Etil asetat üretiminin yapılacağı tepkimeli damıtma kolonunun çok değişkenli ayırımlı model öngörmeli denetimi
Multivariable decoupling model predictive control of reactive distillation column for the production of ethyl acetate
Yazar: ABDULWAHAB GIWA
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN KARACAN
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, tepkimeli dolgulu damıtma kolonunun denetimi Ayırımlı Model Öngörmeli Denetim algoritması ile gerçekleştirilmiştir. Dolgulu tepkimeli damıtma kolonunda asetik asit ve etanolün tepkimeye girmesi sonucu etil asetat üretilmiştir. Prosesin işletim parametreleri ?HYSYS 3.2? yardımı ile Ardışık Kuadratik Programlama optimizasyon tekniği kullanılarak belirlenmiştir. Kolonun matematiksel modelleri geliştirilerek sayısal olarak ?MATLAB? ortamında çözülmüştür. Benzetim sonuçları deneysel verilerle karşılaştırılarak modellerin geçerliliği gösterilmiştir. Ayrıca, deneysel dinamik veriler kullanılarak ?Neural Network Toolbox? yardımıyla prosesin NARX modelleri de geliştirilmiştir. Geliştirilen Yapay Sinir Ağı (NARX) modelleri Ayırımlı Model Öngörmeli Denetim algoritmasının oluşturulması için kullanılmıştır. Prosesin iletim fonksiyonları ?System Identification Toolbox? yardımıyla bulunmuştur. Bu iletim fonksiyonları ayırımcıların hesaplanması için kullanılmıştır. Prosesin denetlenen değişkenleri olarak üst ürün sıcaklığı ve tepkime bölgesi sıcaklığı, ayarlanabilen değişkenler olarak ise geri akma ve besleme akış hızı oranları seçilmiştir. Ayırımlı, ayırımsız Model Öngörmeli ve klasik Oransal-İntegral-Türevsel Denetimlerinin algoritması ?MATLAB/Simulink? ortamında oluşturulmuştur. Geliştirilen algoritmalar tepkimeli damıtma kolonuna ?MATLAB/Simulink? ve denetim modülleri yardımı ile bağlanıp uygulanmıştır. Her bir denetim algoritması set noktası ve bozucu etkiler için test edilmiştir. Ayırımlı Model Öngörmeli Denetimi sonuçları ayırımsız Model Öngörmeli Denetimi ve klasik Oransal-İntegral-Türevsel Denetim sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışmalardan elde edilen ürün numuneleri Gaz Kromatografi - Kütle Spektrometresi'nde analiz edilerek numunelerin bileşimleri bulunmuştur. Elde edilen sonuçlara göre, tepkimeli dolgulu damıtma kolonuna Ayırımlı Model Öngörmeli Denetimi uygulandığında, en yüksek etil asetat derişimi molce 0.68 ve ağırlıkça 0.80 olarak elde edilmiştir. Elde edilen bu değerler denetim yönünden de tatmin edicidir. Her bir denetim algoritması sonuçlarının Hataların Karelerinin Toplamı değeri hesaplanmıştır. Buna göre Ayırımlı Model Öngörmeli Denetim performansının en iyi olduğu bulunmuştur.

Abstract:
In this work, the control of a reactive packed distillation column was accomplished with Decoupling Model Predictive Control. In the column, ethyl acetate was produced from the reaction between acetic acid and ethanol. The operating parameters of the process were determined with the aid of HYSYS 3.2 using Sequential Quadratic Approach optimization technique. The theoretical models of the column were developed and solved in MATLAB environment. The results of the simulation were compared with the experimental ones to show the validity of the models. In addition, using the experimental data and with the aid of Neural Network Toolbox, NARX models were as well developed. The developed Neural Network (NARX) models were used for the formulation of the Decoupling Model Predictive Control algorithms. The transfer functions of the process were obtained with the aid of System Identification Toolbox. The process transfer functions were used for the estimation of the decouplers. The top product temperature and the reaction segment temperatures were selected as the controlled variables while the reflux ratio and the feed ratio were the manipulated variables. Decoupling and undecoupled Model Predictive Control as well as the classic Proportional-Integral-Derivative Control algorithms were formulated in MATLAB/Simulink environment. The formulated algorithms were connected and applied to the reactive distillation column with the aid of MATLAB/Simulink and control modules. Each of the control algorithms was tested for set-point tracking and disturbance rejection. The results of the Decoupling Model Predictive Control were compared with those of the undeocupled Model Predictive Control and the classic Proportional-Integral-Derivative Control. Analyzing the samples taken from the experimental work in Gas Chromatography - Mass Spectrometer, the compositions were estimated. According to the results obtained, when the Decoupling Model Predictive Control was applied to the reactive packed distillation column, mole fraction of 0.68 and weight fraction of 0.80 were obtained as the maximum concentration of ethyl acetate. These results were found to be satisfactory in terms of control. The Integral Square Error of each control algorithm was calculated. Based on this, the performance of the Decoupling Model Predictive Control was thus found to be the best.