Ejemplo de Seguridad Funcional en un Caso de Aplicación: Reactor por Lotes

RESUMEN. En este trabajo se toma un ejemplo de la norma IEC-61511-2 de 2016 relativo a un Reactor de Polimerización de monómero de cloruro de vinilo en operación por lotes y con un aspecto de riesgo como lo es una reacción en descontrol (Runaway) y con tres funciones instrumentadas de seguridad y se verifican los set point de disparo por temperatura y presión y se configuran las FIS en un controlador lógico programable de seguridad.

PALABRAS CLAVES: Reactor, Runaway, Ecuación de Estado, Funciones instrumentadas de seguridad, Paro de Emergencia, PLC de seguridad, Punto de Disparo.

INTRODUCCIÓN

El estándar internacional IEC 61511-2 “Funtional safety- Safety instrumented systems for the process industry sector- Part 2” [1] ilustra un caso de seguridad industrial aplicado a un proceso químico. Una revisión al ejemplo del estándar produce una sensación de que se trata de un caso sencillo (que no simple) de Seguridad Funcional, a manera de verificación, los autores se dieron a la tarea de reproducir algunos de los resultados del ejemplo y con ello, deducir algunos de los puntos de disparo de las FIS y verificar que los esquemas de voteo produzcan las salidas requeridas para el ejemplo.

Figura 1. Diagrama simplificado de reactor de PVC.

El ejemplo que aquí se reproduce, es relativo a el proceso de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo (VCM) para la obtención del policloruro de vinilo (PVC), basado en una reacción exotérmica, el corazón de este proceso es un reactor Batch que tarda aproximadamente 10 hrs en completar la reacción; el reactor cuenta con un agitador mecánico y el calor de la reacción es removido por la circulación de agua de enfriamiento a través de un enchaquetado (ver figura 1), ya que se trata de una reacción exotérmica, la circulación tiene el propósito de controlar la temperatura durante todo el proceso de polimerización, este control es requerido para prevenir una reacción Runaway.

Los principales peligros asociados con el VCM son el fuego y explosión, con la generación de productos de combustión tóxicos. Los peligros reconocidos son los siguientes: destellos de fuego, explosiones, falla hidráulica, falla por corrosión, productos de combustión tóxicos, reacción Runaway. Adicionalmente, el VCM presenta riesgos de exposición como cáncer.

DESCONTROL TÉRMICO (THERMAL RUNWAY)

El descontrol térmico se puede definir como un aumento de temperatura y (típicamente) de presión en una reacción química que el sistema ya no puede recuperar y se escapa a un control descontrolado, lo que resulta en perdida de contención, incendio, y posiblemente explosión, a menos que el sistema pueda aliviar.

REACCIÓN FUERA DE CONTROL (RUNAWAY REACTION)

La reacción fuera de control es un sistema de reacción térmicamente inestable que muestra un aumento acelerado de la temperatura y la velocidad de reacción. Se genera debido a que la velocidad de generación de calor por una reacción química exotérmica supera la velocidad de enfriamiento disponible por el refrigerante [2].

Para disminuir el riesgo de Runaway en la reacción es necesario implementar una función instrumentada de seguridad (FIS), a la temperatura y presión en donde se encuentra el punto crítico o inicio de runaway, en la norma se indican las condiciones a la que dará disparo la FIS (tabla 3), pero no describe como se obtuvieron dichos valores de la reacción, a continuación, se describe por medio de tres modelos matemáticos la obtención de la T y P.

MODELO SEMENOV

El modelo Semenov (Bradley, 1969) asume que las reacciones químicas tienen lugar de acuerdo con el mecanismo de Arrhenius:

El modelo indica que, si la reacción es exotérmica, el calor de reacción se desarrolla:

Donde:

Hr = Calor generado por la reaccion, (J⁄(s).)
∆Hr = ᴨi = Calor de reacción,(J⁄mol).
K = Factor preexponencial,(s^(-1) ).
Ea =Energia de activacion,(J⁄(mol)).
T = Temperatura de la reaccion,(K).
R = Constante de los gases,(J⁄(mol∙K).)
Ci = Concentración,(mol).

Sobre esta base, se representa la curva de tasa de generación de calor cualitativa, (Figura 2).

Figura 2. Tasa de generación de calor para el modelo Semenov.

La ecuación con la que el modelo relaciona la tasa de remoción de calor generado por medio del agua de enfriamiento que fluye por la chaqueta del reactor se expresa:

Donde:

Hc = Calor retirado por el agua de enfriamiento,(J⁄(s).)
UA = Coeficiente de transferencia de calor,(J⁄s K).
T = Temperatura de la reaccion,(K).
T0 = Temperatura inicial de agua de enfriamiento,(K).

El tener una operación segura durante el proceso implica que Hr=Hc, (Figura 3).

Figura 3. Diagrama del modelo Semenov.

Constantes físicas y parametros operativos de la polimerización del monomer de clouro de vinilo [3,4]:

n = 1.0
K = 3.12×10^12 s^(-1)
Ea = 107033 J⁄mol
ᴨi = 91600 J⁄mol
R = 8.3144 J⁄(mol∙K)
Ci = 1.0 M
UA = 5.0  BTU⁄(h∙°F) = 2.6376° J⁄(s∙K)
T0 = 303.15K

El comportamiento de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo dados los datos reportados concuerda con el modelo Semenov, indicando por medio de la intersección de la tasa de calor generado y la tasa de calor removido que la temperatura en el punto A es de 74.93 °F y en el punto crítico B es de 202.93 °F, (Figura 4).

Figura 4. Diagrama comportamiento real del modelo Semenov.

ECUACIÓN CUBICA DE ESTADO VAN DER WAALS

La ecuación cubica de Van Der Waals, nos permite a través de dos constantes críticas calcular la presión como una función del volumen para valores diferentes de temperatura para un compuesto en específico.

Las constantes a y b son dependientes de la sustancia, pero independientes de la temperatura, estas se obtienen a partir de los datos de presión (Pc), volumen (Vc) y la temperatura (Tc) crítica. Debido a que el punto crítico es un punto de inflexión de la isoterma Tc, en el diagrama PV, podemos imponer las condiciones matemáticas.

Constantes criticas:

MÉTODO JOBACK DE ADITIVIDAD DE GRUPOS FUNCIONALES

Utilizando el método de aditividad de grupos funcionales es posible generar razonables estimaciones de las propiedades termodinámicas y físicas como, (T, P, V, S, U, H,) de un componente incluso si uno no tiene acceso a ningún dato experimental. Los puntos de ebullición dentro de cada familia (lineal y ramificada) de compuestos aumentan (aproximadamente) linealmente con el número de átomos de carbono, aunque los hidrocarburos más livianos vuelven a ser algo atípico en esta tendencia. Observaciones como estas conducen a la hipótesis de que los grupos funcionales dentro de un compuesto químico, grupos como CH3, CH2, COOH, etc. Contribuyen a las propiedades físicas de un compuesto que son consistentes, independientemente de que los grupos estén unidos. Por lo tanto, uno puede estimar las propiedades químicas de un compuesto sumando las contribuciones de todos los grupos individuales en el compuesto, como se muestra en la Tabla 1. [5]

Tabla 1. Parámetros del Método Joback

Para el monómero de cloruro de vinilo CH2=CHCl.

Tomando los valores de las propiedades críticas de la Tabla 2, se obtuvieron los valores de las constantes críticas, donde a=7179788.531 y b=57.5, dando como resultado que la presión a la que se debe de disparar la función instrumentada de seguridad es de 128.99 psig. Los valores de 200 °F y 125 psig son indicados en la Tabla 3 que aparece en la norma y que han sido verificados en este trabajo.

Tabla 2. Resultados del Método Joback

FUNCIÓN INSTRUMENDA DE SEGURIDAD (FIS)

La FIS es una función de seguridad que se encuentra independiente al sistema básico del control de procesos, es decir, se compone por elementos sensores, controlador y elementos finales de control propios, se ejemplifica en la figura 5. Su propósito es lograr la seguridad funcional, y al surgir una condición peligrosa, esta función será capaz de mantener un estado seguro para el proceso.

CONFIGURACIÓN DE LAS ARQUITECTURAS DE LAS FUNCIONES INSTRUMENTADAS DE SEGURIDAD

La etapa de configuración se realiza conforme al diseño presentado en los diagramas causa y efecto (tabla 3), derivado de la elaboración del análisis de riegos. La programación consiste en la traducción de las especificaciones (cliente, proceso, diseñador, etcétera) de las lógicas del sistema a un lenguaje de programación; bajo la norma IEC61131-3 los lenguajes de programación permitidos para una FIS son:  programación en escalera (LD), lista de instrucciones (IL), bloques de funciones (FBD), texto estructurado (ST), que se desarrollan a continuación.

PROGRAMACIÓN DEL PARO DE EMERGENCIA CON COMPUERTAS LÓGICAS

Es importante que la programación se encuentre diseñada de forma que sea de fácil entendimiento y permita la inspección y revisión de cada etapa de la FIS. Es necesario entender que un paro de emergencia se encuentra normalmente energizado y desenergizado para actuar (toda la programación se realizó con lógica inversa).

Figura 5. Elementos que conforman un sistema instrumentado se seguridad.

La construcción de la lógica se basa en el manejo de compuertas AND y OR; con el álgebra booleana se obtiene el comportamiento de cada una, para la compuerta AND (multiplicación booleana) tendrá un cambio a su salida a 1 únicamente hasta que todas sus señales se encuentren en estado 1, a esto se le llama arquitectura 1oo2, es decir la señal de salida se desenergizará cuando un instrumento cambie de estado a 0. La compuerta OR (suma booleana) siempre su salida se encuentra en 1 hasta que todas sus señales de entrada se encuentren en 0, esto es una arquitectura 2oo2, su salida se desenergizará únicamente cuando los dos instrumentos cambien su estado a cero.

En el ejemplo de la norma las FIS, se encuentran en un arreglo 1oo4 (tabla 3). En la figura 6 se muestra la construcción de las FIS, esta se condiciona a partir de compuertas lógicas AND.

Además del paro de emergencia, la FIS se puede componer de diagnósticos del mismo lazo de seguridad, estas especificaciones permiten tener una mayor tolerancia a fallas en hardware. Estas modificaciones se representan en monitoreo de circuitos de alimentación, indicadores, operación de transmisores, temporizadores (para filtrar disparos en falso) y enclave de disparos (para restablecimiento del FIS).

Figura 6. Diseño de FIS en compuertas lógicas.

PROGRAMACIÓN EN DIAGRAMA DE ESCALERA

La traducción del diagrama en lógicos a diagrama de escalera resulta sencilla al entender la equivalencia que tiene las compuertas con los arreglos de contactos. Aquí de igual manera la construcción de la lógica se basa en el funcionamiento de los arreglos AND que en escalera se traduce como un arreglo de contactos en serie y OR que es un arreglo de contactos en paralelo.

En la figura 7 se muestra el disparo de 2 de los 4 instrumentos, con el accionamiento del temporizador, sus salidas (bobinas) están colocadas en un arreglo serie por la lógica 1oo4, para luego desenergizar una bobina colocada en el enclave.

Figura 7. Programación de FIS en diagrama escalera (sintetizado).

PROGRAMACIÓN EN TEXTO ESTRUCTURADO

Las funciones lógicas se pueden programar en lenguaje de programación con condiciónales, para este ejemplo se utilizó un microcontrolador ARDUINO UNO que se programa por medio del lenguaje de programación C++ (figura 8). El funcionamiento inicia con la lectura de variables, para después ser condicionadas a una acción final, adicional a esto se encuentran indicadores de estados de la configuración.

Figura 8. Programación de FIS en ARDUINO.

PROGRAMACIÓN EN PLC DE SEGURIDAD  AADVANCE

Siguiendo las especificaciones de la norma y requisitos de seguridad, se implementaron las FIS a un PLC de seguridad, donde se usó diagrama de bloques en la lectura de las señales (figura 9) y la lógica de paro se desarrolló en diagrama de escalera (figura 10), sobre el software Workbench [6].

Figura 9. Programación de la lectura de entradas digitales y analógica.

Esto se descargó a un demo donde se realizaron las pruebas en físico, para cerciorarse del funcionamiento adecuado del paro de emergencia, utilizando las entradas digitales y analógicas como disparo/lectura de los transmisores y visualizando con un indicador luminoso el energizado y desenergizado.

CONCLUSIONES

Es importante sacar provecho de los ejemplos de la norma internacional y se pueda desarrollar completamente, con el fin de obtener la mayor comprensión de los hechos y de las implicaciones de los procesos y sus riesgos. La complejidad en la verificación de los puntos de disparo, proporciona una buena idea del grado conocimientos necesarios para poder participar en este tipo de proyectos, en particular, resultó muy útil graficar el comportamiento de la reacción y conocer los puntos exactos de su condición normal, condición anormal y la condición fuera de control.

Figura 10. Programación de la lógica de paro de emergencia.

Con el desarrollo de la programación y simulación en distintos lenguajes de programación se llega a comprobar la funcionalidad de un paro de emergencia (lo más cercano a una implementación en procesos) y de esta manera poder ver esquemáticamente cada una de las partes que se necesitan en la programación de una FIS; debido a que un proyecto de ingeniería se conforma de un grupo multidisciplinario, este trabajo ofrece la lectura y comprensión de las FIS sin la necesidad de conocer específicamente un lenguaje de programación especifico.

REFERENCIAS

[1] International standard IEC 61511-2 “Funtional safety – Safety instrumented systems for the process industry sector – Part 2: Guidelines for the application of IEC 61511-1-2016”. Edition 2.0 2016-07.

[2] Benintendi, Renato. “Process safety calculations”, Editorial Elservier, 2018.

[3] Kern, Donald. “Procesos de Transferencia de Calor.” Compañía Editorial Continental S.A. de C.V. 31ᵃ reimpresión, 1999, México.

[4] A. S. Ibrahim, Y. A. Ali, H. M Saad and I. H. Amur “Kinetics and Mechanism of Bulk Polymerization of Vinyl Chloride in a Polymerization Reactor”, The Journal Engineering Research (TJER) Vol.12, No. 2 (2015) 41-50.

[5] D. Dahm, P. Visco, “Fundamentals of Chemical Engineering Thermodynamics”, 1 Edition, Cengage , 2015.

[6] Rockwell Automation. “System training manual for the AADvance programmable controller”, Revision 1.7, October 2012

ACERCA DE LOS AUTORES

Legorreta Meneses Emily Vanessa. Estudiante de noveno semestre en la carrera de Ingeniería Química en la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán de la Universidad Nacional Autónoma de México. Actualmente se encuentra realizado el servicio social en el Instituto Mexicano del Petróleo bajo la tutela de M. Ing.  Mario Pérez Marín y M. Ing. Erick Oswaldo Martínez Aguirre en el área de análisis de riesgos y seguridad funcional, realizando análisis de efecto domino en análisis de consecuencias en instalaciones que manejan gas natural.

Valeria Analy Ramos Santiago. Ingeniera en Control y Automatización de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional, 2015-2019. Tesis desarrollada: Implementación de un módulo didáctico de un sensor de visión artificial. Finalizó sus prácticas profesionales en el Instituto Mexicano del Petróleo bajo la tutela de M. Ing. Mario Pérez Marín y M. Ing. Erick Oswaldo Martínez Aguirre en el área de análisis de riesgos y seguridad funcional, realizando las actividades en lógicas típicas de funciones instrumentadas de seguridad. Sus áreas de interés son la automatización mediante PLC, programación y procesamiento de datos, sistemas instrumentados de seguridad y control de procesos. www.linkedin.com/in/valeria-analy-ramos-santiago-975350193 .

M. en I. Mario Pérez Marín. Ingeniero Químico UNAM. Con veintidós años en el área Análisis de Riesgos de los cuales catorce años en Seguridad Funcional. Certificado por ABS grupo como Process Hazard Analysis Leader y certificado como Functional Safety Expert por Exida. Participando en Análisis de Riesgos de Proceso del Sector Oil and Gas de México como Líder HazOp; desarrollo de Estudios de Análisis de Capas de Protección para la determinación del SIL objetivo. Cuenta con un master en Ingeniería de Confiabilidad y Riesgo, por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria España; Miembro de la ISA, Sección México y participa en el Comité de Seguridad Funcional. www.linkedin.com/in/mario-marin-perez-0166b024

AGRADECIMIENTOS

Al ing. Eduardo Mota Sánchez de Rockwell Automation por facilitarnos los manuales técnicos, el demo del PLC de seguridad y su asesoría brindada para el desarrollo de este trabajo.

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