Experimentos

Realizando una evaluación de los modos de operación de cada uno de los controladores calculados, se decide trabajar con el Cohen Cooh– PID ideal, ya que su acción de control es más notoria en comparación a los demás controladores, el sobre impulso es mínimo y su error de estado estacionario no marca una diferencia notoria con los demás controladores.

Experimento 1. Mezcla agua- Alcohol Etílico al 70%

Para verificar el control, se hace un primer experimento en el cual se realiza una mezcla con una relación de 90 litros de agua a 1.5 litros de alcohol etílico, con el objetivo de llevar dicha mezcla a una temperatura de 80°C, que es aproximadamente donde el alcohol cambia de estado líquido a vapor.

Una vez alcanzada la temperatura, se accionará la válvula de vapor, que permitirá el paso del vapor a la columna de condensación.

Para que la columna de destilación cumpla con su función de producir el choque térmico, con el propósito de que el vapor cambie nuevamente de estado de vapor a líquido, se requiere que en su interior circule algún tipo de refrigerante. Para ello la columna de condensación es conectada a la PPA (Planta de procesos análogos), ya que tiene la capacidad de proveer agua como refrigerante, gracias a una unidad que enfría el agua al ser recirculada. La PPA es controlada por el PLC del reactor usando variables producidas y consumidas.

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La mezcla es introducida en el reactor y con ayuda del batidor es homogenizada por aproximadamente 5 minutos, a una velocidad constante de 50rpm. Se extrae una muestra que es medida con un alcoholímetro Anton Pear, para conocer su concentración de alcohol como se muestran en la figura 87.

Figura 87. Medidas de % de alcohol a) Etanol b) mezcla agua con alcohol

El porcentaje de alcohol etílico es de 69.13% y la mezcla de alcohol y agua tiene una concentración de alcohol del 1.26%; según la cantidad de agua y alcohol se obtiene la fracción molar: 1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑔𝑢𝑎 ≈ 1030 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎 ≈ 18𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙 1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 ≈ 780 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑎𝑔𝑢𝑎 ≈ 46𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙 90 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 1030 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 = 92700 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 92700 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 18 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙 ( 176)

122 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0.0001942 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 1.5 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 ∗ 780 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 = 1170 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 92700 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 18 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 0.04 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑠𝑢𝑚𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑎 = 0.04 + 0.0001942 = 0.0401942 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 0.04 0.0401942= 0.99 ( 177)

Figura 88. Diagrama de destilación sistema agua-etanol [37]

Se procede a realizar el control sobre la mezcla, con valor de referencia de 80 °C. El sistema le toma aproximadamente 3 horas en llegar al valor de la referencia como puede verse en la figura 89 y su desempeño en las figuras 90 y 91.

La figura 89 muestra el comportamiento de todas las señales que interactúan en el controlador, como la señal de control, el error, la temperatura deseada y la temperatura actual del controlador.

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Figura 89. Control de temperatura para Etanol

La figura 90 muestra la relación de la temperatura deseada (set point) y la temperatura de la mezcla.

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La figura 91 muestra la relación de la temperatura deseada (set point) y la temperatura de la mezcla, además se señala el sobre impulso alcanzado a diferentes temperaturas.

Figura 91. Set Point vs Temperatura control de temperatura

De la figura 91 se puede extraer que el control tuvo un sobre impulso de 0.3 y que el error de estado estacionario fue mínimo, permitiendo que el control llegara a la temperatura deseada, manteniéndose estable por largos periodos de tiempo.

Una vez alcanzada la temperatura, se procedió a destilar con la columna de destilación. En un rango aproximado de dos horas se logró obtener una solución de 100ml con una concentración de alcohol de 19.09% como se ve en la figura 92.

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Figura 92. Concentración de alcohol obtenida

Experimento 2. Mezcla agua- Bioetanol a partir de caña de azúcar a una concentración del 96%

Se hace un segundo experimento en el cual se realiza una mezcla con una relación de 70 litros de agua a 4 litros de alcohol de bioetanol, con el objetivo de llevar dicha mezcla a una temperatura de 80°C, que es aproximadamente donde el alcohol cambia de estado líquido a vapor.

Una vez es alcanzada la temperatura, se accionará la válvula de vapor, que permite el paso del vapor a la columna de condensación.

La columna de condensación trabaja en conjunto con la PPA para proveerla de agua que es usada como refrigerante, gracias a una unidad que enfría el agua al ser recirculada. La PPA es controlada por el PLC del reactor usando variables producidas y consumidas.

La una mezcla es introducida en el reactor y con ayuda del batidor es homogenizada por aproximadamente 10 minutos, a una velocidad constante de 50rpm. Se extrae una muestra que es mediada con un alcoholímetro Anton Pear, para conocer su concentración de alcohol como se muestran en la figura 93.

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Figura 93. Medidas de % de alcohol a) Bioetanol b) mezcla agua con bioetanol

El porcentaje de alcohol bioetanol es de 95.29% y la mezcla de alcohol y agua tiene una concentración de bioetanol del 3.04%.

Se procede a realizar el control sobre la mezcla, con valor de referencia de 80 °C. El sistema le toma aproximadamente 2 horas en llegar al valor de la referencia como puede verse en la figura 94 y su desempeño en las figuras 95 y 96. La figura 94 muestra el comportamiento de todas las señales que interactúan en el controlador, como la señal de control, el error, la temperatura deseada y la temperatura actual del controlador.

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La figura 95 muestra la relación de la temperatura deseada (set point) y la temperatura de la mezcla

Figura 95. Set Point vs Temperatura control de temperatura

La figura 96 muestra la relación de la temperatura deseada (set point) y la temperatura de la mezcla, además se señala el error de estado estacionario del sistema y el sobre impulso.

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De la figura 96 se puede extraer que el control tuvo un sobre impulso de 0.3 y que el error de estado estacionario fue mínimo, permitiendo que el control llegara a la temperatura deseada, manteniéndose estable.

Una vez alcanzada la temperatura, se procedió a destilar con la columna de condensación. En un rango aproximado de dos horas se logró obtener una solución de 90ml con una concentración de alcohol de 49.18% como se ve en la figura 97.

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