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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN
VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO
PROGRAMA: MSc. INGENIERÍA EN CONTROL Y
AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS
CONTROL ADAPTATIVO DE LA VARIABLE PH EN EL EFLUENTE DEL PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN PLANTA
DESMINERALIZADORAS.
Trabajo presentado como requisito para optar al Grado de Magíster en Ingeniería en Control y Automatización de Procesos
Autor: Ing. Maria José Omaña CI: 15.260.365
Tutor: Msc. Sergio De Pool C.I:12.330.852
Maracaibo; Diciembre 2013.
CONTROL ADAPTATIVO DE LA VARIABLE PH EN EL EFLUENTE DEL
PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN PLANTA
DESMINERALIZADORAS.
iii
VEREDICTO
iv
DEDICATORIA
A Dios nuestro Señor y Creador
A mis amados Padres, Marlene y José Antonio
A mi querida hermana, Alexandra
A quienes siempre me apoyaron, mis amigos y compañeros de trabajo
A quienes me alentaron a no darme por vencida
Mis amigos Jesús Rafael y Edgar Antonio
A mi familia toda, a mis profesores y a mis compañeros de estudios
v
AGRADECIMIENTO
A Dios nuestro Señor y Creador, por brindarme su amor y misericordia,
por ser luz y guía en mi camino, por permitirme alcanzar esta meta de
crecimiento profesional y personal.
A mis amados Padres, Marlene y José Antonio quienes siempre han sido
ejemplo de constancia y perseverancia, y a quienes hoy día quiero
enorgullecer ya que siempre nos enseñaron a que la educación es parte
fundamental para el desarrollo del ser humano.
A mi querida hermana, Alexandra quien con paciencia me ayudo mucha
veces en el ir y venir de mis estudios, y por siempre estar a mi lado cuando la
necesito. A quienes siempre me apoyaron, mis amigos y compañeros de
trabajo, mi grupo y equipo en general.
A quienes me alentaron a no darme por vencida y continuar con esta
difícil tarea que representa un trabajo de grado, a mis amigos Jesús Rafael
Ochoa, Ruth Carolina Cañizalez, Gonzalo Enrique Borrero y Edgar Antonio
Salas, a quienes además les brindo mi gratitud por su apoyo técnico durante
el desarrollo de este Trabajo Especial de Grado.
A mi familia toda, a mis profesores en especial al Profesor Sergio de Pool
por su invaluable apoyo metodológico y académico. A mis compañeros de
estudios, quienes compartieron a lo largo de esta maestría sus experiencias.
vi
Omaña Márquez, Maria José. CONTROL ADAPTATIVO LA VARIABLE PH DEL EFLUENTE DE PRETRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN PLANTA DESMINERALIZADORAS. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría de Ingeniería en Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, 2013.
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo, aplicar un control adaptativo en la regulación del pH del efluente del pretratamiento de aguas residual de manera que se consiga mejorar el desempeño del control en planta desmineralizadora. El sistema de control actual no se ajusta a la curva característica de la reacción en la neutralización del pH, razón por la cual se hace necesario un control que se adapte a la misma. Para la investigación se contó varios antecedentes como Ishak A Hussain y Elkanzi (2001), Amaya, Cañon y Aviles (2004), Boling, Seborg y Hespanha (2006), Borrero (2013). El tipo de investigación empleado fue según el nivel de conocimiento Descriptiva, y según los medios para la obtención de los datos, se considera de Campo. El diseño de la investigación es de tipo no Experimental. La población se baso en una muestra no probabilística intencional, la cual es una (01) Piscina neutralizadora ubicada en la planta de pre-tratamiento de efluentes Complejo Ana Maria Campos. Entre las técnicas de recolección se aplico la observación directa y la recolección de datos (documentos, manuales, guías de referencia, entre otros).La metodología se desarrollo en fase, siendo la primera, la recopilación de la información disponible, la segunda fase el análisis de datos de entrada y salida del proceso a ser identificado, la tercera fase el modelado Matemático, la cuarta fase el diseño del Controlador Adaptativo y la quinta fase se trata de la validación, a través de simulación. Como resultado de todo esto se logro diseñar un controlador adaptativo que permite una mejor regulación de la variable, reduciendo las variaciones y mejorando también los tiempos de respuestas en el control del pH en el proceso de neutralización.
Palabras claves: Controlador, Control Adaptativo, Neutralización, pH, Sistema.
vii
Omaña Marquez, Maria Jose. ADAPTIVE CONTROL OF PH VARIABLE ON THE EFFLUENT WASTEWATER PRETREATMENT IN DEMINERALIZER PLANT. Dr. Rafael Belloso Chacin University. Masters Program in Control Engineering and Process Automation. Maracaibo, 2013.
ABSTRACT
This research have the propose to apply adaptive control in regulating the pH of the effluent pre-treatment process for sewage so as to get better control performance in demineralisation plant. The current control system is not consistent with the characteristic reaction pH neutralization, reason why a control that fits it is necessary. For more background research as Ishak told Hussain and Elkanzi A (2001 ) , Amaya , Canon and Aviles (2004 ) , Boling, Seborg and Hespanha (2006 ) , Borrero ( 2013 ) . The type of research used was as descriptive knowledge level, and as the means for obtaining data field is considered. The research design is not Experimental type. The population was based on a convenience sample, which is a (01) neutralizing pool located in the pre- treatment plant effluent Complex Ana Maria Campos. Collection techniques include direct observation and data collection (documents, manuals , reference guides , etc.) was applied . Methodology is under development , the first , the collection of the information available, the second phase analysis of input and output of the process to be identified , stage Mathematical modeling , the fourth phase Adaptive controller design and the fifth stage is validation through simulation. As a result of this it was possible to design an adaptive controller that allows better control of the variable, reducing variations and improving response times in the control of pH in the neutralization process. Keywords : Controller, Adaptive Controller, Neutralization, pH, System.
viii
ÍNDICE GENERAL VEREDICTO………………………………………………………………….........iii
DEDICATORIA……………………………………………………………….........iv
AGRADECIMIENTO……….……………………………………………………….v
RESUMEN……………………………...…………………………………………...vi
ABSTRACT…………………………………….…………………………………...vii
ÍNDICE GENERAL……………….………………………………………………..viii
ÍNDICE DE GRAFICOS…………………….……………………………………..xii
INTRODUCCIÓN…….……………………………………………………………...1
CAPÍTULO I................................................................................................................. 5
EL PROBLEMA........................................................................................................... 5
1.1. Planteamiento del Problema ............................................................................. 5
1.2. Formulación del Problema ................................................................................ 8
2. Objetivos de la Investigación ............................................................................... 9
2.1 Objetivo General .................................................................................................. 9
2.2 Objetivos Específicos .......................................................................................... 9
3. Justificación de la Investigación .......................................................................... 9
4. Delimitación de la Investigación ........................................................................11
CAPITULO II..............................................................................................................12
MARCO TEORICO...................................................................................................12
ix
1. Antecedentes de la Investigación......................................................................12
2. Bases Teóricas.....................................................................................................19
2.1. pH de una solución ...........................................................................................19
2.2 Generalidades y comportamiento de los procesos de neutralización.......20
2.2.1 Curvas de neutralización ácido - base ........................................................22
2.2.2. Curvas de neutralización de ácidos y bases fuertes ...............................23
2.2.3. Curvas de neutralización de ácidos y bases débiles ...............................24
2.2.4. Curvas de neutralización de ácidos y bases polifuncionales .................26
2.3. Aplicaciones Industriales de los procesos de neutralización.....................27
2.4. Simulación de procesos de neutralización ...................................................30
2.5. Sistemas.............................................................................................................31
2.5.1. Tipos de sistemas..........................................................................................31
2.5.1.1. Sistemas lineales.......................................................................................32
2.5.1.2. Sistemas no lineales. ................................................................................32
2.5.2. Caracterización de un sistema ....................................................................33
2.5.3. Identificación de Sistemas ..........................................................................34
2.5.3.1 Elementos Básicas para la Identificación de Sistemas.........................36
2.5.3.2. Técnica general de estimación de parámetros .....................................36
2.6. Modelos Matemáticos ......................................................................................38
2.6.1. Principios de formulación de modelos .......................................................40
2.7. Calidad del Modelo ...........................................................................................41
2.8. Selección de la estructura del modelo ..........................................................43
x
2.9. Observabilidad ..................................................................................................45
2.10. Controlabilidad ................................................................................................45
2.11. Sistemas de control........................................................................................46
2.11.1. Definición de Sistema de control ..............................................................46
2.11.2. Tipos de Sistemas de control ....................................................................49
2.11.2.1. Sistemas de control en lazo abierto ......................................................49
2.11.2.2. Sistemas de control en lazo cerrado ....................................................50
2.11.2.3. Sistema de Control Clásico ....................................................................50
2.11.2.4. Sistema de Control Moderno .................................................................54
2.12. Control Adaptativo ..........................................................................................56
2.12.1. Aplicación de los Controladores Adaptativos. ................................57
2.12.2. Esquemas de Control Adaptativo. ...........................................................59
2.12.2.1. Control adaptativo programable .........................................................59
2.12.2.2.Control Auto-Ajustable (CAA)...............................................................60
2.12.2.3. Control Adaptativos por Modelo de Referencia ........................ . 62
2.12.3. Configuración de los Sistemas Adaptativos. ....................................64
3. Definición de Término Básicos ......................................................................69
4. Operacionalización de la Variable ...........................................................73
CAPITULO III ............................................................................................................74
MARCO METODOLÓGICO....................................................................................74
1.Tipos de Investigación..........................................................................................74
2. Diseño de la Investigación..................................................................................76
xi
3. Unidad de Análisis. ..............................................................................................78
4. Metodología Utilizada ..........................................................................................79
5. Técnicas e instrumentos de medición de la data............................................80
CAPÍTULO IV ...........................................................................................................82
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN.............................................................82
1.Análisis de Resultados .........................................................................................82
1.1. Objetivo Especifico N° 1: Describir el proceso de Neutralización de pH
aplicado en la planta desmineralizadora. .............................................................83
1.2. Objetivo Específico Nº 2: Variables que perturban o intervienen en el
control de pH del efluente de la planta de desmineralización...........................88
1.3.Objetivo Específico N° 3: Obtener modelos matemáticos que representen
los escenarios de neutralización ............................................................................97
1.4.Objetivo Específico Nº 4: Diseñar un control adaptativo para la regulación
del pH. 114
1.5. Objetivo Específico Nº 5: Validar el control adaptativo diseñado, a través
de simulación. ........................................................................................................ 119
CONCLUSIONES .................................................................................................. 128
RECOMENDACIONES......................................................................................... 131
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 132
xii
INDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1. Muestran las titulaciones de ácidos y bases. .............................24
Gráfico 2. Muestran las titulaciones de ácidos y bases débiles. ...............25
Gráfico 3. Muestran las titulaciones de ácidos y bases polipróticas. ...............27
Gráfico 4. Señal escalón unitario y su Respuesta. .............................................33
Gráfico 5. Sistema de Control. ...............................................................................46
Gráfico 6. Control adaptativo programado. ..........................................................60
Gráfico 7 Control adaptativo por modelo de ajuste. ...........................................61
Gráfico 8. Configuración Básica de un Sistema Adaptativo por Modelo de
Referencia. ................................................................................................................63
Gráfico 9. Configuración de un Sistema Adaptativo. ..........................................66
Gráfico 10. Tendencia de un día para el S44AI103.PV. ....................................88
Gráfico 11. Tendencia de un día para el S44FIT108.PV. ..................................90
Gráfico 12. Tendencia de un día para el S44AI104A.PV. .................................91
Gráfico 13. Tendencia curva de neutralización para polipróticos fuertes. ......92
Gráfico 14. Diagrama de bloque del control de pH (estrategia On-Off)
aplicada en la piscina de neutralización 1. ...........................................................92
Gráfico 16. Tendencia de un día para el S44AIT108. ........................................96
Gráfico 17. Datos de entrada Vs datos de salida a lazo abierto caso inyección
de soda.......................................................................................................................97
xiii
Gráfico 18. Datos de entrada Vs datos de salida a lazo abierto caso inyección
de acido......................................................................................................................98
Gráfico 19. Datos de entrada Vs datos de salida en función a la apertura de
la válvula de inyección de soda. ............................................................................99
Gráfico 20. Datos de entrada Vs datos de salida en función a la apertura de
la válvula de inyección de acido. ........................................................................ 100
Gráfico 21. Ajuste de los modelos sobre la curva caso inyección de soda. 101
Gráfico 22. Ajuste de los modelos sobre la curva caso inyección de acido. 102
Gráfico 23. Curva del modelo seleccionado. ................................................... 102
Gráfico 24. Simulación del Sistema de Neutralización cuando se inyecta
soda. ........................................................................................................................ 104
Gráfico 25. Comportamiento de la señal simulada cuando se inyecta
soda ......................................................................................................................... 104
Gráfico 26. Simulación del Sistema de Neutralización cuando se inyecta
acido. ....................................................................................................................... 105
Gráfico 27. Comportamiento de la señal simulada cuando se inyecta
acido. ....................................................................................................................... 105
Gráfico 28. Inclusión del Control PI en la simulación del sistema de
neutralización para el caso de inyección de soda. .......................................... 106
Gráfico 29. Comportamiento del pH con un control PI clásico para el caso de
inyección de soda.................................................................................................. 107
Gráfico 30. Inclusión del Control PI en la simulación del sistema de
neutralización para el caso de inyección de acido........................................... 108
xiv
Gráfico 31. Comportamiento del pH con un control PI clásico para el caso de
inyección de Acido. ............................................................................................... 108
Gráfico 32. Ecuaciones Espacio Estado Para inyección de soda. ................ 111
Gráfico 33. Rango de la Matriz de Controlabilidad y Observabilidad Para
inyección de soda.................................................................................................. 111
Gráfico 34. Ecuaciones Espacio Estado Para inyección de acida. ............... 112
Gráfico 35. Rango de la Matriz de Controlabilidad y Observabilidad Para
inyección de ácido. ................................................................................................ 112
Gráfico 36. Diseño del Controlador Adaptativo. ............................................... 115
Gráfico 37. Comportamiento del pH con un control Adaptativo para el caso de
inyección de soda.................................................................................................. 115
Gráfico 38. Comportamiento del pH con un control Adaptativo para el caso de
inyección de Acido. ............................................................................................... 116
Gráfico 39. Comparación de desempeño Controlador PI Vs Control
Adaptativo para el caso de inyección de soda. ................................................ 117
Gráfico 40. Comparación de desempeño Controlador PI Vs Control
Adaptativo para el caso de inyección de acido. ............................................... 118
Gráfico 41. Comparación de la respuesta obtenida de los controladores PI vs
Adaptativo utilizando el modelo para inyección de soda. ............................... 119
Gráfico 42. Validación de la respuesta obtenida de los controladores PI vs
Adaptativo utilizando el modelo para inyección de soda con entrada
variante.................................................................................................................... 121
xv
Gráfico 43. Comparación grafica de la respuesta del control adaptativo
utilizando entrada variante – caso inyección de soda. .................................... 121
Gráfico 44. Comparación de la respuesta obtenida de los controladores PI vs
Adaptativo utilizando el modelo para inyección de acido. .............................. 123
Gráfico 45. Validación de la respuesta obtenida de los controladores PI vs
Adaptativo utilizando el modelo para inyección de acido con entrada
variante.................................................................................................................... 124
Gráfico 46. Comparación grafica de la respuesta del control adaptativo
utilizando entrada variante – caso inyección de acido. ................................... 125
1
INTRODUCCIÓN
El control de pH se presenta en una amplia gama de industrias, incluyendo
tratamiento de aguas residuales, la biotecnología, los productos
farmacéuticos y de procesamiento químico. El objetivo general de este tipo
de control es mantener el valor el pH de un líquido en un nivel específico.
Esto puede ser importante con el fin de cumplir y satisfacer ciertos requisitos
ambientales o las normas de calidad
Para el Autor Shinskey. (2005), las aplicaciones de tratamiento de aguas
residuales como es uno de los problemas más desafiantes de control de pH
encontradas en la industria. Esto se debe principalmente a perturbaciones en
la composición de la alimentación que son difíciles de manejar ya que,
diferentes composiciones requeren diferentes conjuntos de parámetros de
control. En general, en este caso, el propósito de la planta es neutralizar la
solución producto de desechos (que puede surgir como resultado de algún
proceso de fabricación, limpieza química entre otros) antes de la descarga al
medio ambiente.
El requisito en términos del valor de pH de los efluentes de una planta de
tratamiento de aguas residuales es por lo general en el rango de 6 a 8. Esto
se debe principalmente a la protección del ecosistema (tanto acuáticos como
humanos) y también para evitar o prevenir los daños debidos a la corrosión.
2
En el Complejo Petroquímico Ana María Campos de Pequiven, S.A. Se
encuentra ubicada la Planta Desmineralizadora o pretratamiento de Agua
Cruda, la cual emplea procesos de floculación y sedimentación, proceso de
filtración y Tratamiento de Intercambio Iónico, para la obtención de agua
desmineralizada.
Al efectuarse todos estos procesos, se generan efluentes netamente
inorgánicos que se componen principalmente por agua de regeneración de
las resinas de intercambio iónico, a las cuales se les debe limpiar y remover
el lodo que se forma en los lechos de los trenes iónicos.
Los Efluentes deben ser tratados en un Sistema de pretratamiento de
aguas, donde se dosifican sustancias químicas (acido y base) para mantener
los parámetros en cuanto a concentración de pH según el decreto 883 en
agua Sub-tipo 1B, “Aguas que pueden ser acondicionadas por medio de
tratamientos convencionales de coagulación, floculación, sedimentación,
filtración y cloración”, cuyas características corresponden con los límites y
rangos siguientes pH mínimo 6,0 y máximo 8,5.
En la actualidad se cuenta con un control regulatorio de tipo Proporcional,
integral (PI), que determina la cantidad de químicos a ser inyectada y de esta
forma mantener el pH entre 6 y 8.5. Sin embargo, el PI, presenta dificultad
en su control debido a las altas variaciones u oscilaciones del pH del agua a
neutralizar, ocasionando que el fluido enviado a los efluentes finales tengan
desviaciones en el orden de los 14.28%, equivalentes entre una (1) o dos (2)
unidades de pH en referencia a los limites establecidos por normas
3
ambientales (entre 6 y 8,5); así mismo, se evidencia el alto consumo de
químicos para la neutralización. En referencia a lo antes acotado se propone
aplicar un control moderno que se adapte a los cambios intrínsecos del
sistema a fin de mejorar el desempeño en el control del pH en planta
desmineralizadora.
Son por estas razones que surge la necesidad de diseñar control que pueda
modificar su comportamiento en respuesta a los cambios en la dinámica del
proceso y a las perturbaciones. El desarrollo de un control adaptativo evitara la
degradación del comportamiento dinámico del proceso, a diferencia de los
esquemas clásicos de control por realimentación los cuales están orientados
hacia la eliminación del efecto de las perturbaciones sobre el comportamiento
del mismo.
Esta investigación traerá un aporte técnico a la Empresa puesto que la
metodología en esta investigación puede ser tomada como base para ser
aplicada o por lo menos analizada con otros procesos de neutralización en
otras plantas.
La presente investigación se enmarca en cuatro capítulos, dentro de los
cuales se desarrolla lo siguiente:
Capitulo I. El Problema, en el cual se plantea la descripción del proceso,
el planteamiento de la problemática, los objetivos generales y los objetivos
específicos, la justificación y la delimitación del problema.
4
Capitulo II. Marco Teórico, donde se exponen los antecedentes, las
bases teóricas, definición de términos básicos y la operabilizacion de la
variable.
Capitulo III. Marco Metodológico, en este se muestra una síntesis de la
metodología empleada en la investigación, conformado por el tipo de
investigación, la población, muestra, técnicas e instrumentos de recolección
de datos y el procedimiento de la investigación.
Capitulo IV. Análisis de los Resultados, en este capitulo se presentan los
resultados en relación al estudio de los objetivos definidos, los cuales
complementan la investigación al nivel metodológico planteado.
