Enseñanza de Ingeniería Armfield

OPERACIONES UNITARIAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Y DE MASA

UOP3 Columnas de destilación- Versión 6

Se han hecho considerables avances en la instrumentación y el control de las columnas de destilación en los últimos años, debido a la aparición de sistemas enlazados a computadoras con paquetes de software para el manejo de datos operativos de la planta. Para reflejar estos avances, Armfield ha desarrollado dos nuevas columnas de destilación de laboratorio de última tecnología que permiten una formación práctica segura para estudiantes de ingeniería y operadores de plantas:-

> Una columna compatible con computadora para la operación continua o discontinua (referencia de modelo UOP3CC), que permite una gama completa de demostraciones, desde las etapas introductorias de un curso de ingeniería de procesos hasta las más complejas demostraciones de modernas estrategias de control.

> Una versión de operación discontinua solamente (referencia de modelo UOP3BM) de control manual, que permite un completo estudio de los principios básicos de la destilación.

Trabajos de laboratorio posibles

Para la Columna de destilación discontinua UOP3BM - bajo control manual:

> caída de presión en la columna como función del reflujo interno de evaporación

> eficiencia de la columna como función del reflujo interno de evaporación, con reflujo total

> perfiles de temperatura placa a placa a lo largo de la columna

> Construcción McCabe-Thiele de la línea de operación

> destilación con relación de reflujo constante: variación de la composición del producto de cabeza con el tiempo

> balance de materia en el sistema

> control manual de la relación de reflujo, por ejemplo para obtener un producto de cabeza de composición especificada

> comparación de rendimientos entre una columna de relleno y una columna de platos

UOP3CC:
Columna de destilación con interfaz informática:

• Unidad de columna de destilación integral con placa tamiz, incluidos vasos y bomba de alimentación, equipo de transferencia calorífica, condensador, separador de reflujo, depósitos de recogida del producto y precalentador de alimentación/refrigerador del producto en el fondo. Este dispositivo puede utilizarse con disolventes inflamables y cuenta con todas las herramientas necesarias para un funcionamiento continuo y por tandas.
• Mediante un conmutador, es posible controlar la temperatura durante todo el proceso, incluida la de todas las placas tamiz, así como visualizarla en una consola montada sobre la mesa de trabajo. Además, la consola incluye controles para la potencia suministrada al calentador del equipo de transferencia calorífica y para seleccionar una proporción de reflujo de entre el 0 y el 100%.
• Las conexiones del panel frontal de la consola permiten utilizar grabadoras, registradores de datos, y controladores lógicos programables (PLC) y proporcionales integrales derivativos (PID) estándar en el sector (no suministrados).
• La consola está diseñada para conectarse a un PC (no suministrado) y se incluye el software necesario para realizar un registro de datos en línea, llevar a cabo un seguimiento del proceso en tiempo real y utilizar bucles de control PID, así como supervisar y configurar dichas funciones a través de un diagrama mimético.
• También se incluye un manómetro de tubo en U para medir las caídas de presión sobre la columna de destilación.
• Gracias a un sistema de vacío, el dispositivo puede funcionar con presiones reducidas de hasta 200 mbar(abs).
• Incorpora un tercer tubo de alimentación a fin de demostrar la destilación aceotrópica con el separador de fase de reflujo.
• La columna con placa tamiz de 50 mm de diámetro puede intercambiarse fácilmente con una columna compacta alternativa.
• La unidad se suministra completamente montada, incluido el aislamiento, con un completo manual de instrucciones que describe la puesta en servicio, el mantenimiento y la asignación de instrucciones.

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DESCRIPCIÓN

Columna de destilación discontinua (manual) UOP3BM

La unidad es una instalación de destilación autónoma con instrumentación completa, apropiada para trabajos prácticos de laboratorio pertinentes a la enseñanza de las operaciones unitarias.

El equipo utiliza circuitos intrínsecamente seguros, aislados galvánicamente, y dispositivos ignífugos, para permitir la destilación segura de mezclas de ensayo estándar, tales como metilciclohexano-tolueno, alcohol metílico-agua, etc.

El equipo consta de dos unidades interconectadas: una unidad de proceso de suelo y una consola de control de banco.

Se incluyen las siguientes características:

Unidad de proceso

> una columna de destilación de platos de 50mm de diámetro con 8 platos y tubos de bajada. Cada plato incluye un sensor de temperatura situado de tal forma que mide con precisión la temperatura del líquido que está sobre el plato. Las fundas de los sensores de temperatura de cada plato miden no más de 1,5mm de diámetro, para asegurar una rápida respuesta dinámica.

> una columna de relleno de 50mm suministrada como elemento individual, pero fácilmente intercambiable por el usuario con la columna de platos, para la realización de estudios comparativos de los dos tipos de columna de destilación.

> calderín con calentamiento eléctrico, de capacidad suficiente para 1-2 horas de operación discontinua. El calentador del calderín está protegido contra el sobrecalentamiento y por una alarma de nivel bajo.

> un condensador de cabeza con medición y ajuste del caudal de agua de refrigeración.

> un recipiente de recogida de condensado, equipado con doble rebosadero con tubos de salida para separar líquidos inmiscibles.

> una válvula de retorno de reflujo, accionada por solenoide, que proporciona reflujo de 0%-100%, ajustable por señal eléctrica.

> un manómetro diferencial conectado a la cabeza y al fondo de la columna, para monitorizar caídas de presión en la columna.

> un sistema de vacío con indicador, que permite realizar estudios de destilación a presiones reducidas de hasta 200mbar(abs).

> puntos de muestreo en todo el sistema para análisis de composición.

> los materiales de construcción de las superficies que entran en contacto con los fluidos de proceso son vidrio, acero inoxidable, PTFE o materiales similares resistentes a los disolventes.

> la altura total de la unidad de proceso no supera los 2,5 metros (8,2 pies).

> se proporciona revestimiento aislante, aunque es posible ver al menos un plato en operación cuando la destilación está en progreso.

> la temperatura máxima de operación de la columna es de al menos 130°C.

Consola de Control

> indicación monitorizada y seleccionable de al menos 13 temperaturas de sistemas, incluyendo las del líquido en cada plato, el calderín y el condensador.

> monitorización, visualización y ajuste manual de:
i) la potencia eléctrica suministrada al calentador del calderín.
ii) el ajuste de la relación de reflujo.

> conexiones en el panel frontal para que el usuario conecte controladores industriales estándar de 0-5 voltios, analógicos o de lógica programables, que proporcionan control en línea del reflujo interno de evaporación o la relación de reflujo usando mediciones seleccionadas de temperatura de columna. Los puntos de conexión también permiten el uso de registradores en papel y registradores de datos de laboratorio estándar. (Hasta dos mediciones simultáneas de temperatura).

> conexión eléctrica de red (suministro monofásico de 3kW máx.) protegida por interruptor diferencial (disyuntor de corriente residual). Circuitos de seguridad sin tensión para evitar un arranque accidental.

> circuitos individuales protegidos contra exceso de corriente con disyuntores reiniciables.

Columna de destilación con interfaz a computadora UOP3CC

Esta unidad incorpora todas las características de la columna discontinua de operación manual descrita (UOP3BM) pero incluye los siguientes elementos adicionales:

Unidad de proceso

> dos recipientes de alimentación de 5 litros, con cambio rápido para permitir cambios de paso en la composición del líquido de alimentación.

> bomba de alimentación peristáltica, intervalo 0-0,25 litros/minuto, ajustable por la variación de la tensión de entrada al controlador del motor de la bomba.

> calderín con calentamiento eléctrico, de capacidad suficiente para 1-2 horas de operación discontinua, pero equipado con un rebosadero interno en el caso de necesitarse la operación continua.

> un intercambiador de calor de producto de fondo que puede ser refrigerado por agua o utilizado como precalentador del líquido de alimentación (variable). Puntos de alimentación de columna alternativos y la capacidad de variar la temperatura de entrada del líquido de alimentación a la columna.

> recipiente de dosificación del líquido de alimentación, conectado a la columna para la adición continua de un tercer componente líquido, que, junto con el recipiente de separación de la fase de condensado, permite el estudio de las destilaciones azeotrópica y extractiva.

> sensores de temperatura en cada caudal que entra y sale del condensador y de las temperaturas del líquido de alimentación, sistema de producto y calderín.

Consola de Control

> indicación monitorizada y seleccionable de al menos 14 temperaturas del sistema, incluyendo los del líquido en cada plato, el calderín y el condensador, y de los caudales del líquido de alimentación y producto.

> monitorización, visualización y ajuste manual de:
i) la potencia eléctrica suministrada al calentador del calderín.
ii) el ajuste de la relación de reflujo.
iii) el ajuste del caudal de alimentación.

> unos conectores de cable plano en la parte trasera de la consola permiten el uso de registradores en papel y registradores de datos de laboratorio estándar (todas las mediciones simultáneamente).

> un conector de 50 vías en la parte trasera de la unidad permite la conexión a una PC suministrada por el usuario, vía la unidad de interfaz USB integrada. Pantalla de control PID de software Armfield

UOP3CC Software

> software específico bajo Windows, suministrado en CD-ROM, que permite la adquisición de datos en tiempo real vía el puerto USB, diagrama esquemático del proceso, visualización gráfica y tabular de los resultados, y exportación a una hoja de cálculo externa.

> estrategias de control de múltiples lazos, totalmente configurables.

Las opciones de control incluyen:

i) control manual del caudal de alimentación, la potencia del calderín y la relación de reflujo.
ii) ajuste de la alarma.
iii) control PID ajustable de la potencia suministrada al calentador de calderín desde un sensor de temperatura.
iv) algoritmos alternativos para el control de la relación de reflujo, en particular por variación programada con el tiempo y a partir de una temperatura de columna.
v) control de temperatura de 'dos puntos' de la potencia del calderín y la relación de reflujo simultáneamente.

> completo sistema de ayuda incluyendo pantalla de presentación con una breve descripción del equipo, y textos detallados que contienen toda la información necesaria para realizar los experimentos.

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Trabajos de laboratorio posibles

Para la Columna de destilación discontinua UOP3BM - bajo control manual:

> caída de presión en la columna como función del reflujo interno de evaporación

> eficiencia de la columna como función del reflujo interno de evaporación, con reflujo total

> perfiles de temperatura placa a placa a lo largo de la columna

> Construcción McCabe-Thiele de la línea de operación

> destilación con relación de reflujo constante: variación de la composición del producto de cabeza con el tiempo

> balance de materia en el sistema

> control manual de la relación de reflujo, por ejemplo para obtener un producto de cabeza de composición especificada

> comparación de rendimientos entre una columna de relleno y una columna de platos

Nota: Estos trabajos también pueden realizarse con la UOP3CC.

Para la Columna de destilación UOP3CC con interfaz de computadora solamente - operación continua, manual o computerizada:

> incluye todos los trabajos relacionados para la UOP3BM bajo 'Columna de destilación discontinua UOP3BM'

> destilación continua, de estado estable, incluyendo perfiles de temperatura y análisis McCabe-Thiele

> destilación bajo condiciones de presión reducida

> comparación de operación continua entre una columna de relleno y una columna de platos

> efecto del pre-calentamiento del líquido de alimentación

> efecto de la posición del líquido de alimentación

> demostraciones de destilación azeotrópica y extractiva

> trabajos de control por computadora
- uso en línea de diagramas esquemáticos
- configuración del registro de datos y posterior análisis de los datos capturados, incluyendo el uso de hojas de cálculo
> destilación discontinua con relación de reflujo constante o variable con el tiempo
- destilación discontinua con control de la relación de reflujo a partir de una temperatura de columna
- destilación continua con control de 3 términos del calentador del calderín a partir de una temperatura de columna
- destilación continua con la relación de reflujo controlada por la temperatura de cabeza
- destilación continua con control de temperatura del calentador del calderín y de la relación de reflujo (sistema de control de dos lazos)
- ajustes óptimos del controlador para cambios en el caudal de alimentación, la composición o la temperatura
- algoritmos de control alternativos del usuario - dinámica de procesos, por ejemplo monitorización y control del arranque-parada de la planta para la operación continua

> demostraciones de controladores propietarios:
- control por PLC del calentador del calderín y/o la relación de reflujo y el funcionamiento de las alarmas (requiere la unidad Armfield PCT19BR que incorpora un PLC industrial estándar)
- demostración de la supervisión por PC de controladores PLC y PID
- una introducción a los sistemas de control distribuidos
- control analógico PID del calentador del calderín a partir de la temperatura de columna (requiere la unidad Armfield PCT20H que incorpora un controlador industrial estándar)

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Resultados de rendimiento

Control de columna de destilación mediante una unidad PLC industrial Armfield PCT19BR

 

 

 

 

Comparación de destilación por tandas para diferentes técnicas de control de la proporci ón de reflujo

 

 

 

 

 

 

 

Efecto de los parámetros de funcionamiento en el perfil de temperatura de la columna
(Proporción de alimentación: 60 ml/min, 60% tricloroetileno/40% cloruro de metileno; potencia del hervidor: 0,75 kW; proporción de reflujo: 2:1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 1:
Comparativa de temperaturas en columnas compactas y con placa

Mediciones en	Temp. de la placa superior	Temp. del hervidor
Columna compacta	48.4°C	82.5°C
Columna con placa	48.0°C	85.0°C
Condiciones:
Alimentación:	60 ml/min de tricloroetileno/cloruro de metileno 60:40
Potencia del equipo de transferencia calorífica:	0.75kW
Proporción de reflujo:	2:1
Temperatura ambiente de alimentación:	17°C
Presión atmosférica:	.

 

 

Tabla 2:
Resultados de una posición de alimentación alternativa

Alimentación a la parte superior de la columna
Tiempo	Composiciones,m.f.		MCH	Potencia	Reflujo	Temperatura en °C
-	Alimen- tación	Elevac- iones	Partes inferiores	Entrada kW	Prop- orción	Equipo de transfer- encia calorífica	Línea de elevac- iones	Placa superior
13.40	0.293	-	-	-	-	-	-	-
15.00	-	-	-	0.79	2:1	108.8	103.4	103.5
15.15	-	-	-	0.77	2:1	108.4	103.0	102.7
15.20	-	0.472	0.088	-	-	-	-	-
15.30	-	-	-	0.79	2:1	107.1	102.9	103.6
15.35	-	0.464	0.097	-	-	-	-	-
15.50	-	0.481	0.107	0.75	2:1	107.4	103.0	103.6

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Accesorios esenciales

Equipo analítico, adecuado para realizar análisis de composición de cualquier mezcla de líquidos seleccionada por el usuario (por ejemplo un refractómetro).

Para la UOP3CC solamente:-

PC (no suministrada by Armfield) con la siguiente especificación mínima:

> Windows
> Puerto USB
> Procesador Pentium
> 16Mb de RAM
> 15Mb de espacio libre en disco duro
> Pantalla SVGA (resolución 800 x 600, color verdadero)

Nota: No es posible ampliar una unidad UOP3BM para convertirla en una UOP3CC, debido a la complejidad de las barreras ignífugas dentro de la consola de control de la UOP3CC.

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Accesorios opcionales

PCT19BR:

Unidad PLC que incorpora un Allen Bradley SLC500 completo con programa propietario de configuración de lógica en escalera (requiere PC suministrada por el usuario). Este programa es configurado inicialmente por Armfield para dos lazos de control con entrada/salida analógica adecuados para la columna de destilación UOP3 (versión BM o CC), pero que puede ser reconfigurado por los usuarios vía su PC.

PCT20H:

Controlador PID, que incorpora una unidad Honeywell serie UDC3000 con tensión/mA de entrada y salida para configuraciones de control de un solo lazo y alarmas. Adecuado para la versión UOP3BM y CC. Se suministra un paquete de software en disco que demuestra los principios básicos de SCADA, con el cual una PC suministrada por el usuario puede conectarse en línea al Controlador PID.

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Requisitos

Requisitos para la instalación

Suelo nivelado resistente a disolventes

Una habitación ignifugada o una zona en la que sea posible mantener un espacio libre de 2 metros en cada uno de los lados, y por encima de la unidad, y en la cual se prohíbe la entrada de cualquier equipamiento que pudiera producir una chispa.

Suministro eléctrico:

UOP3BM-A: 220-240V/1ph/50Hz @ 13A
UOP3BM-B: 120V/1ph/60Hz @ 25A
UOP3BM-G: 120V/1ph/60Hz @ 13A
UOP3CC-A: 220-240V/1ph/50Hz @ 13A
UOP3CC-B: 120V/1ph/60Hz @ 25A
UOP3CC-G: 220-240V/1ph/60Hz @ 13A

Agua

Suministro de agua fría: 15 litros/min a 2,0bar (min.)

Venteo

tubo de extracción hasta una campana de extracción o una zona segura de descarga en el exterior del laboratorio.

Nota: La unidad de destilación se monta en el suelo, y se suministra ya conectada a la consola de control de banco mediante una cantidad suficiente de cable apantallado para permitir el mantenimiento de los 2m de espacio libre alrededor de la columna.

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EspecificaciÓn de transporte

UOP3BM
Volumen:	3.4m3
Peso bruto:	425kg
UOP3CC
Volumen:	3.5m3
Peso bruto:	450kg

 

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Dimensiones totales

UOP3BM	Process unit	Console
Altura:	2.25m	0.30m
Anchura:	0.85m	0.52m
Profundidad:	0.80m	0.40m
UOP3CC	Process unit	Console
Altura:	2.25m	0.42m
Anchura:	0.85m	0.52m
Profundidad:	0.80m	0.40m

 

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Garantía del producto Todos los productos Armfield se suministran con una Garantía Extendida de dos años

HOJA DE DATOS

CATEGORÍA DEL PRODUCTO:
Enseñanza de Ingeniería