GERİ KARIŞMALI ph NÖTRALİZASYON PROSESİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ KONTROLÜ

Transkript

1 GERİ KARIŞMALI ph NÖTRALİZASYON PROSESİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ KONTROLÜ Onur Ömer SÖĞÜT*, A. Fruk BAKAN**, Mesut AKGÜN* * YTÜ Dvutpş Kmpüsü, Kimy Mühendisliği Bölümü, Esenler, İstnul **YTÜ Elektrik Mühendisliği Bölümü, Yıldız, Beşiktş, İstnul ÖZET Doğrusllıktn spmy eğilimli ph ın kontrolünde, lışılgelmiş kontrol lgoritmlrının şrımı yeterli görülmemektedir. Bu mçl yygın kullnıln yöntemlerin ötesinde performns gösteren çeşitli yeni kontrol yöntemleri geliştirilmektedir. Bu çlışmd, u yklşımlrdn iri oln Kznç Seçmeli PID Kontrol yöntemi, lışılgelmiş ir kontrol yöntemi oln PID yöntemiyle kıyslnmıştır. Bunun için gerekli yzılım oluşturulrk, ypıln deneylerin sonuçlrı grfikler hlinde değerlendirilmiştir. Deneylerde od koşullrındki H 3 PO 4 ve NOH çözeltilerinin, gerikrışmlı rektörde irry getirilmesi suretiyle, ph ın 5 ile 8 rsı değerlerinde syısl kontrol ypılmıştır. Gerekli progrm Borlnd C ile hzırlnmış ve kullnılmış, ticri mçlr uygun ir dengi de Visul Bsic dilinde yzılrk denenmiştir. Aynı prmetrelerle ypıln kznç seçmeli PID kontrol şrımının PID den dh iyi olduğu görülmüştür. Anhtr Kelimeler: ph kontrolü; Doğrusl olmyn kontrol; Kznç seçmeli kontrol; Syısl Kontrol; Bilgisyr tnlı kontrol. 1. GİRİŞ Çoğu kimysl süreçte ph kontrolü çok önemlidir; unlr tık su, kzn esleme suyu, ısı değiştirici suyu, soğutm kulesi suyu tsfiyesi, türlü kimysl ve iyoteknolojik tepkimeler, petrokimy, gıd, ilç, mden, dokum sektörleri, kogülsyon, çöktürme, elektrohidroliz olylrı örnek olrk gösterileilir. Yukrıdki örneklerin çoğund kul edileilir ph rlığı çok drdır ve sıkı ir kontrol sğlnmsı gereklidir. Gıd ve iyoteknoloji snyilerinde ürün verim ve klitesinin güvenceye lınmsınd ph kontrolü gereklidir. Atıksu tsfiyesinde, çıkış kımlrının ph değeri çevre ve insn sğlığının korunmsı için ysl limitlere ğlnmıştır [1]. ph kontrolünün zorluk derecesi uygulm lnın göre çeşitlilik gösterir. Örneğin temiz su işlenmesi nispeten kolydır ve genellikle doğrusl PI kontrolü ile şrılır. Bun krşın, zı tıksulrın ph kontrolü oldukç zor olup, eğer tesis ynlış tsrlnmışs kontrol edilemez hle geleilir [1]. Bu çlışmd sürekli kımlı krıştırmlı ir kın ilgisyr destekli ph kontrolü uygulnmıştır. Kp içerisindeki krışımın ph değerleri ir ph ölçer ile okunup dönüştürücü vsıtsıyl ilgisyr ktrılmış; Borlnd C progrmlm diliyle hzırlnmış yzılım kullnılrk gerekli kontrol müdhleleri yine dönüştürücü üzerinden solenoid esleme vnlrı çlıştırılmış, öylece kontrol sğlnmıştır. Kontrol için Visul Bsic dilinde de progrm yzılıp kullnılmıştır. Deney verileri MATLAB pket progrmınd grfiğe geçirilmiştir. Girdi kımlrı 0,0047 M sodyum hidroksit ve 0,003 M fosft sidi çözeltilerinden irettir. Kontrol için PID ve Kznç Seçmeli PID lgoritmlrı kullnılıp,irirleriyle kıyslnmıştır.

2 ph nötrlizsyon prosesleri doğrusl olmyn mtemtik ifdelerle tnımlnırlr. Şimdiye kdr doğrusl sistemlerin kontrolü konusundki kurmlr iyice nlşılmış ve oturmuştur. Bu durum, neredeyse tümü doğrusllıktn z vey çok spn fiziksel sistemlerin doğrusl ğıntılrl incelenmesine dylı kış çısının hklılığını göstermektedir. Bun krşın irçok kimysl sistem tepkime kinetiği ve termodinmik ğıntılr nedeniyle doğrusllıktn oldukç spmktdır. Birçok kimysl ve iyokimysl prosesin titınd doğrusllıktn spm ulunur. Bunlrın çoğu doğrusl kontrol teorisi vsıtsıyl yeterince iyi kontrol edileilmektedir. Çevresel kısıtlmlr, enerjinin idreli kullnımı, ürün klitesinin korunmsı, üretim esnekliği gii etmenler proses işlemlerini krmşıklştırmış, dh geniş işletme rlıklrını gerektirmeye şlmıştır. Bu durumd doğrusl yöntemlerle kontrol ttmin edici sonuçlr vermekten uzklşmıştır. Kimysl sistemlerin tsrımınd doğrusllık vrsyımı gerçekten çeşitli derecelerde spmy neden olmktdır. Doğrusllık vrsyımı ypilmek için oldukç dr işletim rlıklrınd çlışılmsı gerekmektedir. Üstelik kimysl süreçlerin özelliklerinin zmn ğlı olrk değişmesi ve ciddi gecikmeler içereilmeleri, işi iyice krmşıklştırmktdır. Bu etmenlerin ışığınd, kimysl süreçlerin doğrusl kontrolle etkin şekilde idre edilmesi genellikle mümkün olmmktdır. Bu gelişmeler, doğrusl olmyn kontrol edicilere duyuln ilgiyi rttırmıştır. ph sisteminin doğrusllıktn spmsı, sttik ph ynıtımının S şeklinde olmsındn kynklnmktdır. Bu konuy çeşitli yklşımlr ileri sürülmüştür. Bunlrdn zılrı Jenerik Model Kontrolü, dhili model kontrolü (internl model control, IMC), tepkime siti kontrolü (rection invrint kontrol) ve kznç yrlmlı (seçimli) PI kontrolüdür. Proseslerin modeli kontrol sistemi tsrımınd önemli ir rol oynmktdır. Model esslı kontrolde u rol ön plnd, kontrol prmetrelerinin yrlnmsın dylı yöntemlerde ise rk plnddır [1]. 2. KURAMSAL Proses Akımı F, C Titrsyon Akımı F, C Şekil 2.1 İki giriş kımlı gerikrışmlı rektör. (Mnyetik Krıştırıcı) F F, x, x Çıkış Akımı V V dx dt = F C ( F F ) dx dt F C F F = ( ) x x [N ][H ]=[ H 2 PO 4 ][OH ] [ H PO ] [ H ] 2 4 K [ H PO ] 3 4 = ; = [ H ] [ ] OH K su (2.1) (2.1) (2.2) (2.3)

3 Elektronötrllik gereği iyonik yükler toplmı sıfır olmlıdır (denklem 2.2). 2.2 ve 2.3 numrlı denklemlerden; 3 2 [ ] [ H ] { K x } [ H ] { K ( x x ) K } K K = 0 H 2.4 su su Burd K ve K su sırsıyl sidin ve suyun çözünürlük çrpımlrıdır. 25 o C sıcklıkt K =7, ve K su =1, tür [2]. ph ve pk kvrmlrı mtemtiksel olrk şğıdki gii tnımlnır: [ ] ph = log 10 H ; pk = log10 K 2.5 Bu iki tnımdn yol çıkılrk titrsyon eğrisi şöyle ifde edileilir; ph ph 14 x x = pk ph 1 10 (2.1) denklemlerine göre gerikrışmlı rektör doğrusllıktn z miktrd spm göstermektedir. Asit çözelti deisinin z çözeltisi deisinden çok yüksek olmsı hlinde sistem doğrusl kul edileilir. Genellikle titrsyon kımlrının içeriğinde ulunn ileşenler (2.1) denklemlerini sğlyilecek derişimdelerdir. Bu yklşımın hklı çıktığı durumd GKR (2.1) denklemiyle ifde edileilir ve krışm modeli doğrusl hle indirgenmiş olur. (2.6) denklemi x ve x yi iririne ğlyn ve doğrusl olmyn ir denklemdir ve ph çıkış değişkeni titrsyon eğrisini temsil eder. Böylece, gerikrışmlı ph prosesinin modeli nispeten eğrisel ir dinmik kısım ve tmmen eğrisel ir ğıntı olmk üzere iki yrı kısm yrılır.[3]. ph Bz/Asit Kesri Şekil 2.2 0,003 M fosft sidi ile 0,0047 M sodyum hidroksit için titrsyon eğrisi. Ornslintegrl (PI) kznç yrlmlı kontrol, snyide ph kontrolünde kullnıln stndrt uygulmlrdn iridir. PI kontrol edicilere duyuln ilgi kısmen geniş işletim rlıklrınd gösterdikleri tutrlı performnslrın, kısmen de kolyc idre edileilmelerini sğlyn işlevsel sitliklerine ğlnilir [4].

4 3. DENEYSEL Çlışmd kullnıln deney düzeneğinin şemsı Şekil 3.1 de, Visul Bsic progrmının kullnıcı ryüzü ise Şekil 3.2 de gösterilmektedir. RS-232 Bilgisyr Röle Asit Tnkı Bz Tnkı ph ölçer Pro Rektör Selenoid Vnlr Peristltik Pomplr Çıkış Akımı Mnyetik Krıştırıcı Şekil 3.1 Deney düzeneği Şekil 3.2 PI kontrol esnsınd progrmın ryüzü Şekil 3.3 te verilen sistemin çlışm rlığındki genel seyrine kıldığınd, titrsyon eğrisinin doğrusllıktn spmsındn kynklnn ynıtım değişimleri dikkt çekmektedir. Burdn yol çıkılrk çlışm ölgesi dilimlendirileilir. Sistemin genel olrk ynıtımı yvş olduğundn, ort ph ölgelerinde kontrol edici kzncını rttırmk suretiyle ir kznç yrlmlı kontrol

5 ypmk uygun görülmüştür. Bu mçl deney süresince çeşitli ölgelerde ph değişim hızının, diğer ölgelerden yklşık kç kt frk tşıdığını tesit ederek; kontrol progrmının çlışmsı sırsınd okunn ph krk, kontrol edici çıktısının uygun görülen yklşık değerlerle çrpılmsı yolu izlenmiştir. Çrpnlrın sptnmsınd, en hızlı ynıtımın gerçekleştiği, z eslemesi hlinde 5,0<pH<5,7 ölgesi ess lınrk diğer ölgelerdeki seyrin de enzer hızd gerçekleşmesi hedefi ess lınmıştır. Mevcut çlışm koşullrı için seçilen kznç yrlm çrpnlrı Çizelge 3.1 de verilmiştir. Çizelge 3.1 Kznç Seçmeli Kontrolde Kullnıln Çrpnlr Besleme Türü ph rlığı Çrpn Bölge No. 5,0 5,7 1 1 Bz 5,7 7,0 1,8 2 7,0 8,0 1, ,0 5,5 1,4 4 Asit 5,5 6,7 3, ,7 8,0 1, Bölge 3 Bölge 6 PH 6.5 Bölge 2 Bölge Bölge 1 Bölge t(sn) Şekil 3.3 Çlışıln ph rlığının kznç yrlmlı kontrol mcıyl dilimlendirilmesi. 4. SONUÇLAR Kznç yrlmlı kontrol yklşımıyl ypıln ir deneyin grfiği (Şekil 4.1), yine ynı prmetrelerle fkt çrpnlr kullnılmdn ypılmış oln PID kontrol deneyinin grfiğiyle (Şekil 4.2) kıyslndığınd dh ttmin edici sonuçlr verdiğini söylemek mümkündür.

6 PH, PHref t(sn) Şekil 4.1 K c =100, τ ı =200, τ D =0,2 prmetreleriyle kznç seçmeli PID kontrol sonuçlrı PH, PHref t(sn) Şekil 4.2 K c =100, τ ı =200, τ D =0,2 prmetreleriyle elde edilen PID kontrol sonuçlrı. SİMGELER KAYNAKLAR C Asit derişimi,m C Bz derişimi,m F Asit hcimsel deisi,dm 3 /dk F Bz hcimsel deisi,dm 3 /dk K su Suyun çözünürlük çrpımı K su Suyun çözünürlük çrpımı V Hcim, L t Zmn,s x Bz dönüşüm ornı x Asit dönüşüm ornı 1. Doherty, S.K., Control of ph in Chemicl Processes Using Artificil Neurl Networks, Doktor Tezi, School of Engineering, Liverpool John Moores University, İngiltere, Gündüz, T., Klittif Anliz Ders Kitı, Bilge Yyıncılık, Ankr, Loh, A.P., Looi, K.O., Fong, K.F., Neurl Network Modelling nd Control Strtegies for ph Process ; J.Proc.Control Vol. 5, No. 6, , Wrwick, K., Control Systems Introduction, Prentice-Hll, İngiltere, 1989