Synthesis of control systems for four-product dividing wall columns

Abstract

Kolone s razdjelnom stijenkom (KRS) za četiri proizvoda sljedeći su korak u primjeni ove perspektivne tehnologije koja povezuje značajne operativne i kapitalne uštede. Njihova složena unutarnja struktura i bojazan od utjecaja na dinamičko vladanje sustava predstavljaju glavne prepreke široj industrijskoj upotrebi. U ovom radu istražuju se dinamičke karakteristike svojstva dviju izvedbi KRS, tzv. 2-2-4 i 2-3-3. Predlaže se postupak sinteze sustava za vođenje koji se zasniva isključivo na, u industrijskom okruženju, lako mjerljivim i upravljivim varijablama. Za određivanje osjetljivih ravnotežnih stupnjeva radi njihovog uparivanja u regulacijske krugove s upravljanim varijablama izvedena je studija osjetljivosti i dekompozicija na singularne vrijednosti (SVD analiza). Za preliminarnu procjenu mogućih neželjenih interakcija primijenjena je matrica relativnog pojačanja (RGA). Korištenje studije osjetljivosti dalo je bolje rezultate od SVD analize, čija upotreba se nije pokazala opravdanom u slučaju pojedinačnih regulatora temperature. Ipak, za sintezu učinkovitog sustava za vođenje obje metode moraju se upotrijebiti isključivo uz primjenu izvedenih pravila uparivanja vođenih i upravljanih varijabli. Izvedba kolone 2-2-4 KRS pokazala se manje zahtjevnom za vođenje u usporedbi s izvedbom 2-3-3. Rezultati dobiveni simulacijskim ispitivanjem ukazuju na znatno manje interakcije u izvedbi 2-2-4 u odnosu 2-3-3, što rezultira i bržim i mirnijim dinamičkim odzivom. Održavanje kvalitete proizvoda se, također, pokazalo lakšim u izvedbi 2-2-4, dok kod izvedbe 2-3-3 rezultati u nekim slučajevima sugeriraju na potrebu za aktivnim upravljanjem raspodjelom pare.Four-product dividing wall columns (DWC) represent the next big step in the implementation of this proved technology which offers both significant capital as well as operating savings. Their complex internal arrangement and uncertainty regarding their dynamic properties act as the main obstacles towards broader industrial implementation. This work focuses on dynamic properties of two different four-product DWCs, so-called 2-2-4 and 2-3-3 configuration. Procedure for synthesis of the control system that incorporates only easily measured and manipulated variables in industrial environment is suggested. For determining sensitive stages appropriate for coupling with manipulated variables, sensitivity analysis and singular value decomposition (SVD) is used. As a tool for preliminary interaction indication relative gain array (RGA) is used. Using sensitivity study as a method of determining appropriate variables for control proved to be better choice compared to using SVD as an extra step in case of single-point temperature control. However, for efficient control system synthesis, both methods need to be used along with the set of pairing rules derived in this work. 2-2-4 configuration proved to be significantly easier to control. Closed-loop simulation results indicate significantly smaller interactions compared to the 2-3-3 configuration, resulting in faster but also calmer transient behaviour. Keeping product quality within specification proved to be easier as well in case of 2-2-4 configuration, while results obtained with 2-3-3 configuration suggest need for active vapour split control in certain cases