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Control of high purity distillation columns: an industrial case.

By Leopoldo Rodrigues. BRAGA JÚNIOR

Abstract

Colunas de destilação, em geral, constituem uma fração significativa do investimento de capital e do custo de produção de plantas químicas. Portanto, necessitam ser projetadas e controladas para manterem-se nas condições operacionais ótimas. Desenvolveu-se uma estratégia de controle de composição para uma coluna de destilação pertencente a uma planta comerciai de produção de cloreto de vinila. Algumas particularidades dessa coluna e dos requisitos do sistema de controle propiciam a este estudo de caso aspectos não usuais. Trata-se de destilação imilücomponente de alta pureza, com alta razão de refluxo, onde a mistura comporta-se de forma azcobópica. As respostas em malha aberta a uma perturbação na carga térmica do refervedor são caracterizadas por substancial sobrelevação c inversão. Os requisitos do sistema de controle são íncomuns por incluírem controle de concentração de dois componentes, em níveis de concentração de partes por milhão, em uma mesma corrente, sendo que um deles tem volatilidade intermediária na mistura. A coluna apresenta dificuldades de estabilização da concentração desse componente. Evidenciou-se esta dificuldade através da avaliação das condições operacionais atuais da coluna. O projeto de um sistema de controle para um processo com as características citadas representa um imenso desafio. Apresentou-se uma breve revisão da literal ura sobre as estruturas de controle em colunas de destilação e, através de decomposição por valores singulares e matriz de ganhos relativos, estabeleceu-se a segunda variável a ser controlada e definiu-se o emparelhamento que proporciona a melhor controlabilidade. Partindo-se de dados discretos, resultantes de respostas em malha aberta do modelo rigoroso, obteve-se um modelo dinâmico linearizado, na forma de oito funções de transferência. Demonstrou-se que o ajuste das funções de transferência proporcionou suficiente precisão, mesmo para a resposta que é intensamente inversa. A estratégia de controle por realitnentação descentralizado foi utilizada. Para fins de sintonia e síntese de controladores desacopladores e antecipatórios fisicamente realizáveis, reduziu-se a ordem de duas das funções de transferência. Para a sintonia dos controladores Proporcional-lntegral, comparou-se o desempenho de cinco métodos que se baseiam em modelos aproximados para primeira ordem mais tempo morto. No simulador Aspen Dynamics'", verificou-se o desempenho da sintonia obtida, frente a assimetria e a não linearidade do modelo rigoroso. Os casos simulados cora as duas malhas fechadas não apresentam resultados satisfatórios cm função do forte acoplamento. Avaliou-se o desempenho de controladores desacopladores com a finalidade de reduzir a interação entre as malhas. Evidenciou-se que desacopladores explícitos não proporcionam respostas satisfatórias para este processo. O caso estudado enquadra-se na categoria daqueles que o emparelhamento de variáveis recomendado pelos métodos baseados em ganhos de estado estacionário não é adequado. Demonstrou-se que a implementação de controladores antecipatórios projetados individualmente leva o sistema à instabilidade c que a resposta apresenta desempenho muito superior se esses controladores forem projetados conjuntamente. Concluiu-se por recomendar a implementação da estratégia de controle de concentração apenas do principal componente de interesse, utilizando controladores por realimentação e antecipatórios.Distillation columns usually constitute a significant fraction of capital investment and production cost in chemical plants. Therefore, they need to be properly designed and controlled to achieve optimum operating conditions. A composition control strategy for a Distillation column, which is part of a vinyl chloride commercial plant, was developed. Some special properties of this column and of its control system requirements make this case study exhibit unusual aspects. This process is a high purity multicomponenl distillation column, with a very high reflux ratio, where the mixture shows an azeolropie behavior. The open loop responses to a disturbance in reboiler heat duty are characterized by huge overshoot and inverse response. Control system requirements are uncommon for including two components concentration control in the same stream, where components concentration is in parts per million and one of the components has intermediate volatility in the mixture. The column has difficulties tor keeping key component concentration steady and this is shown through current operational conditions evaluation. Designing a control system I'or such a process may represents a huge challenge. A brief literature review on Distillation columns control structures is presented and, using singular values decomposition and relative gains matrix tools, it was established a second controlled variable and a pairing that provides best controllability. An eight transfer function linearized dynamic model was identified from a rigorous dynamic model open loop responses discrete data, it was demonstrated that transfer functions fitting provided accurate results when compared to rigorous model data, even for the strongly inverse response. Decentralized feedback control was used. For purpose of tunning and synthesis of physically realizable decoupling and feedforward controllers, two out of eight transfer functions had their order decreased. For ProporcionalIntegral controllers tunning, performance of five first order more dead time model based tunning methods were compared. Using a commercial simulator, performance of chose tuning parameters were checked against rigorous model asymmetry and non linearity in a very wide range of setpoint changes. Most cases simulated with both control loops closed do not show satisfactory responses due to very strong interaction. Explicit decouplers were evaluated to reduce the degree of interaction between the loops. They do not provide satisfactory performances for this process. This case study fits in the category of those processes where recommended pairing by methods based on steady-slate gains is not suitable. It was shown that use of individually designed feedforward controllers takes this process to instability, while jointly designed feedforward controllers exhibit much superior performance responses. Finally, this case study conclude thai decentralized feedback control strategy do not perform well if both loops are closed in this coiumn and recommends the use of composition control only for the key component, in a single loop fashion with feedback and feedforward controllers

Topics: Destilação, Destilação de alta pureza, Coluna de destilação de alta pureza, Controle de colunas de destilação, Resposta em malha aberta, Destilação multicomponente de alta pureza, Simulador Aspen Dynamics, High purity distillation, Control of distillation columns, High purity distillation column
Publisher: UFCG
Year: 2019
OAI identifier: oai:localhost:riufcg/2936
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