positiva cuando se trata de un producto. Se debe considerar que la velocidad de reacción es un valor puntual, referido a un cierto volumen diferencial de mezcla reaccionante. En otras palabras, la velocidad con que reacciona un determinado volumen de componente dependerá de las condiciones de concentración, densidad temperatura, presión y demás factores inuyentes sobre el punto donde ocurre dicha reacción. La velocidad de reacción es un parámetro que depende de la concentración de los reactantes. Se puede decir que la velocidad de reacción disminuye al reducirse la concentración de los reactantes, esta observación es generalmente válida para diversas reacciones químicas. De manera contraria, el aumento en la concentración de los reaccionantes por lo general incrementará la velocidad de reacción. Esta observación puede interpretarse con facilidad haciendo uso de la teoría de las colisiones para las velocidades de las reacciones. Mientras mayor sea la concentración de los reaccionantes, mayor será la frecuencia de sus colisiones y de sus conversiones en producto.[8]

Velocidad de Equilibrio. La solubilidad de los reactantes limitará su desplazamiento de una fase a otra, de allí que éste factor inuye de manera notable en la forma de la ecuación cinética, ya que determina si la reacción ocurre en una fase o en ambas.[12]

Reacciones Líquido-Líquido. Se realizan cuando se tienen dos reactantes inmiscibles y el producto de la reacción es una sustancia muy importante. Este tipo de reacciones son muy numerosas y se presentan en casi todos los campos de las industrias químicas donde se efectúan síntesis orgánicas. [12]

Reacciones Gas-Líquido. Existen una gran variedad de reacciones gas-líquido, las cuales son utilizadas en la industria para diversas nalidades. Un ejemplo del uso de éste tipo de reacciones es la absorción de un soluto gaseoso por el agua, la cual puede acelerarse añadiendo al Sistemas y Automática

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agua una sustancia adecuada que reacciona con el soluto absorbiéndolo, las reacciones gas-líquido mas comunes se pueden observar en el cuadro 2.1. [12] GAS SOLUTO

REACTIVO

CO2

CARBONATOS

CO2

HIDROXIDOS

CO2

ETANOLAMINAS

CO

COMPLEJO CUPROSO CON AMINAS

CO

CLORURO CUPRO AMONICO

SO2

Ca(OH)2

SO2

OZON O − H2 O

SO2

H2 CrO4

SO2

KOH

Cl2

H2 O

Cl2

F eCl2

Hs2

ET AN OLAM IN AS

Hs2

F e(OH)3

SO3

H2 SO4

C2 H4

KOH

C2 H4

F OSF AT OT RIALQU ILICO

OLEF IN AS

COM P LEJOCU P ROAM ON ICOS

NO

F eSO4

NO

Ca(OH)4

NO

H2 SO4

N O2

H2 O

Cuadro 2.1: Sistemas de absorción con reacción química.

Fuente:Toyo y Jaspe (1986)[12].

Absorción Gas-Líquido. La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla gaseosa se pone en o con un líquido, a n de disolver de manera selectiva uno o más componentes del gas y obtener una solución de éstos en el líquido. Generalmente, la absorción solo Sistemas y Automática

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se utiliza para la recuperación o eliminación de soluto, ya que una buena separación de solutos entre sí, exige técnicas de destilación fraccionada. [12]

Absorción de CO2 En este caso se utilizan 4 modelos: a. Soluciones no reaccionantes: agua, sulfato de sodio. b. Soluciones buer de: carbonato potásico, bicarbonato potásico, fosfato potásico, carbonato sódico y bicarbonato sódico. c. Soluciones de hidróxido de sodio. d. Soluciones aminas: monoetanolamina, dietanolamina, trietanolamina, etc. [12]

Absorción de CO2 en Monoetanolamina (MEA). Este tipo de solución se utiliza comúnmente de manera acuosa de aminas para remover el dióxido de carbono de los gases industriales. En estos procesos, reacciones análogas son implicadas cualquiera que sea la amina usada. [12]

Modelo de renovación supercial. Este modelo se basa en el reemplazo por intervalos de tiempo de elementos de líquido de supercie por líquido, del interior, el cual tiene una composición uniforme. Mientras el elemento de líquido está en la supercie y es expuesto al gas, absorbe el gas como si estuviera quieto e innitamente profundo. En general la rata de absorción, es inicialmente rápida, y decrece con el tiempo. [12]

Rata de Absorción Gaseosa Con Reacción Química de Seudo Primer Orden en Tanques Agitados. En la absorción de un soluto gaseoso A con un solvente líquido B, se cumple un seudo de primer orden, si la presión parcial A en la fase gaseosa es baja y la concentración de B en la fase liquida es alta. La rata promedio de absorción de gas por unidad de área Na es prácticamente constante cuando se mantiene un rango de velocidad de agitación en el cual no hay formación de vórtice, es decir que la velocidad de agitación máxima para el líquido es dictada por la condición de la Sistemas y Automática

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interface. Como el ujo de las fases es en mezcla completa, por un balance de masa puede determinarse directamente la rata de absorción gaseosa en cada uno de los sistemas. [12] Para reactores de tanques discontinuos (batch) se pone en o un soluto gaseoso A con una solución de un compuesto B según una reacción de seudo de primer orden, se observa una disminución progresiva de la presión parcial de A debido a su absorción en el líquido. Por lo tanto, a partir de un balance de masa en la fase gaseosa se obtiene la siguiente ecuación:

√ √ Pa N a = Sa Da K RT

(2.2)

donde:

Pa:

/N presión parcial de A ( m 2)

Da:

difusividad de A en la solución de B ( ms )

Sa:

solubilidad de A en la solución de B (adimensional)

2

R:

◦ constante universal de los gases ( N kgmol) m

T:

temperatura (◦ k) Para el caso en el cual A es CO2 y B es monoetanolamina, Danckwerts y Laddha √

dedujeron una correlación donde: SCO2 2 DCO2 se encuentra en función de la concentración de monoetanolamina. Para el caso del tanque agitado continuo se plantea: en el sistema de operación continuo, después que se alcance el estado estacionario la rata de absorción de A, N a permanece constante a medida que varía el tiempo. El volumen de líquido dentro del reactor en este sistema para la cinética considerada, se puede asumir constante a lo largo de la absorción, ya que el volumen del gas absorbido es despreciable comparado con el volumen inicial de líquido dentro del reactor. Considerando que la rata de absorción permanece constante y además que la fracción de gas retenido es despreciable, para el caso de una reacción de seudo de primer orden se obtiene:

F aent − F asal = N aAv v

(2.3)

donde:

v:

volumen total del líquido después de la absorción


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Fa:

ujo molar de A en la fase gaseosa

Av:

área interfacial gas-líquido.

2.2.4. Areas interfacial gas-líquido y el coeciente de transferencia de masa en fase liquida. En estudios sobre el coeciente de transferencia de masa en la fase liquida KL , se ha demostrado teóricamente (Higbie, 1935; Danckwerts, 1951) y experimentalmente (Calderbank y Moo-Young, 1961) su dependencia con respecto a la difusividad y viscosidad en la fase liquida. Por otro lado el área interfacial gas-líquido Av depende de la densidad, tensión supercial y fuerza iónica del líquido (Calderbank 1958). Los valores de KL y Av pueden ser obtenidos a partir de ecuaciones empíricas, se requieren del uso de una serie de parámetros cuya determinación es complicada. Debido a éste hecho y a lo imprecisas de estas ecuaciones, Danckwerts dedujo una ecuación mediante la cual se puede determinar simultáneamente y de forma muy precisa los valores de KL y Av [12]

Av =

√

1 CCO2S

∗

B2 DCO2

(2.4)

√

KL =

A2 Av CCO2S

(2.5)

2.2.5. Constante de velocidad de seudo primer orden. El orden de una reacción depende de la inuencia de las concentraciones de los reactantes sobre la velocidad de reacción. Una reacción es de seudo de primer orden cuando uno de los reactantes está inicialmente presente en una concentración mucho mayor que la del otro, tanto que su cambio en la concentración es depreciable comparado con el otro reactante. [12]

K1 = (


B1 VCO2 √

CO2 DCO2 S

)2

(2.6)

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2.2.6. Criterio para reacciones de seudo primer orden en un sistema gas líquido . El criterio que se establece para asegurar la condición de seudo primer orden en este tipo de sistemas es que 2 < λ <E donde λ es el numero de Hatta y esta denido por:

√

K 1 DA (2.7) KL E es el factor de crecimiento, el cual se dene por una ecuación que depende del λ=

modelo de absorción empleado. [12]

2.2.7. Método de Blauwho. Para determinar la constante de velocidad de seudo primer orden consisten en un reactor tanque agitado, cerrado donde se pone en o el gas y el líquido. [12] Asumiendo que la reacción sigue una cinética de seudo de primer orden:

ln PCO2 = −

√ √ SCO2 DCO2 K1

VCO2

∗ St + ln PCO2

(2.8)

La ecuacion anterior presenta dicultad para resolver, es por ello que la presión absoluta de CO2 se obtiene:

PCO2 = Patm ± △HCO2

(2.9)

Al graca el logaritmo neperiano de PCO2 en funcion del tiempo, se obtendrá una línea recta para cada concentracion de MEA, cuya pendiente es la constante de velocidad de seudo de primer orden (ecuación 2.6)

2.2.8. Método de Danckwerts y Laddha. Este método se basa en el estudio de una reacción irreversible de seudo de primer orden a través del método de renovación supercial. Debido a que resulta difícil determinar independientemente los valores desolubilidad y difusividad del CO2 en Sistemas y Automática

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soluciones de MEA, Danckwerts y Laddha dedujeron la siguiente correlación para estos dos parámetros en función de la concentración de MEA. [12] √

SCO2 DCO2 = 3, 61 ∗ 10−5 − 1, 87 ∗ 10−7 CM EA − 8, 73 ∗ 10−7 (CM EA )2

(2.10)

2.2.9. Supercie de o del reactor. Es la supercie total del reactor, el cual permanece constante.

S=

Π(D12 − D22 ) 4

(2.11)

Donde:

D1 : Diámetro interno del reactor. D2 : Diámetro del círculo del agitador.

2.2.10. Sistema de alimentación. La alimentación de la monoetanolamina en el sistema continuo se realiza por gravedad, debido a que de esta forma no se requiere de ningún equipo adicional para transportar la solución del MEA al reactor. En los sistemas discontinuos, la forma de alimentar la solución al reactor es por carga, introduciendo la solución de MEA dentro del reactor hasta que se alcance un nivel determinado. La alimentación CO2 para todos los sistemas se realiza con una bombona, lo cual esta provista de un sistema que permite regular el ujo de CO2 que debe suministrarse al reactor. [12]

2.2.11. Sistema de agitación. Para la agitación de las fases gaseosa y liquida, se dispone de un motor de

1 40

HP con una armadura de 9,5cm de diámetro de un torque entre 0 y 1600rpm. Para regular el torque se utiliza un regulador, el cual permite jar la velocidad de agitación. [12]

2.2.12. Líneas de transporte de uido. Para transportar la solución de MEA se aconsejan tuberías de polietileno con conexiones apropiadas de acero inoxidable para prevenir la corrosión debido al uso Sistemas y Automática

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continuo de MEA. Para transportar CO2 se aconsejan tuberías de acero inoxidable, las cuales resisten a altas presiones, tomando en cuenta que la presión de CO2 es muy baja, se pueden emplear tuberías de latex natural de 38 de pulgadas. [12]

2.2.13. Medidores de ujo volumétrico de líquido y de gas. El reactor operado de forma continua es necesario medir el ujo volumétrico de líquido, para ello se dispone de un rotámetro de vidrio con un otador de acero inoxidable que puede desplazarse en una escala dimensional entre 0 y 30 con una apreciación de 2. En el caso del reactor discontinuo se emplea un manómetro de U cuyo ujo manométrico es mercurio, su rango de trabajo oscila entre −800 a

800mmHg y posee una apreciación de 0,5mmHg . Este manómetro resulta ideal para las presiones empleadas en el sistema. Para medir la presión del CO2 tanto a la entrada como a la salida del reactor, se emplea un manómetro inclinado con un ángulo de 15 grados, cuyo uido manométrico es agua coloreada, su rango de trabajo oscila entre 0 y 80 mmH2 O y posee una apreciación de mmH2 O. [12]

2.2.14. Simulación. La simulación de procesos se puede denir como la representación del comportamiento de un proceso por medio de un modelo matemático, aplicando un lenguaje de programación a través del cual se ejecuten una serie de instrucciones que realicen los cálculos de las variables bajo estudio, para su posterior análisis. Este análisis debe incluir, siempre que sea posible, la vericación de los resultados de la simulación con valores de condiciones operacionales reales.[8]


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2.2.15. MATLAB. Introducción: MATLAB es un lenguaje de un alto desempeño para cálculo técnico. El mismo integra cálculo, visualización y programación en un entorno de fácil utilización. Entre los usos mas típicos se tienen: Cálculos Matemáticos. Desarrollo de Algoritmos. Modelación y Simulación. Análisis, Exploración y Visualización de Datos. Grácas de Ingeniería y Cientícas en Dos y Tres Dimensiones. Desarrollo de Aplicaciones Usando Interfaz Gráca con el . MATLAB es un sistema interactivo cuyo elemento base principal, es un arreglo que no requiere de una dimensión tope en especíca, es decir, trabaja con arreglos amplios de datos. Ésto permite resolver muchos problemas de cómputo técnico, especialmente los que trabajan sobre la base de vectores y matrices, y en una fracción de tiempo de lo que tomaría resolver un mismo problema en otros lenguajes no interactivos como C ó Fortran.

Denición: El nombre MATLAB proviene del inglés (Matrix Laboratory)[9]. Este software fue inicialmente desarrollado para realizar operaciones con matrices, vectores y como caso particular escalares tanto reales como complejos de una manera muy sencilla, sin embargo, ha evolucionado hasta convertirse en una herramienta muy útil en diversos campos especícos de la ingeniería y la ciencia. MATLAB es un software integrado cuya ventaja, es poseer una familia de herramientas que permiten resolver problemas especícos de un campo determinado de la ingeniería. Dichas herramientas (Toolboxes) incluyen, sistemas de control, instrumentación de control, redes neuronales, lógica difusa, creación de ltros, adquisición de datos, base de datos, procesamiento Sistemas y Automática

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de imágenes, entre muchos otros. MATLAB como sistema, consta de cinco partes importantes, las cuales son: El Ambiente de Desarrollo: Éste es un conjunto de herramientas y utilidades que ayudan a utilizar los archivos y las funciones de MATLAB. Muchas de estas herramientas son interfaces grácas con el . Estas incluyen el ordenador de escritorio de MATLAB (MATLAB Desktop), la ventana de comandos (Command Window), la ventana de comandos ejecutados (Command History), el espacio de trabajo (Workspace), un buscador para la vista de ayuda (Help), un editor de programas y depurador (Editor and Debugger), entre otras. La Librería de Funciones Matemáticas: Contempla una extensa colección de algoritmos computacionales agrupados en funciones elementales para el cálculo de operaciones como la suma (función sum), el seno, coseno y otras funciones trigonométricas (funciones senos, cosenos, etc), funciones de aritmética compleja y otras operaciones mas sosticadas como la inversa de una matriz, la función de Bessel, la transformada de Fourier, la derivada y la integral de una función, entre muchas otras. El Lenguaje MATLAB: Éste es un lenguaje de alto nivel con gran capacidad para ujo de expresiones, funciones, estructuras de datos y programación orientada a objetos. Permite crear programas pequeños y sencillos que no necesitan ser depurados o que no requieren de mayores detalles, así como también, programas complejos de aplicación y completos. Grácas: MATLAB extiende facilidades para desplegar matrices y vectores como grácas, así como también comentar e imprimir dichas grácas. Incluye funciones de alto nivel para visualización de grácas 2D y 3D, procesamiento de imágenes, animaciones y presentaciones grácas. También MATLAB permite crear interfaz gráca con el , lo cual, facilita personalizar aplicaciones. La Interfaz de MATLAB para Aplicaciones de Programas (API): Esta librería permite escribir programas en C y Fortran que interactúan con MATLAB. Incluye facilidades para llamar rutinas desde MATLAB.


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Iniciar MATLAB. MATLAB puede arrancar como cualquier otra aplicación, haciendo doble clic en el icono correspondiente o por medio del menú (Inicio). Al comenzar MATLAB se despliega la ventana principal llamada MATLAB Desktop, es en ésta, donde se abren otras ventanas que conforman el ambiente de trabajo como el Workspace, Current History entre otras, y desde donde se tiene a todas las demás aplicaciones de MATLAB.

Figura 2.3: Ventana Principal de MATLAB (MATLAB Desktop).

Fuente:Pérez y Peña. (2001)[8]

La conguración de la vista inicial, puede ser modicada fácilmente por medio del menú View. Una vista similar a la mostrada en la gura puede encontrarse seleccionando la opción

Default/Desktop Layout del menú View. La utilidad de

cada ventana de la vista principal, así como de la barra de herramientas y los menús, será descrita a continuación.


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Menú y Barra de Herramientas. MATLAB cuenta con una barra de menú y herramientas corrientes (Standard), con algunos nombres de menú y componentes de la barra de herramientas que son propios de software MATLAB, Sin embargo, la gran mayoría de éstos están contenidos en otros software. Algunas de las opciones que se encuentran en el menú, están contenidos también en la barra de herramientas, de tal manera, de hallar una ruta más corta a las opciones que son normalmente usadas.

Figura 2.4: Barra de herramientas (MATLAB Desktop).


Adicionalmente a lo que normalmente se consigue en un menú, en MATLAB encontramos: El menú File puede ser utilizado para la apertura o elaboración de aplicaciones hechas en el distinto software que agrupa MATLAB: importar datos, ajustar el color del fondo y letras de las ventanas, salvar ventanas e imprimir. Con Edit se puede limpiar las ventanas que componen nuestro escritorio. View se emplea para ajustar las ventanas mostradas en la pantalla. Web es para tener a las diferentes sitios Web de MATLAB (solo si se tiene INTERNET), Window para hacer visibles las ventanas de los archivos que se mantienen abiertos y nalmente Help para tener a toda la ayuda con la que cuenta MATLAB. En la barra de herramientas se puede tener a las librerías de bloques de Simulink (se explicara más adelante). También ésta contiene el directorio activo sobre el cual se está trabajando que por defecto es:


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C:\matlab65\work Y puede ser cambiado en caso de que se quiere correr una aplicación que se encuentre en otro directorio. Una vez que un archivo se encuentra abierto, éste contiene su propia barra de menú y herramientas que dependerá del tipo de archivo que se desea crear o que se quiere editar.

Figura 2.5: Botón de Simulink.


Launch Pad. En esta ventana se puede tener a todas las herramientas y demás aplicaciones de MATLAB, como por ejemplo a la ayuda, los demos, a las herramientas especializadas que se tengan instalados (Toolboxes) o a los sitios wed del fabricante. Puede desplegarse de dos maneras, por separado o dentro de la ventana principal. Si esta ventana no aparece en la vista por defecto, entonces, se debe seleccionar la opción Launch

Pad en el menú View. Si aparece en la ventana principal, una forma

de verla por separado, es haciendo clic en la echa inclinada que tiene la ventana Launch Pad en su parte superior derecha. La vista de cualquiera de las demás ventanas que se pueden mostrar dentro de la vista principal de MATLAB, puede ser modicada de forma similar.


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Figura 2.6: Ventana Launch Pad.


Command Window. La parte más importante de la ventana inicial, es la ventana de comandos (Command Window), ésta aparece en la parte derecha de la vista por defecto del ordenador de escritorio de MATLAB (MATLAB Desktop). En esta sub-ventana es donde se ejecutan los comandos de MATLAB, se denen variables y se ejecutan nuestras aplicaciones a continuación del indicador (≫, prompt), el cual, indica que el programa está preparado para recibir instrucciones o comandos.

Figura 2.7: Ventana Command Window.


Workspace. El Workspace es el espacio de trabajo de MATLAB, en esta ventana se guardan y muestran las variables creadas en una sesión (cada vez que se abre MATLAB se crea una sesión). Aquí se muestra el nombre, la dimensión, el tamaño que ocupa y el tipo de variable creada. Cada vez que se cierra una sesión, las variables creadas en el Sistemas y Automática

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Workspace se pierden, esto representa un problema cuando se tiene que cerrar una sesión sin haber terminado de trabajar con una o más variables. Una manera de evitar ésto, es guardando las variables creadas y luego cargándolas al Workspace en una sesión posterior. Una forma de hacer esto, es por medio de la barra de herramientas que aparece en la ventana del Workspace, el primer icono (de izquierda a derecha ), permite cargar las variables desde un archivo; el segundo permite guardar las variables de una sesión en un archivo con extensión ∗.M AT . Los dos iconos siguientes permiten editar y borrar variables. Todas estas acciones se aplican a las variables seleccionadas.

Figura 2.8: Ventana Workspace.


Command History. La ventana Command History, muestra todos los comandos ejecutados en la ventana Command Window. Éstos comandos se pueden volver a ejecutar haciendo doble clic sobre éstos. Haciendo clic sobre un comando con el botón derecho del ratón, se muestra un menú contextual con las posibilidades disponibles en ese momento. Cada vez que MATLAB es ejecutado, esta ventana muestra inicialmente la hora y fecha de ejecución, lo cual, sirve como limitador de los comandos ejecutados en sesiones anteriores.


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Figura 2.9: Ventana Command History.


Current Directory. Desde el directorio actual (Current Directory), se puede acceder a cualquier archivo o subdirectorio dentro del dominio de MATLAB, es decir, todos aquellos archivos y carpetas dentro de la carpeta donde se instaló el mismo. A partir de la versión 6.0 todos los subdirectorios y archivos pueden ser vistos desde esta ventana, así como también, acceder a éstos para editarlos. Para abrir un archivo solo basta hacer doble clic sobre el mismo.

Figura 2.10: Ventana Current Directory.


Simulink. Simulink es una herramienta para la modelación, simulación y análisis de sistemas físicos y matemáticos, incluyendo aquellos con elementos no lineales tanto Sistemas y Automática

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en tiempo continuo como en tiempo discreto. El conjunto de demos de Simulink, permite visualizar el amplio poder de aplicación que tiene esta herramienta en los distintos campos de la ingeniería. Como una extensión de MatLab, Simulink adiciona muchas características especícas a los sistemas dinámicos, mientras conserva toda la funcionalidad de propósito general de MatLab. Así Simulink no es completamente un programa separado de MatLab, sino un anexo a él. El ambiente de MatLab está siempre disponible mientras se ejecuta una simulación en Simulink. Simulink tiene dos fases de uso: la denición del modelo y el análisis del modelo. La denición del modelo signica construir el modelo a partir de elementos básicos construidos previamente, tal como, integradores, bloques de ganancia o servomotores. El análisis del modelo signica realizar la simulación, linealización y determinar el punto de equilibrio de un modelo previamente denido. Para simplicar la denición del modelo Simulink usa diferentes clases de ventanas llamadas ventanas de diagramas de bloques. En estas ventanas se puede crear y editar un modelo grácamente usando el ratón. Simulink usa un ambiente gráco lo que hace sencillo la creación de los modelos de sistemas. Después de denir un modelo este puede ser analizado seleccionando una opción desde los menús de Simulink o entrando comandos desde la línea de comandos de MatLab. Simulink puede simular cualquier si sistema que pueda ser denido por ecuaciones diferenciales continuas y ecuaciones diferenciales discretas. Esto signica que se puede modelar sistemas continuos en el tiempo, discretos en el tiempo o sistemas híbridos. Simulink usa diagramas de bloques para representar sistemas dinámicos. Mediante una interface gráca con el se pueden arrastrar los componentes desde una librería de bloques existentes y luego interconectarlos mediante conectores y alambre. La ventana principal de Simulink se activa escribiendo simulink en la línea de comandos de MATLAB, y se muestra a continuación: Haciendo doble click en cualquiera de las librerías presentes en esta ventana se abrirá otra ventana conteniendo una cantidad de bloques relativos a dicha librería. Para realizar un sistema debe abrirse una nueva ventana de diagrama de bloques seleccionando la opción le del menú principal del Simulink y allí la opción new. En esta nueva ventana se colocarán todos los bloques interconectados que formarán el sistema deseado. En este submenú está la opción start que permite ejecutar el programa. También está la opción parámetros que activa el de control de Simulink en donde se denen los métodos y parámetros usados para la simulación, tal como se Sistemas y Automática

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muestra a continuación: Al ejecutar el programa seno.m creado mediante simulink, se puede observar la respuesta al hacer doble click en el osciloscopio. Existen numerosos bloques y funciones incorporados en las librerías de simulink que pueden ser empleados para simular cualquier sistema. A continuación se muestran dos de éstos:

♣

Modelo de Sistema Hidráulico (hydcyl.mdl): Este modelo permite ob-

servar el movimiento del pistón de un cilindro con respecto de la presión de entrada, el mismo incluye dinámica para válvula, pistón, cilindro, presión de entrada al cilindro y otros, por medio de bloques básicos de Simulink. En este modelo así como en muchos otros, se observa como se puede hacer mediante bloques simples de Simulink un sistema dinámico complejo. Esta característica de Simulink permite realizar y personalizar modelos de sistemas hechos por el a través de subsistemas y enmascaramiento, herramienta muy importante de Simulink para realizar aplicaciones. Una forma de abrir este demo, es tecleando el nombre del mismo en la ventana de comandos (Command Window) y luego presionando Enter.

Figura 2.11: Demo modelo de sistema hidráulico.


♣

Modelo de Recticador Trifásico (psbrectier.mdl):Este

demo mues-

tra un recticador trifásico utilizando diodos para la recticación (bloque

Diode).

Simulink además del conjunto de librerías de bloques estándar, también posee un conjunto de librerías especializadas. Como una extensión de MATLAB, posee bloques especializados en distintas áreas de la ingeniería y la ciencia, como ejemplo se Sistemas y Automática

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tiene el bloque diodo (Diode) que pertenece a la librería de sistemas de potencia ("SimPowerSystem"). Al igual que todos los demos, se puede acceder a éstos de manera simular al demo de hydcyl, solo cambiando el nombre del demo o del modelo en este caso.

Figura 2.12: Demo modelo de recticador trifásico.


Demos Control System Toolbox. Control System Toolbox, es una colección de funciones para la modelación, análisis y diseño de sistemas de control automático. Éste provee de herramientas clásicas, tales como, curvas de Bode, lugar geométrico de las raíces, así como también modernas técnicas, por ejemplo, modelos en espacio de estado o diseño con ubicación de los polos de un sistema. El uso de estructura de datos permite una representación compacta de fácil manipulación de modelos lineales invariantes en el tiempo (LTI). Esta herramienta de MATLAB contiene funciones para analizar modelos dinámicos (cero, polo, ganancia), curvas en el tiempo y respuesta en frecuencia, modelos discretos, conectar sistemas conjuntamente y diseñar compensadores retroalimentados dinámicos o estáticos. Entre la gran cantidad de demostraciones se encuentra el demo interactivo de la respuesta de un circuito RLC: Sistemas y Automática

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Figura 2.13: Demo interactivo respuesta de un circuito RLC.


Para acceder y utilizar este demo, consulte en el de navegación (Help Navegator), luego de seleccionar la opción Demos de menú Help en la ventana principal de MATLAB (gura N 3.1.1). Continue con la siguiente ruta:

T oolboxes/ControlSystem/InteractiveDemos/RLCCircuitResponse.

Consideraciones de Operación. MATLAB distingue entre variables mayúsculas y minúsculas, es decir, la variable (a) es diferente a la variable (A). Los comentarios deben ir precedidos por el símbolo %. MATLAB ignora todo lo que vaya precedido por este símbolo. Los comentarios se identican porque el texto tecleado es por defecto de color verde. Los cálculos que no se asignan a una variable en concreto se asignan a la variable de respuesta por defecto que es ans (del inglés, answer). La variable conserva solo el resultado de la última operación.


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Existen variables predenidas en MATLAB, a éstas no se debe asignar valores ya que no conservarían su valor predenido. Más adelante se hará referencia a estas variables.

Introducción a LabVIEW. LabVIEW constituye un revolucionario sistema de programación gráca para aplicaciones que involucren adquisición, control, análisis y presentación de datos. Las ventajas que proporciona el empleo de LabVIEW se resumen en las siguientes: Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10 veces, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender. Dota de gran exibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones tanto del hardware como del software. Da la posibilidad a los s de crear soluciones completas y complejas. Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de adquisición, análisis y presentación de datos. El sistema está dotado de un compilador gráco para lograr la máxima velocidad de ejecución posible. Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.

Denición de LabVIEW. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje de programación gráco para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y control. LabVIEW permite diseñar interfaces de mediante una consola interactivo basado en software. Usted puede diseñar especicando su sistema funcional, su diagrama de bloques o una notación de diseño de ingeniería. LabVIEW es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede trabajar con programas de otra área de aplicación, como por ejemplo Matlab. Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, especícamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición Sistemas y Automática

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de imágenes). LabVIEW tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo de procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de monitoreo en transportación, Laboratorios para clases en universidades, procesos de control industrial. LabVIEW es muy utilizado en procesamiento digital de señales (wavelets, FFT, Total Distorsión Harmonic TDH), procesamiento en tiempo real de aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño de ltros digitales, generación de señales, entre otras, etc.

Programación gráca con LabVIEW. Cuando se diseña programas con LabVIEW está trabajando siempre bajo algo denominado VI, es decir, un instrumento virtual, se pueden crear VI a partir de especicaciones funcionales que usted diseñe. Este VI puede utilizarse en cualquier otra aplicación como una subfunción dentro de un programa general. Los VI's se caracterizan por: ser un cuadrado con su respectivo símbolo relacionado con su funcionalidad, tener una interfaz con el , tener entradas con su color de identicación de dato, tener una o varias salidas y por su puesto ser reutilizables. Los programas desarrollados mediante LabVIEW se denominan Instrumentos Virtuales (VIs), porque su apariencia y funcionamiento imitan los de un instrumento real. Sin embargo son análogos a las funciones creadas con los lenguajes de programación convencionales. Los VIs tienen una parte interactiva con el y otra parte de código fuente, y aceptan parámetros procedentes de otros VIs. Todos los VIs tienen un frontal y un diagrama de bloques. Las paletas contienen las opciones que se emplean para crear y modicar los VIs. A continuación se procederá a realizar una somera descripción de estos conceptos.

frontal:

Se trata de la interfaz gráca del VI con el . Esta

interfaz recoge las entradas procedentes del y representa las salidas proporcionadas por el programa. Un frontal está formado por una serie de botones, pulsadores, potenciómetros, grácos, etc. Cada uno de ellos puede estar denido como un control (a) o un indicador Sistemas y Automática

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(b). Los primeros sirven para introducir parámetros al VI, mientras que los indicadores se emplean para mostrar los resultados producidos, ya sean datos adquiridos o resultados de alguna operación.

Figura 2.14: Demo Frontal.

Fuente:Documento en línea [14]

Diagrama de bloques: El

diagrama de bloques constituye el código fuente

del VI. En el diagrama de bloques es donde se realiza la implementación del programa del VI para controlar o realizar cualquier procesado de las entradas y salidas que se crearon en el frontal. El diagrama de bloques incluye funciones y estructuras integradas en las librerías que incorpora LabVIEW. En el lenguaje G las funciones y las estructuras son nodos elementales. Son análogas a los operadores o librerías de funciones de los lenguajes convencionales. Los controles e indicadores que se colocaron previamente en el Frontal, se materializan en el diagrama de bloques mediante los terminales.


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Figura 2.15: Diagrama de bloques.


(a) Función. (b) Terminales (control e indicador). (c) Estructura. El diagrama de bloques se construye conectando los distintos objetos entre sí, como si de un circuito se tratara. Los cables unen terminales de entrada y salida con los objetos correspondientes, y por ellos uyen los datos. LabVIEW posee una extensa biblioteca de funciones, entre ellas, aritméticas, comparaciones, conversiones, funciones de entrada/salida, de análisis, etc. Las estructuras, similares a las declaraciones causales y a los bucles en lenguajes convencionales, ejecutan el código que contienen de forma condicional o repetitiva (bucle for, while, case). Los cables son las trayectorias que siguen los datos desde su origen hasta su destino, ya sea una función, una estructura, un terminal, etc. Cada cable tiene un color o un estilo diferente, lo que diferencia unos tipos de datos de otros.


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Paletas:Las

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paletas de LabVIEW proporcionan las herramientas que se re-

quieren para crear y modicar tanto el frontal como el diagrama de bloques. Existen las siguientes paletas:

Paleta de herramientas (Tools palette): Se emplea tanto en el frontal como en el diagrama de bloques. Contiene las herramientas necesarias para editar y depurar los objetos tanto del frontal como del diagrama de bloques.

Figura 2.16: Paleta de Herramienta.


Las opciones que presenta esta paleta son las siguientes:

Labeling tool

Wiring tool

Operating tool

Positioning tool

Figura 2.17: Tools palette


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Pcolor copy tool

Color tool

Objetc pop-up menu tool

Scroll tool

Breakpoint tool

Probe tool

Figura 2.18: Tools palette

Paleta de controles: Se utiliza únicamente en el frontal. Contiene todos los controles e indicadores que se emplearán para crear la interfaz del VI con el .

Figura 2.19: Paleta de controles.



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El menú Controls de la ventana correspondiente al frontal contiene las siguientes opciones:

Figura 2.20: ActiveX - Select a Control - Para seleccionar cualquier control.


Numeric

Boolean

String y Table

List y Ring

Array y Cluster

Graph

Figura 2.21: Paleta de Control


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Controls

ActiveX

Controls

ActiveX

Figura 2.22: Paleta de Control

Paleta de funciones (functions palette):Se emplea en el diseño del diagrama de bloques. La paleta de funciones contiene todos los objetos que se emplean en la implementación del programa del VI, ya sean funciones aritméticas, de entrada/salida de señales, entrada/salida de datos a chero, adquisición de señales, temporización de la ejecución del programa.

Figura 2.23: Paletas de funciones.


Para seleccionar una función o estructura concretas, se debe desplegar el menú Functions y elegir entre las opciones que aparecen. A continuación se enumeran Sistemas y Automática

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todas ellas, junto con una pequeña denición.

Structures

Numeric

Boolean

Figura 2.24: Paleta de funciones

String

SArray

Cluster

File I/O


CComparison

Time y Dialog

Communication

Instrument I/O



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Data Acquisition

Analysis

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Tutorial

Advanced


Instrument drivers

Libraries

Aplication control

Select a VI


Programación en LabVIEW. Con el entorno gráco de programación de LabVIEW se comienza a programar a partir del frontal. En primer lugar se denirán y seleccionarán de la paleta de controles todos los controles (entradas que dará el ) e indicadores (salidas que presentará en pantalla el VI) que se emplearán para introducir los datos por parte del y presentar en pantalla los resultados. Una vez colocados en la ventana correspondiente al frontal todos los objetos necesarios, debe pasarse a la ventana Diagram (menú Windows >Show Diagram), que es donde se realiza la programación propiamente dicha (diagrama de bloques). Al abrir esta ventana, en ella se encuentran los terminales correspondientes a los objetos situados en el frontal, dispuestos automáticamente por LabVIEW. Se deben ir situando las funciones, estructuras, etc. que se requieran para el desarrollo del programa, las cuales se unen a los terminales mediante cables. Para facilitar la tarea de conexión de todos los terminales, en el menú "Help"puede elegirse la opción "Show Help", con lo que al colocar el cursor del ratón sobre un elemento aparece una ventana con información relativa a éste (parámetros de entrada y salida). Además, si se tiene seleccionado el cursor de cableado, al situar éste sobre un elemento se Sistemas y Automática

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muestran los terminales de forma intermitente.

Ejecución de un VI en LabVIEW. Una vez se ha concluido la programación del VI se debe proceder a su ejecución. Para ello la ventana activa debe ser el frontal (si se está en la ventana del diagrama de bloques, se debe seleccionar la opción Show del menú Windows). Una vez situados en el frontal, se pulsará el botón de Run, situado en la barra de herramientas.

Figura 2.29: Barra de Herramientas.


El programa comenzará a ejecutarse. Mientras dura la ejecución del mismo, la apariencia del botón de Run es la que se muestra a continuación:

Figura 2.30: Apariencia del botón RUN .


De este modo el programa se ejecutará una sola vez. Si se desea una ejecución continua, se pulsará el botón situado a la derecha del de Run (Continuous Run). Si durante el funcionamiento continuo del programa se vuelve a pulsar el citado botón, se nalizará la última ejecución del mismo, tras lo cual el programa se parará. Sistemas y Automática

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Figura 2.31: Continuos RUN .


Para nalizar la ejecución de un programa se puede operar de dos formas. La primera, y la más aconsejable, es emplear un botón en el frontal del VI, cuya pulsación produzca la interrupción del bucle de ejecución de la aplicación. La segunda forma de detener la ejecución del VI es pulsando el botón de pausa o el de stop. La diferencia entre ambos es que si se pulsa stop, la ejecución del programa naliza inmediatamente, mientras que si se pulsa pausa, se produce una detención en el funcionamiento del programa, retomándose su ejecución una vez se vuelve a pulsar el mismo botón.

Figura 2.32: STOP y PAUSA .



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Protocolo T/IP. Las siglas T/IP se reeren a un conjunto de protocolos para comunicaciones de datos. Este conjunto toma su nombre de dos de sus protocolos más importantes, el protocolo T(Transmission Control Protocol) y el protocolo IP (Internet Protocol). La popularidad del protocolo T/IP no se debe tanto a Internet como a una serie de características que responden a las necesidades actuales de transmisión de datos en todo el mundo, entre las cuales destacan las siguientes: Los estándares del protocolo T/IP son abiertos y ampliamente soportados por todo tipo de sistemas, es decir, se puede disponer libremente de ellos y son desarrollados independientemente del hardware de los ordenadores o de los sistemas operativos. T/IP funciona prácticamente sobre cualquier tipo de medio, no importa si es una red Ethernet, una conexión ADSL o una bra óptica. T/IP emplea un esquema de direccionamiento que asigna a cada equipo conectado una dirección única en toda la red, aunque la red sea tan extensa como Internet. La naturaleza abierta del conjunto de protocolos T/IP requiere de estándares de referencia disponibles en documentos de público. Actualmente todos los estándares descritos para los protocolos T/IP son publicados como RFC (Requests for Comments) que detallan lo relacionado con la tecnología de la que se sirve Internet: protocolos, recomendaciones, comunicaciones, etcétera.

Arquitectura del protocolo T/IP El protocolo T/IP fue creado antes que el modelo de capas OSI, así que los niveles del protocolo T/IP no coinciden exactamente con los siete que establece el OSI. Existen descripciones del protocolo T/IP que denen de tres a cinco niveles. La Figura representa un modelo de cuatro capas T/IP y su correspondencia con el modelo de referencia OSI. Los datos que son enviados a la red recorren la pila del protocolo T/IP desde la capa más alta de aplicación hasta la más baja de a red. Cuando son Sistemas y Automática

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recibidos,recorren la pila de protocolo en el sentido contrario. Durante estos recorridos, cada capa añade o sustrae cierta información de control a los datos para garantizar su correcta transmisión.

Figura 2.33: Modelo OSI con T/IP

Fuente:Documento en línea [15].

Como esta información de control se sitúa antes de los datos que se transmiten, se llama cabecera (header). En la Figura 2.33 se puede ver cómo cada capa añade una cabecera a los datos que se envían a la red. Este proceso se conoce como encapsulado. Si en vez de transmitir datos se trata de recibirlos, el proceso sucede al revés. Cada capa elimina su cabecera correspondiente hasta que quedan sólo los datos. En teoría cada capa maneja una estructura de datos propia, independiente de las demás, aunque en la práctica estas estructuras de datos se diseñan para que sean compatibles con las de las capas adyacentes. Se mejora así la eciencia global en la transmisión de datos.

Capas del protocolo T/IP Capa de a red: Dentro de la jerarquía del protocolo T/IP la capa de a red se encuentra en el nivel más bajo. Es en esta capa donde se dene cómo encapsular un datagrama IP en una trama que pueda ser transmitida por la red, siendo en una inmensa mayoría de redes LAN una trama Ethernet. Otra función importante de esta capa es la de asociar las direcciones lógicas IP a direcciones físicas de los dispositivos adaptadores de red (NIC). Por ejemplo: Sistemas y Automática

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Figura 2.34: Encapsulado de datos por los niveles T/IP.


la dirección IP 192,168,1,5 de un ordenador se asocia a la dirección Ethernet

00−0C −6E −2B −49−65. La primera es elegida por el (e, incluso, un mismo ordenador puede trabajar con diferentes direcciones IP). Sin embargo la segunda no puede cambiarse e identica inequívocamente al adaptador NIC dentro de la red Ethernet. Dentro de la capa de a red opera el protocolo ARP (Address Resolution Protocol), que se encarga precisamente de asociar direcciones IP con direcciones físicas Ethernet. El estándar RFC 826 describe su funcionamiento.

Capa de red Internet: La capa Internet se encuentra justo encima de la capa de a red. En este nivel el protocolo IP es el gran protagonista. Existen varias versiones del protocolo IP: IPv4 es en la actualidad la más empleada, aunque el crecimiento exponencial en el tamaño de las redes compromete cada vez más su operatividad. El número de equipos que IPv4 puede direccionar comienza a quedarse corto.Para poner remedio a esta situación se ha desarrollado la versión IPv6, con una capacidad de direccionamiento muy superior a IPv4, pero totalmente incompatible. El protocolo IP se ha diseñado para redes de paquetes conmutados no orientadas a conexión, lo cual quiere decir que cuando dos equipos quieren conectarse entre sí no intercambian información para establecer la sesión. IP tampoco se encarga de comprobar si se han producido errores de transmisión, confía esta función a las capas superiores. Todo ello se traduce en que los paquetes de datos contienen información suciente como para propagarse a través de la red sin que haga falta establecer conexiones Sistemas y Automática

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permanentes. Para el protocolo IP un datagrama es el formato que debe tener un paquete de datos en la capa de red. La Figura 2.35 representa la estructura de un datagrama: muestra las seis primeras palabras de la cabecera y el punto desde el que se comienzan a transmitir los datos. Las cinco (o seis) primeras palabras de 32 bits contienen la información necesaria para que el datagrama se propague por la red, y a continuación se adjuntan los datos. La lógica de funcionamiento del protocolo IP es simple: para cada datagrama consulta la dirección origen (palabra 4) y la compara con la dirección destino (palabra 5). Si resulta que origen y destino se corresponden con equipos (hosts) de la misma red, el datagrama se envía directamente de un equipo a otro. Si, por el contrario, los equipos pertenecen a redes distintas, se hace necesaria la intervención de una puerta de enlace o gateway que facilite el envío a redes diferentes. El paso de datos de una red a otra a través de una puerta de enlace es conocido como salto (hop). Un datagrama puede realizar varios saltos a través de diversas redes hasta alcanzar su destino. El camino que siguen los datos enviados por un equipo a otro no tiene por qué ser siempre el mismo. La búsqueda del camino más adecuado a cada momento se denomina enrutamiento. De hecho, a las puertas de enlace se les denomina enrutadores (routers).

Figura 2.35: Representación de la cabecera de una datagrama IP.


Capa de transporte: En esta capa se encuentran denidos el protocolo T y el protocolo UDP ( Datagram Protocol). T permite enviar los datos de un extremo a otro de la conexión con la posibilidad de detectar errores y corregirlos. UDP, por el contrario, reduce al máximo la cantidad de información Sistemas y Automática

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incluida en la cabecera de cada datagrama, ganando con ello rapidez a costa de sacricar la abilidad en la transmisión de datos. La Figura 2.36 muestra el formato de un mensaje UDP.

Figura 2.36: Representación del formato de mensaje UDP.


Si se requiere más abilidad en los datos transmitidos las aplicaciones recurren en la capa de transporte al protocolo T. Al revés que UDP, es un protocolo orientado a conexión, y el formato de los datos que maneja es muy distinto al de los datagramas. Para T los datos son una secuencia o trama continua de bytes, cada comunicación es seleccionada en la trama mediante segmentos. El protocolo T necesita que se establezca una conexión entre los equipos situados en ambos extremos de la misma. Antes de iniciar la transferencia de datos T efectúa una negociación entre los dos equipos basada en el intercambio de tres segmentos de datos. Precisamente por esta razón se la conoce como negociación de tres vías.

Capa de aplicación: Ésta es la capa más alta dentro de la estructura jerárquica del protocolo T/IP e incluye las aplicaciones y procesos con los que intercambia datos la capa de transporte. T/IP tiene en esta capa protocolos que soportan servicios de conexión remota, correo electrónico y transferencia de archivos. De todos los protocolos de aplicación los más conocidos son:

• Telnet (Network Terminal Protocol). Es un protocolo que permite establecer conexiones con terminales remotos, de tal manera que se puedan ejecutar en ellos comandos de conguración y control.

• FTP (File Transfer Protocol). Protocolo orientado a conexión dedicado Sistemas y Automática

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Figura 2.37: Campos de cabecera para un segmento T.


a la transferencia de archivos. FTP ofrece una gran abilidad con este servicio, en gran parte debido a que se basa en el protocolo T dentro de la capa de transporte. TFTP (Trivial File Transfer Protocol) es una versión de FTP que funciona más rápido, pero es menos able porque se sirve de mensajes UDP en la capa de transporte.

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Posibilita el funcionamiento del correo electrónico en las redes de ordenadores. SMTP recurre al protocolo de ocina postal POP (Post Oce Protocol) para almacenar mensajes en los servidores de correo electrónico. Existen dos versiones: POP2, que necesita la intervención de SMTP para enviar mensajes; y POP3, que funciona de forma independiente.

• HTTP (Hipertext Transfer Protocol). Es un estándar de Internet que permite la transmisión de gran variedad de archivos de texto, grácos, sonidos e imágenes. HTTP regula el proceso mediante el cual navegadores como Netscape, Mozilla o Internet Explorer solicitan información a los servidores web.

• DNS (Domain Name Service). Esta aplicación convierte nombres de dispositivos y de nodos de red en direcciones IP. Por ejemplo, el nombre www.mcgraw-hill.es, se convierte en la dirección 198.45.24.91. Los servidores de red proporcionan servicios esenciales para las comunicaciones entre ordenadores. A diferencia de lo que ocurre con muchos programas Sistemas y Automática

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de aplicación, estos servicios no facilitan el al nal.

Direccionamiento IP Hasta el momento nos hemos referido con frecuencia a las direcciones IP, que son números de 32 bits que constituyen la dirección unívoca de todo dispositivo conectado a una red que funcione con el protocolo T/IP. Las direcciones IP se escriben mediante la denominada notación punto decimal, o de cuatro octetos. Con el n de facilitar el manejo de las direcciones IP, los 32 bits se dividen en cuatro grupos de 8 bits cada uno, y cada uno de estos bytes se traduce a su equivalente en decimal. De cada conversión resulta un número comprendido entre 0 y 255. Estos cuatro números se escriben separados entre sí por un punto (véase la Fig 2.38.). Las direcciones IP proporcionan dos datos: el número de red y el número de host. Para que un sistema pueda transmitir datos debe determinar con claridad la dirección destino de red y host, además de poder informar al resto de sistemas de cuál es su propia dirección de red y host. Los sistemas de red se pueden direccionar de tres formas: Unicast: Los paquetes de datos tienen como destino la dirección de un único host. Multicast: Los datos se pueden enviar de forma simultánea a un determinado conjunto de hosts. Broadcast: Dirección de difusión que permite enviar datos a todos los sistemas que forman parte de una red. Este tipo de direccionamiento está siempre supeditado a las capacidades físicas de los dispositivos conectados en la red. El número de bits empleado para denir la red y el número de bits que identican al host pueden variar entre unos casos y otros. Cada dirección IP tiene un prejo cuya longitud indica qué bits corresponden al identicador de red y cuáles al host. La longitud de este prejo la establecen los bits de la dirección de máscara. Éste es el funcionamiento de los bits de máscara: si un bit de la máscara es 1, su bit equivalente en la dirección IP corresponde a la dirección de red. Si un bit de la máscara es 0, el bit equivalente en la dirección IP pertenece a la dirección de host.


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Tal como se puede ver en la Figura la dirección IP 198,16,23,102 tiene asociada la máscara 255,255,255,0, o lo que es lo mismo, tiene un prejo de 24 bits, por lo que la dirección de host utiliza los 8 bits restantes. La forma abreviada para la dirección y prejo sería: 198,16,23,102/24. Aplicando la máscara de red (es decir realizando la operación lógica AND entre ambas), resulta que la dirección de red es 198,16,23 y la dirección de host 102. Como la cifra 0 en el campo de host está reservada para identicar la red, la dirección de red también se escribe: 198,16,23,0. Como el prejo determina la parte de la dirección IP destinada a identicar la red, los bits disponibles para direcciones de hosts se obtienen restando a 32 la longitud del prejo.

Figura 2.38: Distintas formas de representar una dirección IP.


Figura 2.39: Solución de direcciones de red y host.



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Capítulo 3 Marco Metodológico Toda elaboración e implementación de cualquier proyecto debe contar con una metodología que sea capaz de encerrar y hacer cumplir cada uno de los objetivos planteados con anterioridad. Es por ello que al llevar a cabo este proyecto se realizaron investigaciones de tipo documental, de campo y experimental, las cuales forman parte del desarrollo del proyecto.[2] En este capítulo se indica el tipo de investigación a realizar y se describe el conjunto de pasos ordenados para ejecutar dicha investigación, lo que permitirá la obtención, clasicación y la organización de la información necesaria para obtener la solución al problema planteado.

3.1. Tipos de Investigación. Los trabajos de Grado, Especialización, Maestría y tesis Doctorales pueden ser concebidos dentro de las siguientes modalidades generales de estudios de investigación, entre otras que se justiquen por los avances del conocimiento y la practica de la investigación, o por las especicidades de los diseños curriculares de los subprogramas de posgrado [7]: Investigación de Campo. Investigación Documental. Proyectos Factibles. 55

CAPÍTULO 3. MARCO METODOLÓGICO

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Proyectos Especiales. En el manual de la UPEL [7] se dene proyecto factible de la siguiente manera:

El Proyecto Factible consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulación de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. De igual manera especica que el proyecto factible comprende las siguientes etapas generales: diagnóstico, planteamiento y fundamentación teórica de la propuesta; procedimiento metodológico, actividades y recursos necesarios para su ejecución; análisis y conclusiones. Por otra parte el mismo manual, también dene a los proyectos especiales como:

Trabajos que lleven a creaciones tangibles, susceptibles de ser utilizadas como soluciones a problemas demostrados, o que respondan a necesidades e intereses de tipo cultural. Se incluyen en esta categoría los trabajos de elaboración de libros de texto y de materiales de apoyo educativo, De las deniciones anteriores se deduce que este trabajo está enmarcado en la modalidad de un proyecto factible; porque contempla solución a un problema de tipo práctico, como es la Implementación de una herramienta didáctica basada en la simulación de las prácticas acerca de la unidad de Reactores Químico CET MKII del LIQ de la escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo; y de un proyecto especial porque posee creaciones tangibles que serán utilizadas para solventar los problemas planteados en el primer capítulo de este proyecto.


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3.2. Etapas del proyecto factible. . Las etapas utilizadas en el desarrollo de la presente investigación son las siguientes:

3.2.1. Diagnóstico. En esta etapa se determinó la necesidad de desarrollar una herramienta didáctica para la simulación de procesos con reactores en el Laboratorio de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Carabobo utilizando el software MATLAB. La forma en la que se llegó a este diagnóstico fue por medio de entrevistas realizadas a la docente Taimy Brito y al personal técnico de dicho laboratorio en donde se indicó, que actualmente en esa unidad no existe la posibilidad de que los estudiantes realicen prácticas referente a reactores, que los estudiantes de química ven las bases teóricas en una materia de peso para su pensum que se llama cinética y diseño de reactores, y debido a que el reactor que esta en el laboratorio se encuentra desincorporado desde hace mucho tiempo, esta gran parte de la población estudiantil culmina sus estudio sin poder observar el comportamiento practico de ellos.

3.2.2. Planteamiento y fundamentación teórica. En relación a la necesidad de no tener la posibilidad de realizar prácticas relacionadas con los comportamientos de los reactores químicos y la falta de recursos económicos para la reparación y puesta en marcha del equipo existente, se propuso realizar un conjunto de prácticas existentes básicas simuladas, basadas en cálculos característicos del comportamiento de las reacciones especícamente en la absorción de dióxido de carbono en Monoetanolamina con cuatro concentraciones especíca , esto con la nalidad de limitar la herramienta y disminuir los errores, estas reacciones son muy utilizadas industrialmente, la manera en que se realizara esta herramienta es utilizando los software MATLAB y LabVIEW , de tal manera que el ambiente sea lo más parecido a lo real y de fácil manejo, así de esta manera los estudiantes de este laboratorio y los cursantes de la materia cinética y diseño de reactores tengan un instrumento con el que puedan corroborar parte de las bases teóricas aprendidas, Sistemas y Automática

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destacando que las practicas seleccionadas son básicas pero muestran un enriquecido manejo de conceptos químicos.

3.3. Procedimiento Metodológico. A n de cumplir con cada uno de los objetivos trazados, y en base al diseño de investigación elegido, se propone seguir siguientes fases:

Fase No 1 Estudio de las características de cada reactor utilizado: Se procedió a investigar y caracterizar de forma conceptual todos los aspectos relacionados a cada reactor.

Fase No 2 Categorización de las variables de los reactores: De acuerdo a las características de cada reactor empleado en las practicas se realizará una lista de las variables, tomando en cuenta cuales de estas serán manipuladas o controladas.

Fase No 3 Elaboración de pantallas de los cálculos numéricos de cada reactor: Con apoyo en el software MATLAB se elaborará los cálculos de los modelos de los tanques de reactores implementados en las practicas.

Fase No 4 Elaboración de pantallas y Objetos animados: Con apoyo en el software Labview se elaborará un ambiente multimedia que permita visualizar el comportamiento de las variables en los distintos tipos de reactores empleados en las prácticas, y así poder hacer una comparación con datos teóricos.

Fase No 5 Vericación de los datos obtenidos: Por medio de los resultados obtenidos con la simulación se comparara con los modelos teóricos y así determinar si estos son resultados favorables.

Fase No 6 Análisis y conclusiones y redacción del documento: Se dispone a realizar un análisis del funcionamiento de la herramienta didáctica basada en su operatividad y forma de uso y así dar las conclusiones respectiva, recomendaciones y mejoras en un documento que sea útil al . Sistemas y Automática

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Capítulo 4 Desarrollo de la herramienta didáctica y Análisis de resultados. 4.1. Introducción. En el presente capítulo se presenta el desarrollo de elaboración y análisis de resultados de la herramienta didáctica para la simulación de las prácticas (absorción de dióxido de carbono CO2 , en Monoetanolamina MEA) basadas en la implementación de reactores (reactor discontinuo agitado BATCH, reactor agitado continuo), para ser utilizadas en la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Carabobo, empleando los software MATLAB y LABVIEW. Para el desarrollo de dicha herramienta se cumplieron unas fases que se detallan a continuación.

4.2. Fase N 0 1 Estudio de las características de cada reactor utilizado. En base a las prácticas que se tomaron como guía para la elaboración de esta herramienta didáctica se utilizan solo dos tipos de reactores que son el tipo discontinuo agitado (BATCH) y el agitado tipo continuo como se muestran en las guras(4.1)y(4.2).

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CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.

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Figura 4.1: Reactor Agitado Discontinuo (BATCH).

Figura 4.2: Reactor Agitado Continuo.

4.2.1. Reactor agitado discontinuo (BATCH). Este reactor se caracteriza por la variación en el grado de reacción y en las propiedades de la mezcla reaccionante con el transcurso del tiempo. También se le llama reactor por cargas o de operación intermitente, ya que ite todos los reactantes al principio y los procesa durante un tiempo determinado, durante el cual no se alimenta o se extrae algún material como se detallo en el capítulo 2 del presente trabajo. Este reactor y el empleado en la práctica presentan las siguientes características:


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Capacidad volumétrica de operación 1L. Diámetro interno del tanque del reactor 0,074m. Diámetro del circulo del agitador 0,054m. El aspecto exterior del reactor BATCH del equipo original es el mostrado en la gura 4.1. En donde se observan los puntos de conexión para la introducción de los reactantes, el motor agitador, el medidor de temperatura y el sistema de vacío, como se muestra a continuación en la gura 4.3.

Figura 4.3: Partes del reactor BATCH.

En la parte interna tenemos el sistema de agitación y de calentamiento del reactor como se observa en la gura 4.4.


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Figura 4.4: Agitador y Sistema de calentamiento del reactor BATCH.

En este tipo de sistema, la forma de alimentar la solución al reactor es por carga, introduciendo la solución de MEA dentro del reactor hasta que se alcance un nivel determinado. La alimentación CO2 para todos los sistemas se realiza con una bombona, lo cual esta provista de un sistema que permite regular el ujo de CO2 que debe suministrarse al reactor. Para la agitación, se dispone de un motor de 1/40 HP con una armadura de 9,5cm de diámetro de un torque entre 0 y 1600rpm. Para regular el torque se utiliza un regulador, el cual permite jar la velocidad de agitación.

4.2.2. Reactor agitado continuo. En los reactores continuos los reactantes se introducen y los productos se extraen simultáneamente, y en forma continua de esa manera las condiciones de operación son jas. Los reactores continuos o de ujo pueden construirse de distintas formas, el contenido en la práctica es de tipo tanque agitado que en el equipo real es el mostrado en la gura 4.5. este presenta las siguientes características: Diámetro interno del reactor 0,153m.


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Capacidad volumétrica de operación 1L. Diámetro del circulo del agitador 0,054m. En la gura 4.5 se puede observar las distintas conexiones principales como lo son la alimentación de Monoetanolamina, alimentación de dióxido de carbono, sistema de agitación sensor de temperatura y descarga.

Figura 4.5: Partes del Reactor Continuo.

En los reactores continuos de tanque con agitación, la velocidad de producción es constante y corresponde a las concentraciones y la temperatura en el euente. Al igual que el sistema discontinuo, para la agitación, se dispone de un motor de 1/40 HP con una armadura de 9,5cm de diámetro de un torque entre 0 y 1600rpm. Para regular el torque se utiliza un regulador, el cual permite jar la velocidad de agitación. Cabe destacar que para ambos sistemas se tiene una unidad única de soporte en donde se encuentran los controles y se adaptan los demás instrumentos de medición como se muestra a continuación.


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Figura 4.6: Reactor Discontinuo en la unidad Armeld CEM-KII.

Figura 4.7: Reactor Continuo en la unidad Armeld CEM-KII.

4.3. Fase N 0 2 Categorización de las variables de los reactores. De acuerdo a las características de cada reactor empleado en las prácticas se realizo una lista de las variables, tomando en cuenta cuales de éstas serán manipuladas o controladas.


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4.3.1. Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (CO2) en Monoetanolamina (MEA). En el desarrollo de esta práctica se consideran como jos las siguientes condiciones: Se trabaja con cuatro concentraciones jas de Monoetanolamina (MEA) las cuales son (2.1010; 2.5769; 3.0876; 3.5844) gmol que son las trabajadas por las l prácticas elaboradas por Toyo Amado y Jaspe Pedro (1986). Una temperatura constante de reacción de 300◦ K y una presión atmosférica de

722, 2mmHg . Un volumen de líquido (Monoetanolamina) predenido en 2,5 ∗ 10−4 m3 . Un volumen de Gas (CO2 ) predenido en 3,5 ∗ 10−4 m3 . Una velocidad de agitación 725rpm constante en todo el proceso para evitar vórtices en las mezclas. Una supercie de o de valor 2,01 ∗ 10−3 m2 . A pesar de que para el desarrollo de las prácticas elaboradas por Toyo Amado y Jaspe Pedro, estos parámetros se consideran constantes, en el desarrollo de la herramienta didáctica se pueden manipular dichos parámetros con la nalidad de dar libertad al de observar variaciones en los cálculos deseados y poder comparar con valores teoricos, e incluso con los reportados por estos mismos autores que son los tomados como patrón para la elaboración de los modelos matemáticos. Las variables medidas en esta experiencia que se simulan son el tiempo de absorción, la presión manométrica de (CO2 ) en mmHg

4.3.2. Absorción de Dióxido de Carbono (CO2) en Monoetanolamina (MEA) en un Reactor de Tanque Agitado Continuo. Para la presente experiencia se considera como parámetros constante los siguientes: Sistemas y Automática

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Se trabajan con las mismas concentraciones de Monoetanolamina que en la practica1. Con un Volumen del Líquido de 2,5 ∗ 10−4 m3 . Una temperatura de reacción de 300◦ K y una presión atmosférica de 722.2 mmHg. Una velocidad de agitación de 725 rpm. Flujo Volumétrico del Líquido 2,5 × ∗10−5 ms . 3

Flujo Volumétrico del gas a la entrada del reactor: 3,73 ∗ 10−5 ms . 3

Presión manométrica del gas a la entrada: 30mm de H2 O Al igual que en la práctica 1 a pesar que estos parámetros se establecen como jos para poder obtener los resultados deseados en la herramienta didáctica se le da cierta libertad al de variar los parámetros con la nalidad de obtener más resultados y compararlos con los patrones y aumentar el nivel de análisis en los resultados obtenidos. Las variables medidas en esta experiencia que se simulan son el ujo volumétrico del gas a la salida del reactor, presión manométrica del gas a la salida.

4.4. Fase N 0 3 Elaboración de pantallas de los cálculos numéricos de cada reactor. Con apoyo en el software MATLAB se elaboraon los cálculos pertinentes al desarrollo de cada práctica correspondiente de cada reactor.

4.4.1. Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono CO2 en Monoetanolamina (MEA). En esta práctica se tienen como objetivos:


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♣ Estudiar la absorción con reacción química del CO2 en MEA en un reactor de tanque agitado discontinuo (BATCH).

♣ Determinar la constante de velocidad a temperatura ambiente para diferentes concentraciones de MEA empleando el modelo de Blauwho, asumiendo que la reacción sigue una cinética de seudo primer orden. Dado estos objetivos se tienen como cálculos establecidos los siguientes:

♣ Calcular para cada concentración de MEA el valor de correlación de Danckwerts y Laddha.

♣ Calcular la supercie de o del reactor. ♣ Determinar por el método de Blauwho, la constante de velocidad de seudo primer orden correspondiente a cada concentración de MEA empleadas.

♣ Calcular el error porcentual que existe entre el valor obtenido y el valor teórico reportado por Astarita. Partiendo del primer cálculo (correlación de Danckwerts y Laddha) tenemos entonces que la correlación viene denida por la ecuación que se muestra a continuación: √

SCO2 DCO2 = 3, 61 ∗ 10−5 − 1, 87 ∗ 10−7 ∗ CM EA − 8, 73 ∗ 10−7 ∗ (CM EA )2

(4.1)

La cual se observa que está en función de la concentración de Monoetanolamina (CM EA ), es decir que como en esta herramienta didáctica se trabajó con cuatro tipos de concentración ya mencionadas anteriormente se van a obtener cuatro valores de correlación, uno por cada concentración. Para obtener el valor de cada correlación se realizó el modelado de la ecuación utilizando MATLABR2009a especícamente la herramienta SIMULINK como se muestra a continuación.


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Figura 4.8: Librería de Simulink.

En esta librería se encuentran los bloque necesarios para realizar la simulación de la ecuación deseada en este caso la de correlación, como se observó en la ecuación 4.1, está compuesta de constante y el valor correspondiente a cada concentración entonces el parámetro variable es la concentración, este va hacer el parámetro de entrada a una caja de subprograma que seleccionamos de la librería de simulink, la cual estará constituida en el interior como se muestra a continuación.

Figura 4.9: Conguración interna del bloque que simula la correlación Danckwerts y

Laddha.

En esta conguración interna se observan los bloques que contienen los valores de las constantes, el bloque que indica la entrada o variable, los bloques de operaciones entre estos tenemos los de multiplicación y de resta y nalmente el bloque de salida que dará el valor de la correlación esperado. Finalmente la apariencia nal del bloque Sistemas y Automática

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que modela la ecuación de correlación tiene la siguiente apariencia.

Figura 4.10: Modelo en Simulink de la correlación Danckwerts y Laddha.

En el mismo orden de ideas con respecto a los cálculos deseados tenemos el modelado de la supercie de o, el cual para el reactor discontinuo permanece constante más sin embargo para el desarrollo de este trabajo se le da libertad al de la herramienta didáctica de variar los parámetros para obtener diferentes valores de supercie de o. La ecuación (2.11) es la que rige la obtención de este parámetro como se mencionó en el capítulo 2, donde los parámetros de interés son:

♣ D1. Diámetro interno del reactor (m). ♣ D2. Diámetro del círculo del agitador (m). Este modelado en simulink tiene la siguiente conguración.

Figura 4.11: Conguración interna del bloque que simula la supercie de o.


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En esta conguración y en acuerdo con la ecuación los parámetros variables son los diámetros del reactor y del agitador, encontramos los bloques correspondientes a las operaciones matemáticas y la constante que hace referencia al valor de π , para nalmente obtener como salida el valor de la supercie de o, el bloque nal que modela esta ecuación es el que se muestra a continuación.

Figura 4.12: Modelo en Simulink de la Supercie de o.

Donde se ve reejado justamente los diámetros como parámetros de entrada variables y la salida será la supercie de o. Los últimos parámetros a calcular en la primera práctica son la constante de velocidad de seudo primer orden por el método de Blauwho y el error porcentual, para los cuales se realizó los siguientes bloques de conguración.

Figura 4.13: Conguración interna del bloque que simula el cálculo de la constante

de velocidad por el método de Blauwho y el error porcentual.


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Donde para el cálculo de la constante de velocidad se utiliza la ecuación de Toyo Amado y Pedro Jaspe que es la misma empleada por Astarita la cual se muestra a continuación.

K1 = 8617 ∗ CM EA − 8961

(4.2)

La cual como se observa está en función de la concentración, por tal razón para este trabajo se obtienen cuatro valores de K1 correspondiente a cada concentración, por otro lado también en la herramienta didáctica se da la opción de realizar el cálculo de la constante de velocidad por el método de los mínimos como lo expresa Blauwho, que al gracar el logaritmo neperiano de la presión absoluta del dióxido de carbono ln(PCO2 ) con respecto del tiempo por cada concentración en estudio se puede obtener una recta tangente a esta curva, cuya pendiente obtenida por el método de los mínimos cuadrados se emplea para obtener la constante de velocidad mediante la siguiente ecuación.

K1 = (

B ∗ VCO2 2 ) S √ CO2

(4.3)

DCO2 S

Donde:

♣ B : es la pendiente obtenida por el método de los mínimos cuadrados. ♣ VCO2 : volumen del dióxido de carbono. √

♣ SCO2 DCO2 : correlación Danckwerts y Laddha. ♣ S supercie de o. Para el cálculo de error porcentual se utilizó la ecuación:

Kteorico − Kexperimental ∗ 100 % (4.4) Kteorico Donde nalmente el modelado en simulink queda como se observa en la gura E%=

siguiente.


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Figura 4.14: . Modelo en Simulink del cálculo de la constante de velocidad y el error

porcentual.

Donde los valores de entrada son las concentraciones en estudio y las teóricas, y las salidas serán la constante de velocidad y el error porcentual. Finalmente todos estos bloques se colocan en un solo archivo como se observa en la gura 4.15 para luego hacer la conexión con las pantallas de visualización de la herramienta como se explicara en la siguiente fase a travez de una conexión T/IP.

Figura 4.15: . Conguración en bloque del modelado de la práctica 1 de la herramienta

SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014.


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4.4.2. Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (CO2) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo. Los objetivos de esta práctica son:

♣ Estudiar la absorción con reacción química de CO2 en MEA, según una cinética de seudo primer orden en un reactor de tanque agitado continuo isotérmico con burbujeo -absorción.

♣ Conocida la constante de velocidad para diferentes concentraciones de MEA, determinar el área interfacial gas-líquido av , y el coeciente de transferencia de masa en la fase liquida KL para un equipo con burbujeo, empleando el modelo de Danckwerts.

♣ Vericar para la presión de CO2 y las concentraciones de MEA empleadas, la reacción sigue una cinética de seudo primer orden. Con la nalidad de dar cumplimiento a estos objetivos se realizan los siguientes cálculos:

♣ Calculo de la solubilidad de CO2 en agua. ♣ Calculo de la rata promedio de absorción por unidad de volumen para concentración de MEA.

♣ Determinación del área interfacial y el coeciente de transferencia de masa para la fase liquida, empleando el modelo de Danckwerts.

♣ cumplimiento del criterio de seudo primer orden para cada concentración de MEA empleada, calculando el número de Hatta y el factor de crecimiento. Al igual que para la primera práctica estos cálculos se realizaron utilizando MATLAB, especícamente SIMULINK.

Modelo en SIMULINK del cálculo de solubilidad en agua.

Debido a que resulta difícil la determinación independiente de la solubilidad de la difusividad del CO2 en soluciones de Monoetanolamina, se emplea la correlación de Sistemas y Automática

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Danckwerts y Laddha obtenida en la experiencia anterior por cada concentración y así de esta manera obtener la solubilidad del CO2 en Monoetanolamina por cada concentración mediante la siguiente ecuación:

SCO2 =

3, 61 ∗ 10−5 − 1, 87 ∗ 10−7 ∗ CM EA − 8, 73 ∗ 10−7 ∗ (CM EA )2 √

DCO2

(4.5)

Donde el valor de DCO2 que representa la difusividad de dióxido de carbono se tomó del Cuadro 4.9 que se muestra a continuación[12].


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Soluto

Disolvente

Temp o C

Conc. del soluto

Cl2

Agua

16

0.12

1.26

HCl

Agua

0

9

2.7

2

1.8

9

3.3

2.5

2.5

16

0.5

2.44

5

3.5

1.24

15

1.0

1.77

10

0

1.46

20

0

1.77

18

0.05

1.26

0.2

1.21

1.0

1.24

3.0

1.36

5.4

1.54

10

N H3 CO2 N aCl

Agua Agua Agua

Kmol m3

Difusividad

M etanol

Agua

15

0

1.28

Acidoactico

Agua

12.5

1.0

0.82

0.01

0.91

18.0

1.0

0.96

10

3.75

0.50

0.05

0.83

16

2.0

0.90

Etanol

Agua

n − Butanol

Agua

15

0

0.77

CO2

Etanol

17

0

3.2

Clorof ormo

Etanol

20

2.0

1.25

75

m2 s

∗ 109

Cuadro 4.1: Difusividad en líquidos.

Fuente: Toyo y Jaspe (1986)[12].


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El modelado de esta ecuación en matlab fue como se muestra a continuación.

Figura 4.16: Conguración interna del bloque que modela el cálculo de la solubilidad

de (CO2 ) en agua.

Donde se utilizan los valores de correlación ya obtenidos en la experiencia anterior, y la difusividad el reportado en el cuadro anterior, la apariencia exterior de este bloque es:

Figura 4.17: Modelo en Simulink del cálculo de Solubilidad.

Modelo en SIMULINK del cálculo de la rata promedio de absorción por unidad de volumen para concentración de MEA. Cuando se hace reaccionar un gas con un líquido, de acuerdo a una cinética de seudo primer orden dentro de un reactor con ujo continuo en estado estable, es aplicable un modelo denominado renovación supercial de Danckwerts y viene expresado mediante la ecuación 4.6. Sistemas y Automática

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(4.6)

(NCO2 av )2 = (av CCO2 (S))2 KL2 + (av CCO2 (S))2 DCO2 K1 En donde el valor de NCO2 av puede ser obtenido mediante la expresión:

NCO2 av =

FCO2 (e) − FCO2 (s) VL

(4.7)

Donde:

♣ FCO2 (e) ujo molar de dióxido de carbono a la entrada.

gmol s

♣ FCO2 (s) ujo molar de dióxido de carbono a la salida. gmol s ♣ VL volumen del líquido. m3 Entonces la conguración en Simulink de la ecuación 4.7 se realizó como se observa en la gura 4.18 que se muestra a continuación.

Figura 4.18: Conguración interna del bloque que modela la rata promedio de absor-

ción por unidad de volumen para concentración de MEA.

Y su forma externa o bloque nal se observa en la siguiente imagen.


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Figura 4.19: Modelo en Simulink del cálculo de Solubilidad.

En donde las variables de ujos molares se obtienen mediante las siguientes expresiones:

PCO2 (e) ∗ QCO2 (e) R∗T PCO2 (s) ∗ QCO2 (s) FCO2 (s) = R∗T

(4.8)

FCO2 (e) =

(4.9)

Dónde:

♣ PCO2 (e) y PCO2 (s): presión absoluta de dióxido de carbono a la entrada y la salida. mmHg

♣ QCO2 (e): caudal de dióxido de carbono a la entrada y a la salida.

m3 s

3

♣ R: constante universal de los gases. 0, 06232 mmHg∗m o Kgmol ♣ T : temperatura de reacción o K


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La modelación de los ujos molares en matlab y su apariencia en bloque se pueden observar en las guras 4.20 y gura 4.21.

Figura 4.20: Conguración interna del bloque de los ujos molares de dióxido de

carbono.

Figura 4.21: Modelo en Simulink de los ujos molares.

Como los ujos molares dependen de las presiones absoluta de entrada y de salida y los caudales de entrada y salida, estos valores de presión también fueron modelados mediante las ecuaciones 4.10 y 4.11, destacando que solo se toma en cuenta el caudal de salida debido a que para este trabajo el caudal de entrada al igual que la presión absoluta de entrada son considerados parámetros jos.

PCO2 (e) = Patm + Pmanometrica (e) ∗ Sistemas y Automática

ρH2 O ∗ sin β ρHg

(4.10) ING-UC


PCO2 (s) = Patm + Pmanometrica (s) ∗

ρH2 O ∗ sin β ρHg

80

(4.11)

Dónde:

♣ Pmanometrica (e) y Pmanometrica (s) : son las presiones manométricas del dióxido de carbono a la entrada y salida en mmH2 O.

♣ Patm : presión atmosférica en mmHg . ♣ ρH2 O : densidad del agua

Kg . m3

♣ ρHg : densidad del mercurio

Kg . m3

♣ β : angulo de inclinación del manómetro g o . Finalmente el modelado de estas presiones se puede apreciar en las guras que se muestran a continuación.

Figura 4.22: Conguración interna del bloque de las presiones absolutas de dióxido

de carbono.


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Figura 4.23: Modelo en Simulink de las Presiones Absolutas.

Modelo en SIMULINK para la Determinación del área interfacial y el coeciente de transferencia de masa para la fase liquida, empleando el modelo de Danckwerts. Una vez obtenido el valor de la rata promedio de absorción por unidad de volumen para concentración de MEA nos valemos de este dato para obtener el área interfacial y el coeciente de transferencia, el área interfacias viene dada por la expresión que se muestra a continuación.

av =

1 CCO2 (s)

√

∗

B2 DCO2

(4.12)

En donde tenemos que:

♣ CCO2 (s): concentración de dióxido de carbono a la salida. ♣ B2 : pendiente de la recta que surge de gracar la rata promedio de absorción al cuadrado con la constante de velocidad de seudo primer orden obtenida en la práctica 1.

♣ DCO2 : difusividad del dióxido de carbono.


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Cabe destacar que el valor de B2 se realiza por el método de los mínimos cuadrados como se realizó en la práctica 1, este cálculo también se modelo en matlab como se observa en la gura 4.24, nalmente los bloques que permiten la obtención de estos parámetros se muestran a continuación:

Figura 4.24: Conguración interna del bloque de los mínimos cuadrados para la ob-

tención A2 y B2 .

Figura 4.25: Modelo en Simulink de los mínimos cuadrado para la obtención de A2

y B2 .


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Figura 4.26: Conguración interna del bloque del cálculo del área interfacial.

Figura 4.27: Modelo en Simulink del área interfacial.


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Finalmente y para completar el ciclo de preguntas correspondiente a la práctica dos tenemos los modelados del coeciente de transferencia de masa para la fase liquida, y el criterio de seudo primer orden por el método de Hatta. Para el coeciente de transferencia se emplea la siguiente ecuación:

√ KL =

A2

av CCO2 (s)

(4.13)

En donde el parámetro A2 es el intersecto obtenido por el método de los mínimos cuadrados. Para el criterio de seudo primer orden por el método de Hatta se emplean las siguientes ecuaciones.

2<λ<E

(4.14)

Donde el parámetro λ que es el factor de Hatta se obtiene mediante la siguiente ecuación: √

K1 DCO2

(4.15) KL Y E que representa el factor de crecimiento se emplea la ecuación de Danckwerts

λ=

como se muestra a continuación:

E=

√

1 + λ2

(4.16)

Estas expresiones llevadas a simulink quedaron como se muestran en las guras siguientes.


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Figura 4.28: Conguración interna del bloque del coeciente de transferencia.

Figura 4.29: Modelo en Simulink del coeciente de transferencia.


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Figura 4.30: Conguración interna del bloque del criterio de seudo primer orden.

Figura 4.31: Modelo en Simulink del criterio de seudo primer orden.


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Finalmente, los cálculos que se realizan en la práctica dos quedan en un solo archivo como se muestra en la gura 4.32 con la nalidad de que exista una buena conexión entre el matlab y el labview que es el programa en donde estarán las ventanas a utilizar por el .

Figura 4.32: Conguración en bloque del modelado de la práctica 2 de la herramienta

SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014.


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4.5. Fase N 0 4 Elaboración de pantallas y objetos animados. Con apoyo en el software Labview versión 2012 se elaboraron los ambientes multimedia que permiten visualizar el comportamiento de las variables en los reactores empleados en las prácticas.

Figura 4.33: Pantalla de inicio del software LabVIEW2012. En principio se generó un archivo tipo proyecto en donde están todas las ventanas interactivas que conforman la herramienta didáctica como se observa en la gura 4.34.

Figura 4.34: Archivo del proyecto de la Herramienta didáctica. Como se puede observar en este archivo están todas las ventanas interactivas (VI) que conforman la herramienta didáctica, y los complementos necesarios para la Sistemas y Automática

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simulación y buen desempeño del proyecto.

Ventanas interactivas del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014. ♣ Portada. ♣ Selección de Práctica. ♣ Descripción Práctica 1. ♣ Descripción Práctica 2. ♣ Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (Co2 ) en Monoetanolamina (MEA).

♣ Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (Co2 ) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo.


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Portada. El ambiente de trabajo de LabVIEW está compuesto de dos ventanas una que es la ventana de visualización (Front ) y la otra es la de programación (Block Diagram), muy similar a los programas tipo SCADA, para este proyecto la portada es la parte inicial o punto de inicio de la herramienta didáctica, y está compuesta de los emblemas de la universidad (escudo de la Universidad de Carabobo y escudo de la Facultad de Ingeniería), el nombre de la herramienta, los nombres de los autores, botón de inicio y botón de stop como se muestra en la gura 4.35.

Figura 4.35: Portada del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014.


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Esta portada es la que se ve en la pantalla de visualización y es la que ve el y con la que interactúa, la programación de los botones esta realizado en la de Block Diagram como se muestra a continuación.

Figura 4.36: Programación de los botones de la Portada. Como se puede observar en la gura 4.36, la programación está constituida por varias estructuras, como lo son:

Flat Sequence Structure: esta es la estructura más externa que se observa en la gura, esta estructura se localiza en la paleta de funciones del LabVIEW en el botón de Structures y su función consiste en que los comandos internos se ejecuten por tramos es decir en orden y uno por uno.

While Loop Structure: esta estructura es la más utilizada en la programación con LabVIEW, al igual que la estructura anterior se encuentra en la paleta de funciones, con esta estructura se logra que las acciones programadas se ejecuten una vez cuando el programa sea puesto en run.

Event Structure: esta estructura nos permite encadenar una serie de eventos que se van a ejecutar para cumplir un n en especíco como es el caso nuestro de ejecutar dos botones de tipo booleanos como lo son el INICIO y STOP. Sistemas y Automática

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Case Structure: esta estructura es empleada para ejecutar acciones en condiciones de verdadero y falso según sea el caso que lo amerite, para este caso se conecta al botón de inicio con la nalidad de que al ser ejecutado este botón se pase a la otra ventana del programa, esto a través del icono correspondiente a la ventana que se desea acceder que se extrae del archivo del proyecto, conectándolo a un comando llamado salto que se observa en la gura de color anaranjado que permite desarrollar esta acción. Por otro lado, del lado derecho del

Flat Sequence Structure tenemos dos coman-

dos que son los que nos permiten ejecutar la acción de salir de la pantalla cuando es ejecutado el botón de STOP estos comandos se encuentran en la paleta de funciones, especícamente en el botón de programming, control de aplicación. Finalmente con esta programación se obtiene que cuando el presione en botón INICIO pase a la siguiente ventana que es la de selección de práctica, y si presiona el botón de STOP se cierre el programa por completo.


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Selección de práctica. Esta es la segunda ventana que se ejecuta en el programa una vez que el a presionado el botón de inicio de la portada, en esta ventana se le da la opción al de elegir entre las dos opciones de prácticas que se presentan, denominadas Práctica 1 y Práctica 2, además de estos botones se encuentran el botón de ATRÁS que permite al operario regresar a la pantalla de portada, y el botón de STOP que al ser presionado hace que la ventana se cierre.

Figura 4.37: Ventana de selección de Prácticas del SIMULADOR BÁSICO DE

REACTORES ABC-2014.

La conguración de la programación de los botones de esta ventana se muestran en la gura 4.38, Sistemas y Automática

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Figura 4.38: Programación de los botones de la ventana selección de Práctica.

Como se puede observar es la misma estructura de programación de la portada, solo que por poseer más botones tiene más

Case Structure, esto debido a que por

cada botón va haber una condición a ejecutar y es por eso que hay más estructura de estas que en el caso de la portada.


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Descripción práctica 1. Una vez que fue presionado el botón práctica 1 de la ventana de selección de práctica, se ejecuta de manera automática la ventana descripción de la práctica 1, en esta pantalla el operario está en la libertad de leer los objetivos relacionados a esa práctica a ejecutar, una breve descripción del sistema en estudio y los cálculos que se desean realizar, además de la opción de regresar a la pantalla de selección de

ATRÁS, cerrar la ventana con el botón de STOP y si presiona el botón SIGUIENTE se va a la ventana donde se ejecuta dicha práctica, práctica con el botón de

la visualización de esta ventana se observa en la gura 4.39 y la programación se pueden observar en la gura 4.40. Se puede destacar que en la ventana de programación aparecen unos nuevos elementos que son los

Combo Box,

son las cajas de dialogo en donde se guarda

la información referente a los objetivos, descripción y cálculos referente a la práctica, estos elementos se encuentran en la paleta de control en el botón de string del LabVIEW, su conguración es sencilla solo consiste en entrar en la opción de propiedades del

Combo Box y la parte item introducir el texto que uno desee que

aparezca. Como se puede observar en la gura el resto de la programación es igual a la ya antes descrita en las otras ventanas.


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Figura 4.39: Ventana descripción Práctica 1 del SIMULADOR BÁSICO DE REAC-

TORES ABC-2014.


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Figura 4.40: Programación de la ventana descripción de la Práctica 1.

Descripción práctica 2. Si en la ventana selección de práctica se presiona el botón práctica 2, se ejecuta de manera automática la ventana descripción de la práctica 2, en esta pantalla el operario está en la libertad de leer los objetivos relacionados a esta práctica, una breve descripción del sistema en estudio y los cálculos que se desean realizar, además de la

ATRÁS, cerrar la ventana con el botón de STOP y si presiona el botón SIGUIENTE se

opción de regresar a la pantalla de selección de práctica con el botón de

va a la ventana donde se ejecuta dicha práctica, la visualización de esta ventana se observa en la gura 4.41 y la programación se pueden observar en la gura 4.42, es conveniente mensionar que la programación de esta ventana es similar a la de la práctica 1 lo único que cambia es el contenido que se encuentra en los Combo


Box.

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Figura 4.41: Ventana descripción Práctica 2 del SIMULADOR BÁSICO DE REAC-

TORES ABC-2014.


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Figura 4.42: Programación de la ventana descripción de la Práctica 2.


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Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA). Una vez que el presiono el botón Práctica 1 de la ventana de selección de prácticas, y se ejecuta la ventana descripción de la práctica 1 en donde lee los objetivos, el breve procedimiento del sistema y los cálculos que se desean realizar, se presiona el botón siguiente y se ejecuta la ventana que contiene la simulación correspondiente a esta práctica, en donde se espera que el operario tenga una idea del comportamiento real de un reactor, para este caso el de tipo discontinuo (BATCH), y los cálculos típicos en estos casos que son justamente a los relacionados a la reacción de absorción de dióxido de carbono en Monoetanolamina. Las pantallas de visualización y programación de esta práctica son las que se muestran a continuación.

Figura 4.43: Ventana Práctica 1 del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES

ABC-2014.


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Figura 4.44: Bloques de Programación de la ventana Práctica 1.


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En los bloques de programación que se observan en la gura 4.44 tenemos en

primer lugar el correspondiente al While

Loop Structure que se encarga de ejecu-

tar la acción de llenado del reactor, encendido de la bomba de vacio, de las válvulas, agitador y temperatura, todo esto a través de los diferentes

Case Structure que se

observan. esto se logra utilizando un conjunto de variables locales correspondientes a las variables denidas en las pantallas ejecutables para así dependiendo de la acción que se quiera realizar esta sea ejecutada en los diferentes Case do lugar tenemos la

Structure. en segun-

Event Structure que como ya describimos anteriormente nos

va a permitir cambiar de pantalla. y nalmente el último bloque de programación es el encargado de simular la variación del manómetro y reportar esta variación en las grácas y tabla de datos a través de las variables locales y el conector de tabla el cual es el cuadro azul con inscripción Build Tablet que se observa en la gura. Cabe destacar que en la gura 4.45 hay tres bloques iguales al antes descrito y esto es debido a que se programaron estos bloques por cada concentración de Monoetanolamina utilizada.


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Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (CO2 ) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo. Una vez que el presiono el botón Práctica 2 de la ventana de selección de prácticas, y se ejecuta la ventana descripción de la práctica 2 en donde lee los objetivos, el breve procedimiento del sistema y los cálculos que se desean realizar, se presiona el botón

SIGUIENTE y se ejecuta la ventana que contiene la simula-

ción correspondiente a esta práctica, en donde se espera que el operario tenga una idea del comportamiento real de un reactor, para este caso el de tipo continuo, y los cálculos típicos en estos casos que son justamente a los relacionados a la reacción de absorción de dióxido de carbono en Monoetanolamina. Las pantallas de visualización y programación de esta práctica son las que se muestran a continuación.

Figura 4.46: Ventana Práctica 2 del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES

ABC-2014.


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Cabe destacar que la programación de la práctica 2 es similar a la de la práctica 1, estas contienen un conjunto de botones en la parte superior izquierda con un nombre

Model Control,

estos botones son los que permiten realizar los cálculos que se

ejecutan desde el MATLAB a través de las pantallas de LabVIEW por medio de un protocolo de conexión denominado T/IP, para lograr esta conexión al instalarse el LabVIEW se debe instalar una librería denominada NI-SIT-TOOLKIT, esta es una caja de herramienta que permite la conexión entre el software MATLAB y el LabVIEW por medio del protocolo mencionado, en principio al ser instalado el SITTOOLKIT este de forma inmediata instala en el MATLAB una librería de nombre NI SIT Blocks como se observa en la gura 4.48.

Figura 4.48: Librería de conexión entre MATLAB y LabVIEW. Con estos bloques especícamente el bloque signal-probe (ver gura 4.49) es que Sistemas y Automática

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se comunican los dos programas, solo basta con colocar en el archivo elaborado en SIMULINK este bloque como se observó en las guras 4.15 y 4.32, y congurando quien es el programa principal y el secundario para que al ser ejecutado se genere el cuadro de programación que permite la conexión entre ambos como se muestra en la gura 4.50.

Figura 4.49: Bloque SignalProbe.

Figura 4.50: Conexión T/IP entre MATLAB y LabVIEW para las prácticas 1y2

del SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014.


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4.6. Vericación y análisis de resultados. 4.6.1. Práctica 1 Reactor de tanque agitado discontinuo absorción de Dióxido de Carbono (CO2) en Monoetanolamina (MEA). Esta práctica se inicia introduciendo en el campo que dice CMEA (concentración de Monoetanolamina) el valor de la concentración en estudio que para nuestro caso son (2.1010; 2.5769; 3.0876; 3.5844) gmol , luego se introducen en los campos CAN l MEA (cantidad de Monoetanolamina) y CAN CO2 (cantidad de dióxido de carbono), los valores correspondientes de estos, es de importancia mencionar que estos valores son considerados constantes en las prácticas propuestas por Toyo Amado y Pedro Jaspe que son nuestras prácticas bases para la realización de esta herramienta, mas sin embargo se programó la herramienta de tal manera que estos parámetros pueden ser variados en un rango permitido con la nalidad poder realizar variedad de cálculo, para la comprobación de la herramienta se tomaron los datos de Toyo y Jaspe que son para la Monoetanolamina 2,5∗10−4 m3 y para el dióxido de carbono 3,5∗10−4 m3 , una vez que se introducen estos valores en los campos correspondientes se observa de manera animada el llenado del tanque del reactor, luego como la práctica lo indica (véase apéndice) se realiza el vacío en el sistema con la nalidad de sacar impurezas, este vacío en la teoría indica que no puede exceder los tres minutos debido a que el dióxido de carbono se vería afectado molecularmente, pero para efectos del simulador solo se programó el encendido y apagado de esta bomba con la nalidad de no perder la esencia de lo que ocurre en un montaje real. Una vez apagada la bomba de vacío se procede a encender el sistema de agitación en el botón correspondiente e indicado así en el simulador donde se da a entender que esta encendido si se prende el led verde y apagado si se enciende el led rojo, además se hace girar las aspas que se encuentran sobre el reactor indicando que el agitador esta encendido, cabe destacar que este sistema de agitación gira a una velocidad constante de 725 rpm para efectos de cálculo y que la temperatura de reacción es de 300o K constante así como la presión atmosférica que tiene un valor de 722,2 mmHg.


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Una vez encendido el sistema se debe introducir en el campo de presión manométrica la presión inicial de estudio que para nuestra prueba se recomendó de 600 mmHg y el número de iteraciones que esto en un montaje real seria la cantidad de lecturas experimentales quisiera realizar el operario, para efectos de este simulador estas iteraciones no pueden exceder de 40 ya que la ecuación no lo soporta, ya colocados esto valores y dependiendo de cuál de las cuatro concentraciones de Monoetanolamina se está estudiando se observara tanto en el manómetro, en un visor digital, en la tabla de datos y de manera gráca, la variación de la presión en tiempo real que indica o da muestra de cómo el dióxido de carbono está siendo absorbido por la Monoetanolamina. Luego de completado el ciclo de iteraciones se ejecutan los cálculos a través del botón play del model control y salen los cálculos correspondientes para la concentración en estudio, el operario tiene la opción de exportar estos datos a un archivo de Excel y realizar su grácas y cálculos manuales para cotejarlos con los arrojados por el simulador. Para nuestras pruebas de la práctica 1 se muestran los siguientes resultados: √

1

√

1

SCO2 DCO2 ∗ 105 ( ms ) 2

Toyo-Jaspe SCO2 DCO2 ∗ 105 ( ms ) 2

2.1010

3,1854

3,1854

2.5769

2,9821

2,9821

3.0876

2,7200

2,7213

3.5844

2,4214

2,4213

CMEA

gmol l

Cuadro 4.2: Correlación Danckwerts y Laddha en función de la concentración de Monoetanolamina (MEA). Para el cálculo de la supercie de o se utilizaron los valores del manual del equipo en donde: D1: diámetro interno del reactor es de 0,74 m . D2: diámetro del círculo del agitador es de 0,54 m. Y con la aplicación de la ecuación 2.11. se obtuvo:

S = 2, 0106 ∗ 10−3 m2 Como se mencionó antes este valor se considera jo pero en este simulador se da la libertad de variar los valores para tener más rangos de variedad. Sistemas y Automática

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Para la constante de velocidad de seudo primer orden y los errores porcentuales se obtuvieron los siguientes resultados. CMEA gmol l

K1 ABC-2014s−1

K1 Toyo-jaspes−1

Error %

2.1010

9141,32

9322,26

1,9

2.5769

13242,10

13088,34

-1,2

3.0876

17642,80

17383,09

-1,5

3.5844

21923,80

22135,26

0.9

Cuadro 4.3: Constante de velocidad de seudo primer orden y error porcentual entre los valores del simulador y los de Toyo-Jaspe en función de la concentración de Monoetanolamina (MEA). Se puede observar que los errores entre Toyo-jaspe y el SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC-2014, son bajos como era de esperarse ya que estas son nuestras referencias, dándonos esto seguridad de que el simulador tiene un comportamiento conable en sus resultados.

4.6.2. Práctica 2 Absorción de Dióxido de Carbono (CO2) en Monoetanolamina (MEA) en un reactor de tanque agitado Continuo. Para esta práctica de igual manera se trabajan con las mismas cuatro concentraciones que se emplearon en la práctica 1 la misma presión atmosférica y temperatura de reacción, esto con la nalidad de tener iguales puntos de referencia, se comienza introduciendo el valor de concentración a estudiar en el campo correspondiente, luego se introducen los valores de ujo volumétrico del líquido que para nuestra experiencia fue de 2,5 × 10−5 ms y el de ujo volumétrico del gas a la entrada de 3,73 × 10−5 ms , 3

3

con una presión de gas a la entrada de 30mm de H2 O, cabe destacar que el volumen de líquido con el que se trabaja aquí en esta práctica es el recomendado por ToyoJaspe y esto debido a que en condiciones reales la preparación de Monoetanolamina es costoso y por eso se usan esas cantidades que para nuestro caso es de 2,5×10−4 m3 . Luego se enciende el sistema de agitación el cual trabaja a una velocidad constante de 725 rpm, una vez cargado estos datos y encender el sistema de agitación Sistemas y Automática

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111

se procede a obtener los cálculos comenzando con la solubilidad de dióxido de carbono en agua en donde se debe introducir en el campo de correlación el valor de correlación correspondiente a la concentración en estudio obtenida en la práctica 1 y en el campo de difusividad el valor reportado en tabla de cualquier libro o tabla química que para nuestro trabajo fue de 1, 987 ∗ 10−9 ms para lo que obtuvimos los 2

siguientes resultados. CMEA gmol l

Solubilidad

2.1010

71460,3

2.5769

66899,6

3.0876

61019,7

3.5844

54321

Cuadro 4.4: Solubilidad de dióxido de carbono en agua. Luego se procede a calcular las presiones absolutas correspondiente a cada concentración en estudio, estando pendiente de los valores que arroja el manómetro de salida y colocar ese valor en el campo correspondiente y ejecutar el model control para obtener los resultados, en nuestras prueba se obtuvieron los siguientes resultados. CMEA gmol l

PCO2 mmHg(e) PCO2 mmHg(e) PCO2 mmHg(s)

PCO2 mmHg(s)

ABC-2014

Toyo-Jaspe

ABC-2014

Toyo-Jaspe

2.1010

722.77

722.77

722,276

722,28

2.5769

722.77

722.77

722,257

722,26

3.0876

722.77

722.77

722,238

722,24

3.5844

722.77

722.77

722,219

722,22

Cuadro 4.5: Presiones absolutas de entrada y salidas. Las presiones de entrada y salida está en el mismo orden de las reportadas por Toyo-Jaspe, lo que indica que el programa arroja buenos resultados dando conabilidad en la aplicación de esta herramienta con nes didácticos. Después de obtener estos valores de presiones se obtienen el valor de ujo molar de salida ya que el de entrada se considera constante aunque en el simulador se da la libertad de variar este parámetro, nuestros resultados para este cálculo fueron: Sistemas y Automática

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CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. CMEA gmol l

112

FCO2 (s) gmol SIMULADOR ABC-2014 FCO2 (s) gmol Toyo-Jaspe s s

2.1010

54,086

54,09

2.5769

32,838

32,86

3.0876

27,04

27,06

3.5844

8,885

9,67

Cuadro 4.6: Flujos molares de dióxido de carbono de entrada y salida. Ya una vez que se obtuvieron los ujos molares se calcularon las ratas promedios de absorción para luego obtener el área interfacial y el coeciente de transferencia gas líquido donde los datos obtenidos fueron. CMEA gmol l

NCO2 av gmol m2 s

NCO2 av gmol m2 s

(NCO2 av )2 gmol m2 s

(NCO2 av )2 gmol m2 s

ABC-2014

Toyo-jaspe

ABC-2014

Toyo-jaspe

2.1010

3,6046

3,6046

12,9929

12,9929

2.5769

4,4545

4,4536

19,8425

19,8346

3.0876

4,6863

4,6856

21,9613

21,9548

3.5844

5,4126

5,3812

29,2960

28,9673

Cuadro 4.7: Rata promedio de Absorción.

av m2

av m2

KL ms

KL ms

SIMULADOR ABC-2014

Toyo-Jaspe

SIMULADOR ABC-2014

Toyo-Jaspe

25,34

25,10

2,07

2,20

Cuadro 4.8: Área interfacial y Coeciente de Transferencia de Absorción. Finalmente obtuvimos el factor de Hatta y el factor de Crecimiento que sirven para determinar si la absorción cumple con el criterio de seudo primer orden los cuales pueden ser observados en el cuadro 4.9.


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CAPÍTULO 4. DESARROLLO DE LA HERRAMIENTA DIDÁCTICA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS. CMEA gmol l

113

λfactor de Hatta

λfactor de Hatta

E crecimiento

E crecimiento

ABC-2014

Toyo-Jaspe

ABC-2014

Toyo-Jaspe

2.1010

2.05

2.02

2.28

2.25

2.5769

2.47

2.32

2.67

2.52

3.0876

2.85

2.67

3.03

2.85

3.5844

3.18

3.01

3.34

3.18

Cuadro 4.9: Criterio de Seudo primer Orden. Finalmente con estos resultados y los de la práctica uno en conjunto se puede decir que esta herramienta llamada SIMULADOR BÁSICO DE REACTORES ABC2014, presenta resultados conables comparados con los obtenidos por Toyo Amado y Pedro Jaspe en su trabajo de investigación, dando así una oportunidad a los estudiantes de la materia Cinética y Diseño de Reactores de la Facultad de Ingeniería, escuela de química de la Universidad de Carabobo, de realizar una experiencia experimental para poner en práctica los conocimientos adquiridos en su área ya que no cuentan en la actualidad con ningún equipo con el que puedan desarrollar una práctica, dejando enmarcado que esta herramienta es una primera versión y pudiese tener mejoras para brindarles más oportunidad de experiencia y aprendizaje a los estudiantes beneciados.


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Capítulo 5 Conclusiones Y Recomendaciones. Con el pasar de los tiempos los procesos industriales han tenido un crecimiento abismal, provocando que cada sistema sea estudiado de manera teórica y práctica. En ocasiones el estudio practico se dicultad por dos razones: no existe los equipos necesarios para el estudio o existe el equipo pero debido a sus condiciones se encuentra desincorporado. Tal es el caso en la escuela de ingeniería química de la Universida de Carabobo en donde no es posible realizar prácticas de reactores porque el equipo no se encuentra en condiciones de uso, por ello se realizó la herramienta didáctica SIMULADOR BASICO DE REACTORES ABC-2014 arrojando estas conclusiones: La herramienta solo reeja el comportamiento de la absorción de dióxido de carbono en Monoetanolamina con cuatro concentraciones especica de esta que son (2.1010; 2.5769; 3.0876; 3.5844) gmol , en los reactores discontinuo agitado y continuo l agitado. El manejo del SIMULADOR BASICO DE REACTORES ABC-2014, es sencillo de tal manera que los s no pierdan de vista los objetivos planteados en cada práctica. A pesar de que la programación se realizó en función de unas prácticas guías existe cierta libertad de variar parámetros en rangos coherentes con la nalidad de darle al espacio de creatividad. 114

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

115

Los datos obtenidos en el desarrollo de cada práctica fueron comparados con los obtenidos por otros autores dando como resultado que la programación es conable como se observó en el capítulo 4. Se realizó una comunicación T/IP entre los software MATLAB y LabVIEW para poder reejar los cálculos en las pantallas elaboradas. Finalmente debido a los datos obtenidos y la conabilidad de los resultados de esta herramienta se puede decir que se puede emplear como un apoyo en el laboratorio de química para el estudio de reactores el cual se encuentra en estos momentos sin la posibilidad de realizar prácticas de este tipo.


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CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

116

Recomendaciones. ♣ Realizar investigaciones de como reactivar el equipo de reactor que se encuentra en el Laboratorio de Química, para solventar la necesidad de brindar a los estudiantes la oportunidad de realizar unas prácticas reales.

♣ Emplear el SIMULADOR BASICO DE REACTORES ABC-2014 como complemento académico en el Laboratorio de Química para que los estudiantes cursantes de la materia cinética y diseño de reactores tengan la oportunidad de realizar prácticas que le ayuden a fortalecer sus bases teóricas.

♣ Utilizar este trabajo como una primera versión para desarrollar otra más amplia e inclusive utilizar otras reacciones y otros modelos matemáticos.

♣ Adquirir una tarje de adquisición de datos para conectar el reactor con una PC.

♣ Emplear esta investigación como una opción de implementación de elaboración de pantallas tipo SCADA empleando el software LabVIEW en el laboratorio de automatización.


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Capítulo 6 Apéndice. 6.1. Experimento N◦1. Reactor de tanque agitado discontinuo isotérmico-absorción de CO2 en monoetanolamina (MEA)

6.1.1. Objetivos: ♣ Estudiar la absorción con reacción química del CO2 en MEA en un reactor de tanque agitado discontinuo.

♣ Determinar la constante de velocidad a temperatura ambiente para diferentes concentraciones de MEA, empleando el modelo de Blauwho, asumiendo que la reacción sigue una cinética de seudo primer orden.

♣ Comparar los valores de la constante de velocidad de seudo primer orden obtenidos en el reactor de tanque agitado discontinuo, con valores obtenidos en algún otro equipo experimental.

6.1.2. Método Operatorio: El experimento se lleva a cabo en un reactor de tanque agitado discontinuo provisto de los equipos y rios necesarios, tales como: agitador, manómetro, termómetro, cronómetro, bombona del CO2 , válvulas y conexiones adecuadas. Previamente, antes de iniciar la experiencia, se deben preparar las diferentes soluciones 117

CAPÍTULO 6. APÉNDICE.

118

de MEA que se van a utilizar. El primer paso consiste en cargar el reactor con la solución de MEA hasta un volumen jo, luego se extrae el aire dentro del reactor por medio de la bomba de vacío con la que está conectada. El próximo paso consiste en poner en funcionamiento el sistema de agitación. Posteriormente se introduce el del

CO2 al reactor hasta alcanzar una presión determinada dentro del mismo; se cierra la entrada del CO2 e inmediatamente se dispara el cronómetro y se anota el tiempo que transcurre cada vez que la presión disminuye en un valor, el cual debe ser jado a criterio del experimentador, hasta que sea absorbido todo el CO2 . El procedimiento anterior se debe repetir para cada concentración de MEA utilizada, como mínimo dos veces, para garantizar la reproducibilidad de los datos obtenidos.

6.1.3. Condiciones de operación: Para las condiciones de operación, se recomienda utilizar concentraciones de MEA en un rango de 3,0 a 5,0gmol/l. el volumen de la solución depende del tamaño del reactor; generalmente se recomienda utilizar un volumen con una altura igual al diámetro del reactor (aproximadamente 250 centímetros cúbicos). La velocidad de agitación debe ser aproximadamente 725rpm, siempre y cuando no se formen vórtices en el líquido. Se recomienda iniciar la experiencia introduciendo al reactor una presión del CO2 de 600mmHg (manométrica) con el n de tener un mayor rango de trabajo y obtener los resultados deseados.

6.1.4. Cálculos:

√

♣ Calcular para cada concentración de MEA el valor de SCO2 2 DCO2 empleando la correlación deducida por Danckwerts y Laddha.

♣ Calcular la supercie de o del reactor. ♣ Determinar por el método de Blauwho, la constante de velocidad de seudo primer orden correspondientes a las diferentes concentraciones de MEA empleadas, y el rango de presiones en el cual se cumple ésta constante.

♣ Calcular el porcentaje de desviación de los resultados experimentales con respecto a los reportados por la literatura. Sistemas y Automática

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6.2. Experimento N◦2. 6.2.1. Objetivos: ♣ Estudiar la absorción con reacción química de CO2 en MEA, según una cinética de seudo primer orden en un reactor de tanque agitado continuo isotérmico con burbujeo -absorción.

♣ Conocida la constante de velocidad para diferentes concentraciones de MEA, determinar el área interfacial gas-liquido Av , y el coeciente de transferencia de masa en la fase liquida KL para un equipo con burbujeo, empleando el modelo de Danckwerts.

♣ Comparar los valores de Av y KL , calculados experimentalmente, con valores obtenidos en un equipo similar con el mismo tiempo de o.

♣ Vericar para la presión de CO2 y las concentraciones de MEA empleadas, la reacción sigue una cinética de seudo primer orden.

6.2.2. Método Operatorio: El estudio es llevado a cabo en un reactor de tanque agitado continuo con burbujeo, provisto de su respectivo sistema de agitación, termómetro, manómetros, rotámetros, bombona de CO2 , válvulas y conexiones apropiadas. Para iniciar la experiencia, se alimenta al reactor con la solución de MEA que se encuentra en el tanque de almacenamiento, jando el ujo volumétrico de MEA mediante la válvula de aguja del rotámetro en un valor constante. Una vez que el nivel del líquido alcance una altura determinada, se abre la válvula reguladora de descarga y se opera de tal manera que el nivel permanezca constante. Simultáneamente con los pasos anteriores se deben abrir las válvulas de la bombona de CO2 jando la presión de entrada del CO2 con el manómetro respectivo. El próximo paso consiste en poner en funcionamiento el agitador; luego se introduce el CO2 al reactor, midiendo su ujo volumétrico a través del rotámetro. Se deja que el sistema estabilice y se mide la temperatura de reacción. Una vez que el sistema alcanza el estado estacionario, se mide la presión y el ujo volumétrico de CO2 a la salida del reactor, mediante el manómetro y el rotámetro, instalados para tal n. Sistemas y Automática

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6.2.3. Condiciones de operación: Las condiciones de operación en un reactor continuo son de cierta forma diferentes a las de un reactor discontinuo, sin embargo, existen algunos parámetros que deben mantenerse constante en ambos sistemas, con la nalidad de que las cantidades que se pretenden evaluar, tengan un mismo nivel de referencia. Entre los parámetros que deben mantener constante están: la temperatura de reacción, el volumen de líquido dentro del reactor, la velocidad de agitación, y el rango de concentración de MEA. El ujo volumétrico de MEA puede ser variado en todo el rango del rotámetro, 3

cm aunque se recomienda trabajar con 150 min principalmente por razones económicas.

Para cumplir con la condición de seudo primer orden, se recomienda utilizar presiones de CO2 bajas. En experimento se debe jar ésta presión en aproximadamente

30mmH2 O

6.2.4. Cálculos: ♣ Calcular la solubilidad de CO2 en agua. ♣ Calcular la rata promedio de absorción por unidad de volumen para concentración de MEA.

♣ Determinar el área interfacial y el coeciente de transferencia de masa para la fase liquida, empleando el modelo de Danckwerts.

♣ Vericar que se cumple el criterio de seudo primer orden para cada concentración de MEA empleada, calculando el número de Hatta y el factor de crecimiento.


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Referencias Bibliográcas [1] Arnoldo

G.

(Documento

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20 reactores.pdf (Consulta 2014, Abril) [6] (Documento en línea) Disponible: http://www.sc.ehu.es/practicas/2Int.htm (Consulta 2014, Abril) [7] Manual de Trabajos de Grado de Especializacion y Maestria y Tesis Doctrales. Universidad Pedagogica Experimental Libertador (UPEL). Reimpresion 2005. 121

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