KESİKLİ İŞLETİLEN PİLOT ÖLÇEKLİ DOLGULU DAMITMA KOLONUNDA ÜST ÜRÜN SICAKLIĞININ SET NOKTASI DEĞİŞİMİNDE GERİ BESLEMELİ KONTROLU

Transkript

1 KESİKLİ İŞLETİLEN PİLOT ÖLÇEKLİ DOLGULU DAMITMA KOLONUNDA ÜST ÜRÜN SICAKLIĞININ SET NOKTASI DEĞİŞİMİNDE GERİ BESLEMELİ KONTROLU B. HACIBEKİROĞLU, Y. GÖKÇE, S. ERTUNÇ, B. AKAY Ankara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü 6, Tandoğan, ANKARA ÖZET Yapılan çalışmada %3 luk metanol-su karışımı damıtılarak ayrılmaya çalışılmış ve üst ürün sıcaklığının set noktası değişiminde PID kontrol yöntemi ile kontrol altında tutulması amaçlanmıştır. PID parametrelerinin belirlenmesi için sisteme pozitif ve negatif basamak etki verilmiş ve sistemin göstermiş olduğu yanıtımlar sonucunda Cohen-Coon yöntemi [1] ile hesaplanan PID parametreleri pozitif basamak etki için Kc=5, τ I =17, τ D =3 ; negatif basamak etki için Kc=25, τ I =17, τ D =3 olarak hesaplanmış ve bu parametrelerin sistemi kontrol altında tutup tutamayacağı denenmiştir. Bulunan PID parametrelerinden Kc=25 değerinin sistemi iyi bir şekilde kontrol altında tuttuğu, ancak Kc=5 değerinin salınımlara sebep olduğu gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Pilot ölçekli kesikli dolgulu damıtma kolonu; Set noktası değişimi; Üst ürün sıcaklığı kontrolu 1. GİRİŞ Her sıvı ve katının bir buhar basıncı vardır ve sıvı sabit basınçta (örneğin atmosfer basıncında) ısıtılırsa buhar basıncı verilen ısı ile orantılı olarak artar. Sıvının buhar basıncının dış atmosfer basıncına eşit olduğu sıcaklığa, sıvının kaynama sıcaklığı veya kaynama noktası denir. Kaynama noktasında olan bir sıvıya daha fazla ısı verilirse sıvının sıcaklığı artmaz, ancak verilen ısı sıvının buhar haline dönüşmesini sağlar ve sıvının tamamen buhar halinde uzaklaşmasına kadar sabit kalır. Sıvıların bu şekilde ısı yardımı ile buhar haline dönüşmesi, bu buharın da tekrar yoğunlaştırılarak sıvı haline dönüştürülmesi suretiyle saflaştırılması işlemine damıtma denir. Damıtma, kimya mühendisliğinin yaygın ayırma yöntemlerinden biridir. Dolgulu kolonlar küçük fakat sürekli temas alanları gerektiren sıvı-gaz temas sistemlerinde, özellikle absorbsiyon ve damıtma işlemlerinde yoğun kullanım alanları bulunmaktadır [2]. Dolgulu damıtma kolonları sürekli ve kesikli işletilebilirler. Her iki durumda da amaçlar birbirinden farklı olabilmektedir. Kesikli işletilen dolgulu damıtma kolonunda minimum ısı yükünde maksimum verimlilikte üst ürün derişimi veya ayırma gücü istenir. Bunun için çeşitli parametrelerin (kazan sıcaklığı, üst ürün sıcaklığı, üst ürün derişimi, üst ürün akış hızı gibi değerler) kontrol altında tutulması gerekmektedir. Yapılan çalışmada %3 luk metanol-su karışımı uçuculuk farkı ile ayrılmaya çalışılmış ve üst ürün sıcaklığının geleneksel kontrol ya da üç terimli kontrol olarak bilinen PID kontrol yöntemi ile kontrol altında tutulması amaçlanmıştır.

2 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1. Proses Tepki Eğrisi Yöntemi Ayar değişkeninin değiştirilmesi ile sisteme etki verilir ve prosesin dinamik davranışı gözlenerek proses tepki eğrisi oluşturulur. Gerçekleştirilen bu proses tepki eğrisi yardımıyla prosesin zaman sabiti (θ) ve ölü zaman değeri (τ) bulunur [3]. Prosesin kazanç değeri ise kontrol edilen değişkende oluşan farkın ayar değişkeninde yaratılan farka oranıdır Geri Beslemeli Kontrol Edici Blok Diyagramı Kontrol edilen değişkenin değeri ölçülüp, sabit tutulması istenen değerle karşılaştırılıp ikisi arasındaki farka göre bir sinyal üretilir ve bu sinyal kontrol ediciye gider, kontrol ediciden bu sistemin kontrolunu sağlayan son kontrol elemanına başka bir sinyal yollanır ve bu sinyal son kontrol elemanının çalışmasını sağlayarak sistemin kontrol altında tutulmasını sağlar. Bu döngü ile çalışan sistemlere kapalı devre sistemler, bunun simge ile gösterilmesine sistemin kapalı devre blok diyagramı denir. Şekil 1 de bir sistemin basit olarak kapalı devre blok diyagramı verilmiştir. y istenilen değer + Kontrol edici Son kontrol elemanı Proses y çıkış değişkeni Ölçüm elemanı Şekil 1. Çalışılan dolgulu damıtma kolonunun kapalı devre blok diyagramı 2.3. PID Kontrol Ediciler PID kontrol edici transfer fonksiyonu Eşitlik 1 de verilmiştir. Burada Kc oransal kazanç, τ I integral zaman sabiti, τ D türev zaman sabitidir ve hesaplanması için literatürde çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Eşitlikte ilk terim oransal kontrol edici, ilk iki terim oransal-integral kontrol edici, her üçü birlikte ise oransal-integral-türevsel kontrol ediciyi oluşturur. PID kontrol edici görüldüğü gibi her üç kontrol şeklini de içinde barındırması ile birlikte sadece oransal veya oransal-integral kontrol edici olarak da kullanılabilir. Bu durumda hangi şekilde kullanılmak isteniyorsa bu terimler dışındaki diğer terimlerin sıfır olması sağlanır. 1 Gc( s) = Kc(1 + + τ Ds) s τ I (1) 2.4. Cohen-Coon PID Parametre Hesaplama Yöntemi Ayar değişkeninin değiştirilmesi ile sisteme etki verilir ve prosesin dinamik davranışı gözlenerek proses tepki eğrisi oluşturulur. Gerçekleştirilen bu proses tepki eğrisi yardımıyla prosesin kazancı, zaman sabiti ve ölü zaman değeri bulunarak Cohen-Coon yöntemi için kullanılan denklemlerde yerine konularak PID parametreleri belirlenir. Cohen-Coon yöntemi için kullanılan denklemler aşağıda verilmiştir [3].

3 1 τ 4 θ Kc = + K θ 3 4τ θ / τ τ I = θ θ /τ 4 τ D = θ 11+ 2θ / τ (2) (3) (4) 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Sistem Tanımı Çalışılan sistem, L lik kazan ve bu kazanın ısıtılabilmesi için Watt lık ısıtıcı manto, çapı 14.7 mm cam raschig halkaları ile doldurulmuş, 13 mm iç çapında ve 1.5 m yüksekliğinde kolon, kolon tepesinde geri akma oranı ayarlayıcı ve ürün alınan yoğuşturucudan oluşan QVF adlı firma tarafından üretilen pilot ölçekli bir dolgulu damıtma kolonudur. Sıcaklık ölçümleri iki adet Pt tipi rezistans termometre ile yapılmaktadır. Sistemin şematik görüntüsü Şekil 2 de verilmektedir. Şekil 2. Pilot ölçekli dolgulu damıtma kolonunun şematik görünümü[4]

4 3.2. Deneylerin Yapılışı Deneysel çalışmalara istenen derişimde ve hacimde hazırlanan metanol-su çözeltisinin besleme kazanına doldurulmasından sonra ısıtıcı mantonun devreye alınarak karışımın ısıtılmasıyla başlanmıştır. Kazandaki karışımın kaynama sıcaklığına ulaştığı ve bu sıcaklıkta sabit kaldığı ilk yatışkın koşula ulaşma anına kadar kolon tüm geri akma oranında işletilmiştir. İlk yatışkın hale ulaşıldığında, geri akma oranı sıfıra ayarlanarak önceden belirlenen PID parametreleri ve set noktası kullanılarak kontrol deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kontrol çalışmalarında kazana verilen ısı ayarlanarak üst ürün sıcaklığı on-line kontrol edilmiştir. Set noktası değişimi altında üst ürün sıcaklığının PID kontrolu sisteme on-line bağlı bilgisayardaki TEOS SCADA programı yardımıyla gerçekleştirilmiş ve deneyler boyunca üst ürün ve kazan sıcaklıkları ile % ısıtıcı gücünün zamana karşı değişimleri kaydedilmiş ve grafiksel olarak takip edilmiştir. 4. SONUÇLAR 4.1. Sistemin Dinamik Davranışını İçeren Sonuçlar Sistemin dinamik davranışını incelemek amacıyla çeşitli deneyler yapılmıştır. Şekil 3 ve 4 de görülen grafikler bunlardan bazılarıdır. Şekil 3 de ısıtıcı gücünün sistemi etkileyecek maksimum sıcaklığının görülmesi amaçlanmıştır. Şekil 4 de ise işletmeye alma çalışması yapılmış, ancak çalışmanın başlarında soğutma suyu az açıkken, sistem yatışkın koşula geldiğinde soğutma suyu akış hızı arttırılarak sistemi böyle bir değişimin nasıl etkileyeceği görülmüştür. Sistem ikinci yatışkın koşula ulaştığında pozitif ve negatif basamak etkiler verilerek proses tepki eğrisi (Şekil 5) ve Cohen-Coon yöntemi yardımıyla kontrol parametreleri hesaplanarak sistem uzerinde denenmiştir. Çizelge 1 de pozitif ve negatif etki için bulunan parametreler görülmektedir. 1 o S ıcaklık C) ( Isıt ıc ı Gücü (%) 3 Üst ürün sıcaklığ ı Kazan sıcaklığ ı Isıtıc ı Gücü Şekil 3. %'lık metanol-su karışımı için tüm geri akma oranında işletmeye alma grafiği

5 o S ıcaklık C) ( Soğ utma suyu akış h ız ın ın arttırılm ası Isıtıc ı Gücü (%) Üst ürün sıcaklığ ı Kazan sıcaklığ ı Isıtıc ı Gücü Geri akma oranı Set Noktası Geri Akma Oranı (% ) Şekil 4. %3'luk metanol-su karışımı ile kontrole başlama anına kadar gerçekleştirilen işletmeye alma grafiği Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Şekil 5. % 33.5'luk metanol-su karışımı ile yapılan deneyde geri akma oranı sıfır, ısıtıcı gücü %75 ve değerlerinde üst ürün sıcaklığının değişimi ile pozitif ve negatif reaksiyon eğrilerinin çizimi Çizelge 1. Pozitif ve negatif basamak etki için bulunan proses model parametrelerinin ve PID kontrol edici parametrelerinin karşılaştırılması Proses model parametreleri PID parametreleri Pozitif etki ile (Isıtıcı gücü %75 den % e) Negatif etki ile /Isıtıcı gücü % den %75 e) K θ τ Kc τ I τ D

6 4.2. Kontrol Sonuçları Isıtıcıya verilen pozitif ve negatif etkiden bulunan PID parametrelerinin sistemi kontrol altında tutup tutamayacağı denenmiştir. Şekil 6 ve 7 de de görüldüğü gibi parametrelerden Kc=25 değerinin iyi bir kontrol sağladığı, ancak Kc =5 değerinin salınımlara sebep olduğu sonucuna varılmıştır. 65 Sıcaklık ( o C) Tüst ürün Set Noktası Isıtıcı Gücü (%) 9 Isıtıcı Gücü 5 Şeki 6. %3'luk Metanol-Su karışımı için kontrol anında, set noktasının 58 o C'den 62 o C'ye ayarlanması, buna bağlı olarak üst ürün sıcaklığının ve ısıtıcı gücünün zamanla değişimi (Kc=5, τ ı =17, τ D =3) 65 S ıcaklık oc) ( 55 5 Üst ürün sıcaklığ ı Set Noktası Isıtıc ı Gücü (%) Isıtıc ı Gücü Şekil 7. %33.5'luk Metanol-Su karışımı için kontrol anında, set noktasının 58 o C'den o C'ye ayarlanması ve buna bağlı olarak üst ürün sıcaklığının zamanla değişimi (Kc=25, τ ı =17, τ D =3) KAYNAKLAR 1. Rao M., Qiu H Process Control Engineering, 1 st ed., Gordon and Breach Sci. Pub., Geankoplis C.J., Transport Processes and Unit Operations, 2 nd ed, Allyn and Bacon, 1983, Massachusetts. 3. Cohen G. H., Coon C. A., 1952, Theoretical Considerations of Retarded Control, Trans ASME, 75, p