Atık yemeklik yağ ile biyodizel üretiminde bir tepkimeli damıtma kolonunun genelleştirilmiş öngörmeli denetimi
Generalized predictive control of reactive distillation column for biodiesel production by using waste cooking oil
Yazar: MEHMET TUNCAY ÇAĞATAY
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN KARACAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Biyodizel = Biodiesel

Özet:
Bu çalışmada, Atık Yemeklik Yağ ile biyodizel sentezinde bir Tepkimeli Damıtmalı Kolonun Genelleştirilmiş Öngörmeli Denetimi incelenmiştir. Bu amaçla; öncelikli olarak, TD kolonun Aspen HYSYS 3.2 yardımıyla benzetimi yapılmıştır. Müteakiben, TAGUCHI deneysel tasarım yöntemine göre biyodizel sentezi gerçekleştirilmiştir. Parametrelerin etkileri ve optimum koşulları, Design Expert 6.0'da bulunan ANOVA yöntemiyle ve nümerik optimizasyonla tayin edilmiştir. Son aşamada ise; teorik ve deneysel SISO ve Ayırımsız/Ayırımlı MIMO algoritmaları kullanılarak, Doğrusal Olmayan GPC ve kesikli–zaman PID kontrol ile denetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar, 4 L hacimli kaynatma kazanı, 0,80 m kalsiyum oksit ve raschig halkası dolgulu reaksiyon bölgesi ve 0,40 m raschig halkası dolgulu sıyırma bölgesine sahip, tam yoğuşmalı, laboratuar ölçekli TD kolonda yapılmıştır. Kazan sıvısının kaynatılması işleminde 0,7 kW gücüne sahip ısıtıcılı manto kullanılmıştır. Besleme pompaları ve ısıtıcılı mantonun bilgisayar bağlantısı kontrol ünitesinde bulunan bir triyak ile sağlanmış, böylece akış hızları ve kazan ısı yükü on–line olarak ayarlanmıştır. Kazan, sıyırma ve reaksiyon bölgelerine yerleştirilen 3 adet ısıl çift yardımıyla, sıcaklıklar on–line olarak ölçülmüştür. Deneysel çalışmalarda, dönüşüm ve yatışkın hal süresi sırasıyla %72,99–99,52 ve 1,67–6,25 saat aralığında bulunmuştur. ANOVA ve nümerik optimizasyonla maksimum %99,48 dönüşüm ve 1,69 saat yatışkın hal süresinde, optimum koşullar; 2,90 ml/dak AYY akış hızı, 8,19 molar oran ve 419,74 watt kazan ısı yükü olarak tespit edilmiştir. Denetim çalışmalarında; sistem tanımlaması amacıyla AYY akış hızı ve kazan ısı yüküyle ayrı ayrı PRBS etkiler verilmiş, NARIMAX ve ARX model parametreleri deneysel olarak tayin edilmiştir. Müteakiben, reaksiyon ve kazan sıcaklığının teorik ve deneysel denetimi incelenmiş ve sonuçlar kıyaslanmıştır.

Abstract:
In this study, Generalized Predictive Control of Reactive Distillation Column was investigated in biodiesel synthesis from Waste Cooking Oil. First, simulation was done with Aspen HYSYS 3.2. Then, experimental biodiesel synthesis were performed according to TAGUCHI. Effects and optimum conditions of parameters were analyzed by ANOVA and numerical optimization with Design Expert 6.0. Finally, Nonlinear GPC and discrete–time PID control were carried out with theoretical and experimental SISO and Non–Decoupled/Decoupled MIMO algorithms. Experiments were done in totally condensing laboratory scale RD column with 4 liter reboiler volume, 0,80 m reaction zone packed with calcium oxide and raschig rings, 0,40 m stripping region filled with raschig rings. Mixture in reboiler was heated by mantle of 0,7 kW. Connection of feeding pumps and mantle to computer was provided by a triac. Thus, flow rates and heat duty were set on–line. Temperatures of reboiler, stripping and reaction zones were recorded on–line with 3 thermocouples. Conversions and steady state times were obtained experimentally in range of %72,99–99,52 and 1,67–6,25 hours. By ANOVA and numerical optimization, optimum conditions at maximum conversion of % 99,48 and steady state time of 1,69 hours were determined as 2,90 ml/min WCO rate, 8,19 mole ratio and 419,74 watt heat duty. In process control, after system identification where PRBS was given separately as WCO flow rate and heat duty, NARIMAX and ARX model parameters were determined experimentally. Then, theoretical and experimental control of reaction and reboiler temperatures were examined and the results were compared.