Integration of process design and control: A review

There is a large variety of methods in literature for process design and control, which can be classified into two main categories. The methods in the first category have a sequential approach in which, the control system is designed, only after the details of process design are decided. However, when process design is fixed, there is little room left for improving the control performance. Recognizing the interactions between process design and control, the methods in the second category integrate some control aspects into process design. With the aim of providing an exploration map and identifying the potential areas of further contributions, this paper presents a thematic review of the methods for integration of process design and control. The evolution paths of these methods are described and the advantages and disadvantages of each method are explained. The paper concludes with suggestions for future research activities

Control colaborativo en procesos con realimentación positiva inherente

El efecto bola de nieve (“snowball effect") es un efecto de estado estacionario, pero es claro que puede tener importantes implicaciones en el comportamiento dinámico y la selección adecuada de la estructura de control del proceso. Este tipo de efecto actúa como una retroalimentación positiva de masa y energía en el proceso, la cual complica la dinámica y el control debido a las interacciones y fenómenos no lineales. Las estructuras de control aplicadas en procesos con reciclo de masa y energía, son afectadas frecuentemente por el efecto bola de nieve, lo cual implica que para rechazar perturbaciones relativamente pequeñas, se requieran grandes cambios en las variables manipuladas. Hasta el momento las metodologías propuestas para el diseño de las estructuras de control que permiten mitigar el efecto bola de nieve están muy enfocadas a los sistemas químicos, sin tener en cuenta toda la dinámica del proceso y adicionalmente trabajan con modelo linealizados, sin tener en cuenta que el efecto bola de nieve puede ser afectado por las no linealidades del proceso. El diseño simultaneo del proceso y su control puede ayudar a prevenir el efecto bola de nieve, pero no lo elimina, solo retarda su aparición, algunas veces lo suficiente para que el proceso no se vea afectado durante los periodos de operación. El camino más adecuado que se puede abordar es el de diseñar una estructura de control lo suficientemente robusta que permita rechazar las perturbaciones de manera eficiente evitando la evolución del efecto bola de nieve y retarde al máximo la entrada de un control por anulación (override). En esta tesis se desarrolla una estructura de control que permite operar de forma más eficiente un proceso con tendencia al efecto bola de nieve. El sistema de control propuesto tiene una estructura de control colaborativa, la cual utiliza una estructura jerárquica con dos niveles de acción de acuerdo con una jerarquía en las dinámicas. Los puntos de ajuste se modifican en el nivel de supervisión, con criterios de ajuste basados en el desempeño de un índice planteado para el efecto bola de nieve, así se obtiene un esquema colaborativo de los controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) del nivel de regulación. Finalmente, la estructura propuesta se aplica en el control de un sistema de hidrociclonado usado en la industria para la refinación de minerales.Abstract: The snowball effect is a steady state e_ect, but clearly it can have important implications for the dynamic behavior and the appropriate selection of control structure for the process. This type of e_ect acts as a positive mass and energy feedback on the process, which complicates the dynamics behavior and control of the process due to its inherent interactions and nonlinear phenomena. Control structures applied in process with mass and energy recycles are often a_ected by snowball e_ect, which means that to reject relatively small perturbations, large changes in the manipulated variables are required. The methodologies proposed for the design of the control structures in order to mitigate the snowball e_ect are very studied on chemical process. However, they do not consider all the dynamics of the process and additionally they work with linear models of process, which assumes the snowball effect is not a_ected by process nonlinearities. Simultaneous process and control design can help to prevent the snowball e_ect, but it does not eliminate it, only retards its appearance, sometimes enough time to make the process never feel it. The most appropriate way that can be addressed to tackle with this e_ect is to design a control structure su_ciently robust for rejecting disturbances effciently preventing the evolution of snowball e_ect and delaying the override control action. This thesis presents a control structure that can operate more effciently in process with a tendency to develop snowball e_ect. This control system has a structure of collaborative control, which uses a hierarchical structure with two levels of action in accordance with a dynamic hierarchy. Set points are modi_ed at supervisory level, using adjusting criteria based on the performance of an index proposed for the snowball effect. In this way, a collaborative scheme of the Proportional-Integral-Derivative controllers (PID) is implemented at regulatory level. Finally, the proposed structure is applied to the control of an industrial hydrocycloning system used for mineral reffiningMaestrí

Practical application of thermodynamics in the optimal synthesis of chemical and biotechnological processes

In most chemical engineering design problems it is required a complex set of research steps so as to establish the operating conditions in which the process reaches the highest conversion, yield and productivity. However, these steps are tedious, complex and can lead to mistakes. To differ from this, the coupled application of the thermodynamics and the graph-theory appears can be considered as an alternative to design chemical and biotechnological processes. So, in that way, this master’s thesis presents a strategy to synthetize, to design and to evaluate conventional and non-conventional process schemes using Process Engineering techniques from a complete set of different configurations that corresponds to maximal yield of a target product to find good initial estimates to perform calculations and rigorous simulations. A theoretical evaluation was followed to corroborate different possibilities in operation conditions provided for the models for both types of approaches. This kind of evaluation was therefore particularly useful for assessing feasibility of chemical production systems and moreover it provided a realistic measure of the potential for improving the efficiency of the overall processResumen: Actualmente, para solucionar el problema de diseño de procesos para la industria química, se requiere de un complejo conjunto de pasos de investigación con el fin de establecer las condiciones de operación en las cuales el proceso alcanza los mejores valores de conversión, rendimiento y productividad, los cuales resultan ser muy costosos y tediosos. La finalidad de este proyecto de investigación es sintetizar, diseñar y evaluar esquemas convencionales de procesos químicos y biotecnológicos usando Ingeniería de Procesos junto a técnicas de modelamiento matemático basadas en la termodinámica. Para el desarrollo de este objetivo principal, la metodología propuesta se fundamenta en la aplicación teórica de la termodinámica y como herramienta fundamentales en la cualificación y cuantificación del comportamiento de diversos sistemas (mezclas), proporcionando a su vez criterios y directrices para el adecuado modelamiento y posterior evaluación de esquemas de procesos más eficientes desde un punto de vista técnico y energético.Maestrí