Destillasjon Prosjektoppgave høsten 2004, Ingela Reppe og Jørgen K Destillasjon Prosjektoppgave høsten 2004, Ingela Reppe og Jørgen K. Johnsen Veiledere: Sigurd Skogestad, Morten Hovd og Jens Strandberg Bygging, modellering og regulering av kontinuerlig, binær destillasjonskolonne

Oppgaven Bygge en lab-skala destillasjonskolonne (startet som sommerjobb). Estimator for sammensetning. Regulering av sammensetning i destillat og bunnprodukt. Indre P/PI-sløyfer og ytre MPC. To modeller: stasjonær modell for sammensetningsestimator, dynamisk modell for MPC

Kolonnen 2.5m høy, 5cm indre diameter, Samlet effekt i koker: 3kW Fødeblanding: 50/50 vol% vann/metanol Ca. 2 liter metanol per time Fylt med raschigringer 12 + 1 teoretiske trinn Instrumentering mest mulig lik industrielle kolonner Stativ i aluminium Stativet er for stort til å frakte som det er, må demonteres delvis, men så lite som mulig helst

Flytskjema med instrumentering Sensorer 8 PT-100 temp.sensorer jevnt fordelt i kolonnen Strømningsmålere på føde-, refluks- og destillatstrøm, samt på kjølevann. Trykkmåling i kolonnen Nivåmåling i reflukstank Nivåmåling i koker kommer Aktuatorer 4 pumper: refluks, destillat, bunnprodukt, føde Varmeelement i koker

Instrumentering Skap med fieldpoint moduler, National Instruments Sikringer, jordfeilbryter, strømtilførsel Releer, 5 stk, gir 230 volt til varmeelementene i kokeren og pumpene Kommunikasjon med pc LabWIEW- grafisk programmeringsverktøy Skap: Fieldpoint moduler, komunikasjonsmodul mot pc, analoge utgang,( pumper,) analoge, innganger, (flowmålinger og trykkmålinger, nivåmalinger), RTD (restistant temperature detection) modul til temperatursensorene PT 100 Releer, 5 stk, gir 230 volt til varmeelementene i kokeren og pumpene   Strømtilførsel til hele systemet, sikringer, jordfeilbrytere,

Dynamisk modell Basert på massebalanse, komponentbalanse og energibalanse Holdup i dampfase neglisjeres Linearisering av væskedynamikken Damptrykket for hver komponent på hvert teoretiske trinn beregnes ut fra Antoinelikningen Viktige parametre i modellen er Antall trinn: (12 +1) Holdup i væskefase kan finnes eksperimentelt Tidskontant for væskedynamikken kan finnes ved parameter identifikasjon

Teoretiske trinn Stasjonære eksperimentelle målinger er sameliknet med simulerte data fra modell i HYSYS McCabe-Thiele metoden gav 12 +1 trinn Med mindre enn 12 trinn vil ikke topproduktet bli rent nok i modellen Temperaturmålingene ligger litt lavt

Estimator for sammensetning Vil bruke en kombinasjon av temperaturmålingene i kolonnen Finne en sammenheng mellom målt sammensetning og linearisert temperaturprofil x = K· Tln Tln – linearisert temperatur, x – sammensetning K kan finnes eksperimentet ved minste kvadraters metode Krever omfattende eksperimentelle data Stasjonær modell Alternativt kan estimatoren baseres på en god stasjonærmodell

Basisregulering LV-konfigurasjon samt indre temperatursløyfe med L som pådrag P-regulering av refluksnivå med destillatstrøm som pådrag PI-regulering av logaritmisk temp. i toppen av kolonnen for å stabilisere svingninger Manuell regulering av nivå i koker (pga. manglende nivåsensor) MV: refluks L, oppkok V, destillat D, bunnprodukt B CV: sammensetning for D og B DV: føderate

MPC - struktur Gjennomsnittelig logaritmisk temperatur i øvre og nedre del (y1 og y2) reguleres Bruker kokereffekt og settpunkt til indre temp.sløyfe som pådrag Pådraget regnes ut av MPC MPC implementert i matlab, kalles fra Labview gjennom Matlab Script node

MPC – dynamisk modell Systemet med temperatursløyfen lukket modelleres lineært for å bruke lineær MPC (y = Hu) Bruker sprang på inngangene som eksiteringssignal (PRBS) Eksperimentelle data tilpasses 2.ordens transferfunksjoner med dødtid Inkludert endringer i føderate som kjent forstyrrelse (In(3)) Responsen i øvre del er underdempet, mer underdempet i virkeligheten

MPC - algoritme Basert på tilstandsromformulering Kalmanfilter for estimering av tilstander og konstante modellfeil på utgangene Prioritering av begrensninger, y1 foran y2, ved å løse to LP-problemer ved hvert tidsskritt. Tar hensyn til estimerte forstyrrelser. Finner mulige stasjonære referanseverdier for tilstander xref og pådrag uref på grunnlag av ønskede utganger og begrensninger ved å løse et QP-problem ved hvert tidsskritt. Finner optimal pådragssekvens og bruker første pådragsvektor på systemet Straffefunksjon med slackvariable for å garantere løsning av optimaliseringsproblemet, lineært og kvadratisk ledd Pådragsblokkering for å redusere regnetid

Simuleringer Sprang i y2 fra 0 til 0.2 Sprang i y1 fra 0 til 0.2

Eksperimentelt Store problemer med regnetid. y1 svinger (ikke-modellert dynamikk + for raske pådragsendringer?) Kan bedres med mindre aggressiv indre temperatursløyfe Vanskelig å teste skikkelig, systemet kræsjer pga. regnetid ved større avvik mellom setpunkt og målinger y2 preget av mer støy enn y1, bruker bare to temp.målinger

Videre arbeid Implementere MPC i Septic? Endre regulatortuninger Modell basert på fysiske prinsipper og parameteridentifikasjon Gjenstår arbeid på sammensetningsestimator Prøve ut annen type mindre regnekrevende regulator (H∞ loop-shaping/gain-scheduling) Sikkerhetsrutiner i software: håndtere større trykkfall/økning, kjølevann som stopper, full koker/reflukstank Utvikle hensiktsmessig operatørgrensesnitt: presentasjon av de viktigste variablene, skru av og på ulike regulatorer, sette driftsbetingelser, logging etc. Brukermanual