SVILUPPO DI SENSORI SOFTWARE PER COLONNE DI DISTILLAZIONE MULTICOMPONENTE

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Abele Gori
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1 (1) UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Ingegneria meccanica, chimica e dei materiali (ITALIA) (2) UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA Departamento de Ingeniería de procesos e hidráulica (MESSICO) SVILUPPO DI SENSORI SOFTWARE PER COLONNE DI DISTILLAZIONE MULTICOMPONENTE M.Porru 1, R.Baratti 1, J. Alvarez 2

2 MOTIVAZIONI COLONNE DI DISTILLAZIONE MULTICOMPONENTE INDUSTRIALI: Controllo della concentrazione di specie di interesse negli effluenti. Controllore classico: set point sulla temperatura del piatto pilota. Controllore inferenziale: sistema di controllo con azione sulla variabile manipolata guidata dal confronto della concentrazione desiderata con quella attuale. Analizzatori hardware: elevati costi e introduzione di elevati tempi di ritardo. Sensori software: (i) modello matematico della colonna di distillazione; (ii) misure secondarie di semplice accessibilità: misure di temperatura.

IL PROBLEMA DI STIMA PER COLONNE DI DISTILLAZIONE (1) CASO DI STUDIO: SPLITTER BUTANI HC IN BUTILENI Frazione molare Frazione molare ALIMENTAZIONE SOLI

032 ACQUA DI RAFFREDDAMENTO ACQUA DI RAFFREDDAMENTO E4A E4B N-BUTENE 0.001 0.031 ACCUMULATORE BUTANI N-BUTANO 0.554 0.467 ic4 C4-2-BUTENE TRANS 0.001 0.039 ALCHILATO 2-BUTENE CIS 0.

3 IL PROBLEMA DI STIMA PER COLONNE DI DISTILLAZIONE (1) CASO DI STUDIO: SPLITTER BUTANI HC IN BUTILENI Frazione molare Frazione molare ALIMENTAZIONE SOLI SATURI PROPANO I-BUTANO BUTANI ACCUMULATORE MISTA CARICA OLEFINICA I-BUTENE ACQUA DI RAFFREDDAMENTO ACQUA DI RAFFREDDAMENTO E4A E4B N-BUTENE ACCUMULATORE BUTANI N-BUTANO ic4 C4-2-BUTENE TRANS ALCHILATO 2-BUTENE CIS CARICA REATTORE Frazione molare nbutano Frazione molare SPLITTER BUTANI A1T1 SOLI SATURI MISTA ACQUA FCC TESTA TESTA N-BUTANO RIFORMATA E3B nc4 E3C E3A VAPORE

4 IL PROBLEMA DI STIMA PER COLONNE DI DISTILLAZIONE (2) OBIETTIVO DI STIMA STIMARE LA CONCENTRAZIONE DI NC4 NEL DISTILLATO, CON ERRORI PARAGONABILI A QUELLI DI MISURA (Δ<0.01). IL PROBLEMA DI STIMA COMPRENDE IL DESIGN: (1) MODELLO MATEMATICO: componenti da modellare; numero e posizione dei sensori di temperatura; componenti da innovare. (2) ALGORITMO: processore delle misure. Estimatore Geometrico con innovazione passiva.

5 Modello a principi primi SCELTA DEL MODELLO MATEMATICO (1) Il grado di dettaglio dipende dallo scopo per cui il modello è realizzato: I. Modello accurato per la modellazione della colonna di distillazione. II. Modello semplice per l implementazione on-line ai fini della stima. I. Modellazione di tutti gli idrocarburi presenti in alimentazione. II. Modellazione di un numero limitato degli idrocarburi presenti in alimentazione; descrizione semplificata dell equilibrio L-V.

6 Descrizione dell equilibrio L-V SCELTA DEL MODELLO MATEMATICO (2) Modello completo: Wagner Modello semplificato: Antoine

7 Diagramma dei gradienti di temperatura con contributo per componente. SCELTA DEL MODELLO MATEMATICO (3) 1.0 T x i i, j ( xi1, j x ) i 0.5 gradiente [ 'C ] C3 IC4 NC4-1 IC4-1 C4-2 TRANS C4-2 CIS NC modellare i componenti che danno il maggiore contributo al gradiente; collocare i sensori in accordo con l obiettivo di stima; collocare i sensori nell area di maggiore variazione della temperatura; scegliere gli stadi in cui il contributo dei non modellati è trascurabile; innovare il componente che da maggiore contributo al gradiente.

8 ALGORITMO ESTIMATORE GEOMETRICO (GE) CON INNOVAZIONE PASSIVA La procedura di design della struttura è indipendente dall algoritmo di stima utilizzato. Stati non innovati (per ognistatonon innovato xˆ xˆ xˆ z i j μk fˆ j i fˆ ( T ( xˆ μk i1 ( xˆ Tˆ, xˆ, xˆ i 1,xˆ i1 Stati innovati (per ognistatoinnovato xˆ,xˆ 1 Tˆ ) 1 β' ˆ,μk k μk P, Azioneintegrale Temperatur e (k1,...,m) dove ) ) [K (T j i con k 1,...,m) Tˆ con (i,j) (S ) K, k I, ˆ( xˆ ) ˆ' k z dtˆ d xˆ, μ k k ] ˆ )) x Sistema di stima: Integrazione di N(C M 1) + m = 57+m ODE Modello completo: Integrazione di N (C 1) = 342 ODE

9 Dati di Input al sensore software PRESTAZIONI DEL SISTEMA DI STIMA (1) 0 t 11 t > 11 0 t 11 t > 11 REALTA SISTEMA DI STIMA PORTATA 39.9 m 3 /h 39.9 m 3 /h 39.9 m 3 /h 39.9 m 3 /h TEMPERATURA 76 C 76 C 76 C 76 C ALIMENTAZIONE COMPOSIZIONE mol IC4 = NC4 = C3 = NC4-1 = IC4-1 = C4-2 T = C4-2 CIS = IC4 = 0.40 NC4 = C3 = NC4-1 = IC4-1 = C4-2 T = C4-2 CIS = IC4 = NC4 = IC4 = NC4 = LA COMPOSIZIONE DELL ALIMENTAZIONE E SETTATA AL VALORE NOMINALE PER TUTTO IL TEMPO DI SIMULAZIONE.

10 Scelta del numero di sensori PRESTAZIONI DEL SISTEMA DI STIMA (2) Un solo sensore posizionato al 43 stadio è sufficiente a raggiungere l obiettivo di stima. Il transitorio è generato dalle C.I. imposte all osservatore, che differiscono dal profilo di concentrazione reale negli stadi. CARICA MISTA CARICA SATURI L impiego di più misure contribuisce a migliorare la dinamica della stima. La velocità della stima è per lo più legata a quella del sistema fisico.

11 Modellazione di due o tre componenti PRESTAZIONI DEL SISTEMA DI STIMA (3) CARICA MISTA CARICA SATURI (off-set positivo) ERRORE PREVALENTE NUMERO DI COMPONENTI MODELLATI (off-set negativo) ERRORE PREVALENTE TERMODINAMICA

12 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Il design della struttura del sensore software è ricavata dall analisi del diagramma dei gradienti di temperatura con contributo per componente, che è realizzato a partire da informazioni di stazionario. La modellazione dei componenti principali (IC4-NC4) e l impiego di un solo sensore di temperatura garantiscono ottime prestazioni di stima, senza avere informazioni sulla concentrazione della carica. Per colonne di distillazione multicomponente una configurazione di controllo inferenziale permette di mantenere al set-point la concentrazione di una specie di interesse tramite l ausilio di un sensore software.

13 (1) UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CAGLIARI Dipartimento di Ingegneria meccanica, chimica e dei materiali (ITALIA) (2) UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPA Departamento de Ingeniería de procesos e hidráulica (MESSICO) SVILUPPO DI SENSORI SOFTWARE PER COLONNE DI DISTILLAZIONE MULTICOMPONENTE M.Porru 1, R.Baratti 1, J. Alvarez 2

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