Memoria Investigaciones en Ingeniería, núm. 26 (2024). pp. 70-84
https://doi.org/10.36561/ING.26.5
ISSN 2301-1092 • ISSN (en línea) 2301-1106 – Universidad de Montevideo, Uruguay
Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de una licencia de uso y distribución CC BY 4.0. Para ver una
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Diseño de un sistema de control para el tratamiento de aguas de enfriamiento
de un formador de azufre
Design of a control system for the treatment of cooling water from a sulfur former
Projeto de um sistema de controle para tratamento de água de resfriamento
proveniente de um formador de enxofre
Urimare Campos
1
, Yordi González-Rondón
2
(*)
Recibido: 08/11/2023 Aceptado: 08/03/2024
Resumen. - Se presenta el diseño de un sistema de control para el tratamiento de aguas de enfriamiento de un
formador de azufre en un mejorador de crudo, para mantener la conductividad del agua de enfriamiento en rangos
establecidos y de esta manera evitar la acumulación de minerales en las tuberías, lo cual deteriora el sistema de
enfriamiento. En el desarrollo, se determinaron las propiedades fisicoquímicas a controlar, como la conductividad, sus
agentes biológicos y los sólidos disueltos (TDS) presentes en el agua, tratándose la conductividad mediante purgas
controladas y los microorganismos y TDS mediante la dosificación de productos químicos. También, se diseñó el
sistema de control de conductividad y dosificación de químicos utilizando un Controlador Lógico Programable, se
seleccionaron los diferentes componentes como sensores, bombas, válvulas, medidor de nivel y medidor de
conductividad y posteriormente se validó el sistema de control mediante simulación del proceso con en el software
LOGO SOFT confort. Los resultados demostraron el correcto funcionamiento de encendido y apagado de las bombas
y válvulas, y se concluyó que el diseño es capaz de mantener controlado todos los parámetros ante cualquier cambio
en las variables de entradas.
Palabras clave: Sistema de control, formador de azufre, Simulación.
(*) Autor Corresponsal
1
Bachiller en Ingeniería. Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui, Centro de Termofluidodinámica y Mantenimiento, Barcelona, Estado
Anzoátegui (Venezuela), urimarecampos@gmail.com, ORCID iD: https://orcid.org/0009-0004-7025-8442
2
Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente, Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas, IIBCAUDO "Dra. Susan Tai",
Cumaná, Estado Sucre (Venezuela), yordygonzalez@hotmail.com, ORCID iD: https://orcid.org/0000-0002-4769-75682
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Summary. - The design of a control system for the treatment of cooling water of a sulfur former in a crude oil
upgrader is presented, to maintain the conductivity of the cooling water in established ranges, and in this way avoid
the accumulation of minerals in the pipes which deteriorates the cooling system. In the development, the
physicochemical properties to be controlled were determined, such as conductivity, its biological agents and the
dissolved solids (TDS) present in the water, treating the conductivity through controlled purges and the
microorganisms and TDS through the dosage of chemical products. Also, the conductivity and chemical dosing control
system was designed using a Programmable Logic Controller, the different components such as sensors, pumps, valves,
level meter and conductivity meter were selected and subsequently the control system was validated through simulation
of the process within the LOGO SOFT comfort software. The results demonstrated the correct on and off operation of
the pumps and valves, and it was concluded that the design is capable of keeping all the parameters controlled in the
event of any change in the input variables.
Keywords: Control system, sulfur former, Simulation.
Resumo. - É apresentado o projeto de um sistema de controle para o tratamento da água de resfriamento de um
formador de enxofre em um melhorador de petróleo bruto, para manter a condutividade da água de resfriamento em
faixas estabelecidas, e desta forma evitar o acúmulo de minerais nas tubulações que se deterioram. o sistema de
refrigeração. No desenvolvimento foram determinadas as propriedades fisicoquímicas a serem controladas, como a
condutividade, seus agentes biológicos e os sólidos dissolvidos (TDS) presentes na água, tratando a condutividade
através de purgas controladas e os microrganismos e TDS através da dosagem de produtos químicos. Além disso, o
sistema de controle de condutividade e dosagem de produtos químicos foi projetado utilizando um Controlador Lógico
Programável, os diferentes componentes como sensores, bombas, válvulas, medidor de nível e condutivímetro foram
selecionados e posteriormente o sistema de controle foi validado através de simulação do processo dentro do LOGO
Software de conforto SOFT. Os resultados demonstraram o correto funcionamento liga e desliga das bombas e
válvulas, e concluiu-se que o projeto é capaz de manter todos os parâmetros controlados caso ocorra alguma alteração
nas variáveis de entrada.
Palavras-chave: Sistema de controle, formador de enxofre, Simulação.
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1. Introducción. - Un mejorador de crudo tiene como propósito procesar crudo extrapesado para transformarlo en un
crudo mucho más liviano. En este proceso, uno de los subproductos que se obtiene es el azufre, el cual se genera en la
unidad formadora de azufre y posteriormente se almacena en pilas en los patios del mejorador. Esta unidad formadora
recibe el mineral en estado líquido a 150 °C aproximadamente, y luego lo transforma en estado sólido a 45 °C. Para
lograr la solidificación del azufre, es fundamental la acción de aguas de enfriamiento, las cuales circulan a través de
un sistema que consta de líneas de tuberías, intercambiador de calor, tanque de almacenamiento de agua de acero
inoxidable y bomba de recirculación [1].
Todo sistema de enfriamiento recirculante que utiliza agua como medio refrigerante debe contar con algún tipo de
tratamiento ya sea físico o químico [2], para evitar el aumento de ciclos de concentración, es decir, la concentración
de iones en el agua (conductividad), la cantidad de minerales, los sólidos disueltos y la dureza en dichas aguas durante
la recirculación [3-5]. A pesar de lo anterior, en las unidades formadoras de azufre no se trata el agua de ninguna forma,
lo que se hace es suministrar agua constantemente al sistema de enfriamiento para impedir que aumente de manera
exacerbada de estos ciclos, y para reponer el volumen del flujo evaporado [6].
Al respecto, la estrategia de suministrar agua constantemente en los formadores de azufre no es lo más adecuado, ya
que se desperdicia en exceso el fluido, y además, esta agua de reposición generalmente viene asociada con bacterias,
conjuntamente con carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, entre otros minerales [7,8], que con el transcurrir del tiempo
tienden a depositarse en las paredes internas de la tubería, lo que ocasiona severos daños como corrosión. Asimismo,
se produce un aumento del espesor de pared del sistema hidráulico, lo que causa una disminución en la tasa de
transferencia de calor del intercambiador, y un incremento en las pérdidas de carga del sistema de bombeo [9,10]. Por
otra parte, las bacterias que se encuentran en el agua crean algas que causan obstrucción en las boquillas de aspersión
de los sistemas de enfriamiento. Todos estos factores disminuyen la eficiencia en el proceso de formación de azufre lo
que se traduce en pérdidas económicas [11].
Para darle solución a la problemática presentada, en esta investigación se planteó hacer modificaciones a las
condiciones operacionales del sistema de tratamiento de agua de una unidad formadora de azufre de un Complejo
Petroquímico, tomando como estrategia el uso de químicos y purgas controladas. Para esto se propuso el diseño de un
sistema de control con la finalidad de mantener en el agua de enfriamiento la conductividad, y a su vez dosificar las
cantidades adecuadas de químicos dentro de parámetros que no afecten el proceso. Asimismo, se realiza la simulación
del sistema de control propuesto, y se describe la selección de accesorios y equipos necesarios para el funcionamiento
correcto del sistema.
2. Materiales y métodos.-
2.1 Descripción del sistema formador de azufre. - Un complejo de mejoramiento de crudo tiene como propósito
procesar crudo extrapesado para transformarlo en un crudo más liviano. Como subproductos de este proceso se obtiene
coke y azufre. Este último es bombeado en forma líquida desde un tanque de almacenamiento de la unidad (ver figura
I) por medio de tuberías enchaquetadas hacia la unidad de solidificación de azufre, constituida por dos trenes en
paralelo, como se muestra uno de ellos en la figura II. En el proceso, el azufre pasa por un filtro de malla de acero
inoxidable de 150 mesh, y es solidificado de acuerdo al proceso Rotoformer®, que consiste en un estator cilíndrico y
un cilindro hueco perforado. El azufre líquido llega al interior del estator cilíndrico y sale a la superficie de este por
medio de boquillas, fluyendo de forma controlada por la acción de una barra distribuidora. Asimismo, el cilindro hueco
perforado que rodea al estator gira concéntricamente depositando gotas de azufre sobre una banda transportadora
metálica de acero inoxidable donde son enfriadas.
En la superficie de la banda transportadora se aplica una película muy delgada de antiadherente tipo polimérica
(solución de Tegopren) mediante un rodillo, con la finalidad de evitar que se pegue el azufre a la correa y se mantenga
la forma del producto de azufre (en forma de pastillas). La banda transportadora absorbe el calor del azufre mediante
conducción, haciendo que el azufre solidifique a temperaturas inferiores de 45 °C. En el proceso, la velocidad de
rotación del Rotoformer se sincroniza con la velocidad de la correa metálica, haciendo que las gotas se depositen sobre
la correa sin deformación, y posterior a la solidificación, resulten en pastillas regulares con forma y/o aspecto óptimo.
La forma de las pastillas es importante para las características de manejo y generación de polvo, debido a que una
relación apropiada de diámetro y altura, le daría la cualidad de forma semiesférico.
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Figura I. Tanque de almacenamiento de azufre.
Figura II. Tren de formación de azufre.
Para que ocurra con éxito la solidificación, en la parte inferior de la banda metálica se encuentran dispuestos varios
aspersores que expulsan agua hacia la banda con el fin de retirar el calor de la misma. En el enfriamiento se pierde
parte del líquido refrigerante por evaporación, y la otra parte de agua que no es evaporada, se recoge por gravedad en
una bandeja, la cual converge en el tanque de almacenamiento del proceso de enfriamiento. La parte del agua que se
evapora ocasiona un aumento en la cantidad de solidos disueltos en el agua de enfriamiento. Este proceso de
enfriamiento está constituido por dos (2) bombas centrífugas de 15 Hp (una en Stand Bie), las cuales se encargan de
la recirculación de las aguas de enfriamiento, un intercambiador de calor de tiro forzado de 1.736 m2, donde el agua
de enfriamiento disminuye su temperatura de 45 °C a 30 °C y un tanque de almacenamiento, construido en acero
inoxidable, el cual puede albergar un volumen de 2.700 L.
Durante el proceso de enfriamiento se producen emanaciones de vapor de azufre, el cual es tóxico e irritante, razón
por la cual existe un sistema de extracción o escape provisto de un ventilador de extracción de aire. La parte final del
proceso que cumple la unidad 32 concluye con el transporte del azufre solidificado por un sistema de bandas
transportadoras hacia el patio de manejo de sólidos, donde es almacenado en grandes pilas. La descripción anterior de
la unidad formadora de azufre sugiere que se trata de proceso es muy complejo, pues en ella se involucran diferentes
variables que se interrelacionan y deben ser controladas. Para resolver el problema planteado, en esta investigación se
realizó una búsqueda detallada de información sobre las unidades de formadores de azufre en manuales, libros,
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artículos, proyectos, revisión de diagramas de instrumentación y tuberías, todo esto con la finalidad de conocer el
proceso y recorrido de las aguas de enfriamiento, así como también los accesorios, equipos, metalografía y el ambiente
con que está en contacto el fluido refrigerante.
2.2 Propiedades fisicoquímicas y concentración apropiada de químicos para la dosificación en las aguas de
enfriamiento. - Para conocer las propiedades fisicoquímicas que guardan relación con los diferentes problemas
existentes en el sistema de enfriamiento, se realizaron entrevistas a expertos en sistemas de aguas industriales, también
se realizaron inspecciones in situ de unidades formadores de azufre para determinar los posibles problemas del sistema
de enfriamiento. Se realizaron toma de muestras del agua de enfriamiento con instrucciones y recomendaciones del
personal de aguas industriales. Las muestras fueron analizadas en laboratorio a fin de seleccionar y analizar los
productos químicos que mejor se adapten a las características dichas aguas, y así poder determinar la concentración
del químico elegido, de igual manera esta concentración fue verificada mediante la prueba de jarras.
2.3 Sistema de control de conductividad y dosificación de químicos para el tratamiento del agua de enfriamiento
en el formador de azufre. - El control de purgas controladas y la dosificación de productos químicos que se desarrolla
en esta investigación, se realiza mediante la implementación de un controlador lógico programable (PLC). Para el
cálculo de las purgas, se define primeramente el punto de ajuste (set point) que determina el encendido de una válvula,
luego se determina el volumen de purga el cual será igual al volumen de reposición, y dependerá del volumen
evaporado durante el proceso de refrigeración. Posteriormente se verifica, mediante la aplicación de un balance de
masa en concentraciones, que el volumen de purga garantiza las sugerencias de expertos en operaciones. Por otra parte,
la dosificación de químicos se diseña en base al volumen de agua de reposición y de la dosis de cada producto
seleccionado. El punto de ajuste o set point que determina el encendido de las bombas se fija en función al nivel del
tanque de almacenamiento y el tiempo de encendido de las mismas se determina respecto al volumen y al caudal de
dosificación.
Para la dosificación de químicos y la medición de las variables es necesario diseñar un baypass siguiendo
recomendaciones del personal de operaciones, con la finalidad que no fluya un caudal mayor a 1,955 m3/hr. Para esto
se siguen las normas PDVSA 90616.1.024 y PDVSA MDP-02-FF-03, asumiendo un diámetro de tubería y un factor
de fricción, se realizan iteraciones, y se verifica que los resultados obtenidos satisfagan las normas antes mencionadas.
Igualmente se verifica que el espesor correspondiente al diámetro escogido soporte las sobrepresiones de diseño, esto
mediante la norma MDP-02-FF-03. Luego se especifica la disposición de los equipos y accesorios necesarios para el
funcionamiento de la propuesta de control y así definir la lógica de control que regirá el proceso. El lenguaje de
programación que más se adapta a las necesidades de la organización y a las características del software de
programación se eligió cumpliendo con la norma IEC 1131-3. El procedimiento incluye la conexión de los distintos
componentes al PLC, así como los ajustes de los sensores de conductividad y nivel en función al rango de entrada.
2.4 Componentes y simulación del sistema de control. - Según los requerimientos necesarios para llevar a cabo el
proceso de tratamiento de agua de enfriamiento, se realiza la selección de la instrumentación mediante matrices de
comparación y en otros casos se seleccionan en base a las marcas que manejan los formadores de azufre. Respecto a
la simulación del proceso, se elige el lenguaje de programación adecuado a las necesidades del proceso, y a las
características del software de programación cumpliendo con la norma IEC 1131-3. Se especifica la conexión de los
distintos componentes al PLC, además se realizan los ajustes de los sensores (conductividad y nivel) en función al
rango de entrada. Todo con el fin de conocer la relación existente entre los valores de entrada y salida de cada sensor,
ya que el PLC interpreta la entrada de valores en esta unidad, para luego realizar el acondicionamiento de esta señal
de entrada al rango de lectura del Software.
3. Resultados y discusión.-
3.1 Propiedades fisicoquímicas a controlar.- Se identificó que las propiedades a tratar en el agua del proceso de
enfriamiento corresponden a la conductividad, el carbonato de calcio y minerales asociados al proceso, así como
también los microrganismos, debido a que se evidenció la existencia de algas en las boquillas de aspersión y tendencia
a la corrosión galvánica en algunos tramos de tubería por la acumulación de sedimentos en la misma, provenientes de
la acumulación del carbonato de calcio, sílice, fosfatos, entre otros.
Para resolver la problemática, se decidió mantener bajo control el incremento de los minerales producidos por la
recirculación y la evaporación en el proceso de la solidificación del azufre mediante la aplicación de purgas
controladas. Respecto a los minerales que pudieran encontrase en el agua de reposición, se implementa un tratamiento
por medio de la dosificación de un inhibidor de corrosión para la dispersión del carbonato de calcio y los demás
minerales, de tal manera que se reducirá al máximo la acumulación de estos agentes en la tubería. Asimismo, para el
control de seres vivos muy pequeños formados por una sola célula (microorganismos) que bloquean el flujo de agua,
reducen la transferencia de calor y aumentan las tasas de corrosión, se decidió utilizar una agente biosida no oxidante,
esto conllevaría a preservar el tanque de almacenamiento, faja metálica, tuberías, intercambiador de calor, entre otros.
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3.2 Relación de la dosificación de químicos. - La relación de dosificación de los productos químicos que se requiere
para la solución del problema antes descrito, se determinó según las características de cada producto; y adicionalmente
se realizó la prueba de jarra [12] en laboratorio. El ensayo consistió en someter a prueba la acción de determinada
concentración de químico sobre una solución para corroborar el buen funcionamiento de los productos químicos. Los
resultados obtenidos fueron satisfactorios en cada caso pertinente, pudiéndose observar que el agua no alteraba su color
y los minerales no formaron flóculos de mayor tamaño, esto debido a la acción de inhibidor de corrosión el cual le
proporciona una carga eléctrica a los minerales para que éstos se rechacen entre sí, y así impedir que éstos se adhieran
a las paredes de las tuberías.
Posteriormente a esto, se examinó los análisis de laboratorio, y se sugirió la dosificación de un inhibidor de corrosión
de acción media para el valor referente a la dureza total, la dureza cálcica y la conductividad del agua del proceso. Los
productos químicos seleccionados en base a los agentes presentes en el agua de enfriamiento fueron LIPESA 131 y
Biocida, y para controlar los agentes biológicos se especificó un Biocida no oxidante, LIPESA 100, por la existencia
de acero inoxidable en el sistema [13].
3.3 Propuesta de control para las aguas de enfriamiento de la unidad 32.- En la industria se acostumbra a mantener
la conductividad en los procesos de enfriamiento mediante purgas controladas [14], lo que conlleva a una reposición
de las aguas de enfriamiento. Esta agua fresca de reposición al poseer una conductividad menor a la del proceso influirá
directamente en dichas aguas, disminuyendo la concentración del carbonato de calcio, y por ende sobre la
conductividad, ya que esta es directamente proporcional a dichos minerales.
En el estudio se determinó mantener en las aguas de enfriamiento una conductividad menor a quinientos siemens (500
µS), como se muestra en la tabla I, ya que por encima de este valor se podrían presentar inconvenientes en el proceso,
tales como: problemas de transferencias de calor en el intercambiador del sistema, aumentaría la tendencia a la
corrosión en las tuberías y/o daría lugar para la formación de depósitos y/o el taponamiento de las tuberías por la alta
concentración de minerales en las aguas de enfriamiento.
Tabla I. Clasificación de las aguas en función a su conductividad [15]
Conductividad y dureza del agua
ppm
µS/cm (Siemens)
ºF
Dureza
0-70
0-140
0-7
muy blanda
70-150
140-300
7-15
blanda
150-250
300-500
15-25
ligeramente dura
250-320
500-640
25-32
moderadamente dura
320-420
640-840
32-42
dura
superior a 420
superior a 840
superior a 42
muy dura
Debido a que en el proceso de formación de azufre existe evaporación de las aguas de enfriamiento, se producirá un
descenso del nivel en el tanque de almacenamiento, disminuyendo un centímetro y medio (1,5 cm) aproximadamente
por hora de operación, según la lectura de los datos registrados por el medidor de nivel en dicho tanque. También se
conoció que la conductividad en las aguas de enfriamiento en un día de operación promedio alcanza un incremento de
sesenta y cinco (65) µS aproximadamente. Al respecto, se propone realizar las purgas en función al volumen evaporado
en un día de operación para así realizar un encendido diario de las válvulas y bombas dosificadoras, lo cual se llevará
a cabo de manera automatizada mediante la utilización de un control lógico programable (PLC).
3.3.1. Volumen evaporado (VEP). - En el estudio se dio a conocer que la altura de evaporación/h es de 1,5 cm, en un
promedio de operación diaria de 11 h. El volumen de evaporación es de 0,093 m3 en un área de 6,206 m2 y para las
once horas de operación se obtuvo un total de:
3.3.2. Conductividad resultante. - Del mismo modo, se conoció que el sistema de transporte y almacenamiento de
agua posee un diámetro y longitud de tubería de 4 pulgadas y 93 cm respectivamente, con volumen del tanque de 2.700
L y volumen de tubería de 3,454 m3. Sabiendo que una vez implementado el sistema de control, la conductividad en
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las aguas de enfriamiento no superará los (considerando que las características no varían) debido a la
realización de las purgas controladas, la cual permitirá introducir siempre el mismo volumen de de agua fresca
al sistema, y conociendo que esta posee una conductividad promedio de , se pudo calcular la conductividad
resultante en el proceso, siendo de lo que satisface las exigencias de mantener la conductividad de las
aguas de enfriamiento por debajo de los .
3.3.3. Evaporación en el tanque de almacenamiento. - La apertura y cierre de las válvulas, y el encendido de las
bombas, dependerán del nivel existente en el tanque de almacenamiento. La altura que representa el volumen de
evaporación y la altura referente al volumen de químicos dosificados en dicho tanque se conoció basado en el volumen
evaporado de y la ecuación de volumen evaporado, por lo que la altura del punto de ajuste (set point) quedo
determinado por :
3.3.4. Volumen de productos químicos a dosificar. - La relación de dosificación que dictan los dos (2) productos
químicos seleccionados es de 6 L de producto por cada 1.000 L de agua de reposición, por lo que el volumen de cada
uno de los dos químicos a dosificar por cada 1.024 L es de 6,144 L/Bomba. Dado a que la relación de dosificación será
igual para el inhibidor de corrosión y el biocida, se estarán inyectando al tanque de almacenamiento un total de 12,288
L de productos químicos, y una altura de productos químicos en el tanque de 2 mm. De tal manera, que la altura menor
del set point, quedó definida por la sustracción de la altura de evaporación y la altura de productos de químicos a la
altura máxima de llenado en el tanque de almacenamiento. Este set point activará la apertura de la válvula que permitirá
el cierre o paso de las aguas de reposición.
Respecto a las bombas dosificadoras, estas serán encendidas y apagadas por un temporizador, el cual se programa
según el tiempo en el cual este estará enviando la señal de encendido a las bombas dosificadoras. Este tiempo
depende del caudal de dosificación 0,0091 L/s y el volumen de dosificación por bomba de 6,144 L:
3.4. Filosofía de operación de la unidad formadora de azufre. - En la figura III se muestra la disposición de los
elementos y las diferentes alturas de control en el tanque de almacenamiento, y en la figura IV se muestra el diagrama
de flujo que define el sistema de control. Para iniciar el proceso se suplirá en su totalidad el sistema de enfriamiento
con agua fresca hasta una altura de cuatrocientos treinta y tres (433) mm en el tanque de almacenamiento, y
posteriormente se le agregarán veinte (20) litros de biocida LIPESA 100 y veinte (20) litros de inhibidor LIPESA 131
y se activará el proceso de control automatizado [16].
Una vez que el proceso de enfriamiento esté en funcionamiento y comience a evaporarse el fluido refrigerante, se
abrirá la válvula de entrada (Q2), cuando el nivel del tanque alcance los 268 mm, la válvula de entrada (Q2) estará
abierta hasta que el nivel del tanque llegue a los 433 mm, Las bombas dosificadoras se encenderán cuando los
temporizadores lo indiquen, los cuales enviarán la señal de encendido durante 675 s a dichas bombas. Los
temporizadores se activarán cuando el nivel en el tanque haya alcanzado los 433 mm, si y soló si, la altura anterior en
el tanque sea menor a dicha altura, y se apagarán cuando el temporizador lo indique. Cuando la conductividad de las
aguas de enfriamiento sea mayor o igual a 500 µS, se abrirá la válvula de purga (Q1). Una vez drenado el volumen
necesario para llegar a los 268 mm de altura, la válvula de purga se cerrará y entraran en accionamiento el control de
nivel y dosificación de químicos descritos anteriormente.
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Figura III. Esquema de los elementos de control propuesto en el sistema de enfriamiento de la unidad formadora de
azufre (unidad 32).
Figura IV. Diagrama de flujo para el control del agua de enfriamiento de la unidad 32, (control de nivel y
dosificación de químicos).
3.5. Diseño hidráulico de tubería bypass. - Debido a que tanto las mediciones de variables como las modificaciones
sólo se realizaran en la línea de tubería, fue necesario el diseño de un bypass [17] que se describe en la figura V con
una longitud total de 9,50 m. El bypass se diseñó en función de un caudal no mayor del 5 % del caudal de recirculación,
debido a que el sistema de enfriamiento fue diseñado para operar con un flujo no menor al 90 % del caudal de
recirculación, quedando así un 5 % del caudal de recirculación para futuras modificaciones. Al respecto, el caudal de
recirculación del sistema de enfriamiento cuenta con 39,1 m3/h, de tal manera que el caudal del bypass se define por:
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Figura V. Geometría del bypass.
Asimismo, para el dimensionamiento de la tubería basándose en ciertos criterios de velocidad y caída de presión, se
utilizó la ecuación de caudal [16], y se determinó que el diámetro en función de la velocidad de erosión y a un caudal
menor del especificado anteriormente, resultando . Se seleccionó un diámetro de 3/4 plg. con
un diámetro interior de 18,9 mm, tomando en cuenta que se debe garantizar un caudal menor a .
3.6. Selección de componentes. - Fue necesario un sensor de conductividad GF modelo 3-2820-1 con transmisor GF
Signet 8850-1 de visualización directa de lectura para instalación en panel [18]. Para la medición de nivel en el tanque
de almacenamiento un sensor modelo NORMIX 190122111 con salida 4 – 20 mA, y dos (2) válvulas solenoides on/off
del tipo normalmente cerradas. Una de las válvulas se coloca en la tubería que suministra agua al tanque de
almacenamiento (válvula de entrada) y la segunda válvula para la realización de purgas (válvula de purga) montada en
niple en la parte inferior del tanque de almacenamiento [19]. Las bombas dosificadoras que integran el sistema de
control corresponden al tipo PROMINENT y línea Gamma/L por existir en los procesos del mejorador. Las bombas
son de tipo electromecánica de membrana modelo GALa0232. Los PLC modelo SIMATIC S7-200 Siemens se
ajustaron a las exigencias del proceso.
3.7. Programación del controlador y modelo de montaje. - La programación se basó en el PLC S7 SIEMENS con
el software LOGO Soft Comfort, mediante el leguaje normalizado escalera. El modelo de montaje consistió en el PLC
montado en campo, conectado a la sala de control de la unidad 32 por medio de la interfaz de comunicación Ethernet,
para permitir la visualización del proceso control ejercido sobre las aguas de enfriamiento. La válvula de entrada,
válvula de salida y bombas dosificadoras se alimentan desde el PLC por medio de los penetradores, los cuales son
activados digitalmente mediante selenoides. El sensor de conductividad y sensor de nivel de tipo analógico fueron
ajustados según las respuestas de los mismos, en función a su escala de medición y su rango de salida que es de 4-20
mA para ambos sensores. En las figuras VI y VII se muestra la disposición de los pines de la CPU 224 XP para la
conexión de los elementos finales de control y los sensores, respectivamente.
Figura VI. Esquema de conexión de los elementos finales de control en el pinado de la CPU 224 XP.
0,7 m de altura
1,14 m de altura
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Figura VII. Esquema de conexión de los sensores en el pinado de la CPU 224 XP.
3.8. Simulación del diseño. - Para validar el funcionamiento del diseño, se tomaron ejemplos representativos de
acciones de control en funcionamiento, comprobándose que las entradas y salidas se comportan de manera esperada
según las perturbaciones [20]. En la figura VIII se muestra la pantalla de la simulación en condiciones de trabajo,
pudiéndose observar en el cuadro de monitoreo una conductividad de 450 µS y un llenado total del tanque. También
se le han ingresado valores de entrada de 450 µS al sensor de conductividad AI1 y 435 mm al sensor de nivel AI2, los
cuales equivalen a 454 y 857,45 respectivamente, en la escala interna del PLC.
Figura VIII. Simulación del bloque de monitoreo.
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Figura IX. Simulación de la alarma de alta conductividad.
Como se explicó en la filosofía, el sistema de control del agua de enfriamiento del formador de azufre consta de dos
procesos paralelos: el control de conductividad del agua del proceso y el control de nivel del tanque de almacenamiento.
En esta parte de la simulación se muestra cómo actúa el sistema de control cuando la conductividad sale del rango
deseado (menor a 500 µS) y alcanza los quinientos (500) µS equivalente a quinientos cuatro (504) en la escala interna
del PLC, este valor de entrada arrojado por el medidor de conductividad (AI1) enciende la válvula de purga Q1, lo cual
se puede apreciar en la figura IX. Luego que se da la apertura de la válvula de purga (Q1), el nivel en el tanque empieza
a disminuir y cuando este haya alcanzado los doscientos sesenta y ocho (268) mm, lo cual equivale a quinientos dos
con trece (502,13) en la escala interna del PLC, la alarma se encenderá; El PLC al leer dicho valor enviará un impulso
a la válvula de entrada (Q2) para dar paso a la entrada del flujo de reposición, como se observa en la figura X.
Figura X. Simulación de alerta del encendido de la válvula de entrada.
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Con la apertura de la válvula de entrada (Q2) empieza el ascenso del nivel del tanque, al llegar a los cuatrocientos
treinta y cinco (435) mm equivalente a ochocientos cincuenta y siete con cuarenta y cinco (857,45) de lectura interna
del PLC, la misma será interpretada por el PLC para enviar una señal ordenando el cierre de la válvula de entrada (ver
figura XI). La señal de cierre de la válvula de entrada servirá para el encendido de las dos (2) bombas dosificadoras,
las cuales estarán encendidas durante diez minutos con catorce segundos (10 min.14 s) por medio de la utilización de
un bloque funcional de relé de barrido.
El proceso de la activación de las alertas anteriormente descritas se activará cada vez que la conductividad de las aguas
del proceso de enfriamiento alcance los quinientos (500) µS. Para el control del nivel en el tanque de almacenamiento,
por motivo de la evaporación existente en el proceso, se cumplirán de manera análoga la activación de la alerta de
encendido de la válvula de entrada y la alerta del encendido de las bombas dosificadoras.
Figura XI. Simulación de alerta del encendido de las bombas dosificadoras.
3.9. Análisis de la simulación del proceso.- Luego de validar mediante simulación el correcto funcionamiento del
sistema de control diseñado en esta investigación, se sugiere que su implementación repercutirá positivamente en los
aspectos que fueron considerados en los objetivos planteados según se describen a continuación: Se mantendrá el
control de los minerales que aparecen en el sistema de enfriamiento producto de la recirculación y evaporación del
agua durante el proceso de solidificación del azufre. La aplicación del tratamiento al agua de recirculación a base de
LIPESA 131, Biocida, y LIPESA 100 permitirá la dispersión del carbonato de calcio y otros minerales, reduciendo al
máximo la acumulación de estos agentes en el sistema hidráulico. También se mantendrá controlada la aparición de
pequeños seres vivos unicelular, microorganismos, que tienden normalmente a obstruir el flujo de agua en los
aspersores de refrigeración. Asimismo, este control permitirá que la eficiencia del sistema de transferencia de calor se
mantenga en niveles más altos, y la tasa de corrosión en todo el sistema permanezca en los niveles más bajos, alargando
la vida útil del tanque de almacenamiento, tuberías, intercambiador de calor, entre otros.
4. Conclusiones. - Se diseñó un sistema de control para el tratamiento de aguas de enfriamiento de un formador de
azufre que evitara el deterioro del mejorador de crudo, traduciéndose en menor impacto ambiental y económico
causado por el agotamiento de los recursos, labores de mantenimiento, reemplazos de equipos y paradas del proceso.
Con el estudio de la filosofía de operación se conocieron los complejos procesos que intervienen en él, desde la entrada
del azufre en estado líquido hasta la solidificación de este por acción refrigerante. Se establecieron como propiedades
a controlar en el tratamiento del agua de enfriamiento la conductividad, los minerales disueltos y los microorganismos,
a partir de estudios de laboratorio. Se determinaron las adecuadas concentraciones de químicos que repercute en una
mejor actuación de los productos sobre el agua de enfriamiento. Asimismo, se estableció el tiempo de encendido de
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las bombas que dosifican dichos químicos.
Se seleccionó la instrumentación necesaria para censar las variables nivel y conductividad, y un controlador lógico
programable con entradas y salidas integradas para mantener la acción de dos bombas dosificadoras electromecánicas
y dos válvulas on/off. El sistema de control diseñado fue validado mediante simulación con el software computacional
LOGO SOFT confort. Para esto se verificó el correcto funcionamiento de encendido y apagado de las bombas y
válvulas, las cuales dependen de diferentes valores de set point, es decir, el encendido y apagado de las válvulas al
igual que el encendido de las bombas dosificadoras se establecieron con un set point referente al nivel del tanque y el
apagado de éstas en función a un set point que solo guarda relación con el volumen y el caudal de dosificación.
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Nota contribución de los autores:
1. Concepción y diseño del estudio
2. Adquisición de datos
3. Análisis de datos
4. Discusión de los resultados
5. Redacción del manuscrito
6. Aprobación de la versión final del manuscrito
UC ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
YGR ha contribuido en: 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
Nota de aceptación: Este artículo fue aprobado por los editores de la revista Dr. Rafael Sotelo y Mag. Ing. Fernando
A. Hernández Gobertti.
