Destillasjon Prosjektoppgave høsten 2004, Ingela Reppe og Jørgen K. Johnsen Veiledere: Sigurd Skogestad, Morten Hovd og

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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. Dynamisk modell • Basert på massebalanse, komponentbalanse og energibalanse • Holdup i dampfase neglisjeres • Linearisering av væskedynamikken • Damptrykket for hver komponent påhvert 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. Simuleringer Sprang i y2 fra 0 til 0.2 Sprang i y1 fra 0 til 0.2 Sprang i y1 fra 0 til 0.5

14. 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

15. 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