ETİL ASETAT ÜRETİMİNİN YAPILDIĞI TEPKİMELİ DAMITMA KOLONUNUN AYIRIMLI ( DECOUPLING ) PID KONTROLÜ

Transkript

1 Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul ETİL ASETAT ÜRETİMİNİN YAPILDIĞI TEPKİMELİ DAMITMA KOLONUNUN AYIRIMLI ( DECOUPLING ) PID KONTROLÜ Abdulwahab GIWA, Sülyman KARACAN Ankara Ünivriti, Mühndilik Fakülti, Kimya Mühndiliği Bölümü, Tandoğan, ANKARA agiwa@ankara.du.tr, karacan@ng.ankara.du.tr ÖZET Bu çalışma, trlşm tpkimindn til atat ürtim için kullanılan tpkimli dolgulu damıtma kolonuna ayırımlı PID kontrolünün uygulanmaı için amaçlanmıştır. Dny itmindn ld diln vrilr kullanılarak v MATLAB taki Sytm Idntification Toolbox yardımıyla pro tanımlama yöntmiyl proin modli, iltim fonkiyonları olarak kurulmuştur. Bu pro, gri akma oranı, blm oranı v kazan ııı olmak üzr 3 ayarlanabiln dğişkni v üt bölg ıcaklığı, tpkim bölgi ıcaklığı v alt bölg ıcaklığı olmak üzr 3 kontrol diln dğişkni içrmktdir. Proin dğişknlri göz önün alınarak v kurulan proin modli kullanılarak tkilşim ayırımcıları bulunmuştur v böylc çok dğişknli tpkimli damıtma proin üzrind ayırımlar yapılmıştır. Ayrıca, kurulmuş pro modli kullanılarak Ziglr-Nichol v Cohn-Coon yöntmiyl kontrol paramtrlri haplanmıştır. Haplanan kontrol paramtrlri kullanılarak ayırımlı PID kontrolü MATLAB/Simulink kullanılarak pro uygulanmıştır. Pro ayırımlı kontrol uygulandığında Ziglr-Nichol yöntmindn ld diln onuçlar Cohn-Coon yöntmindn ld diln onuçlarla karşılaştırılmıştır. Anahtar klimlr: Tpkimli damıtma, Etil atat, MATLAB, Pro tanımlama, Ayırımlı PID Kontrolü 1. GİRİŞ Son yıllarda, ntgr tpkimli ayırma prolri hm akadmik araştırma hm d ndütriyl uygulamalarda büyük ilgi çkmiştir [1]. Bu prolrdn biri, özllikl dönüşümün rakiyon dngin gör ınırlı olduğu zaman, tpkimli damıtmadır [2]. Tpkimli damıtma, ayırma v kimyaal rakiyon tk bir ünitd birlştirn bir işlmdir [3]. Tpkimli damıtma tarafından dönüşümün yükltilmi ağlanmaktadır v aynı zamanda rmay v işltm maliytlri azaltılmaktadır. Ek olarak, tpkimli damıtma, azotropluktan kaçınmak ytnğin ahiptir. Yalnız, rakiyon v ayırma ntgrayonu ndniyl, tpkimli damıtma karmaşık davranışlar rgilyn bir protir [4]. Bu ndnl, tpkimli damıtma prolrinin, özllikl dolgulu olanların, kontrolü hala ilgi çkicidir, çünkü bu pro gnllikl hm çok girdili - çok çıktılı ( MIMO ) hm d, öylndiği gibi, çok karmaşık bir protir. Ogunnaik v Ray (1994) a gör, n yaygın olarak çok dğişknli prolr uygulanmakta olan kontrol tkniği döngü ayırımıdır, yani, ayırımlı kontroldür ( dcoupling control ). Bu ndnl, tpkimli dolgulu damıtma kolonu, çok dğişknli bir pro olduğundan dolayı ayırımlı kontrol taviy dilmktdir. Ayrıca, Stphanopoulo (1984) a gör, ıcaklık kontrolü için, PID kontrol dicii önrilmktdir. Bu çalışmada, trlşmdn til atat oluşum tpkiminin mydana gldiği ürkli bir tpkimli dolgulu damıtma kolonunun ayırımlı oranal-intgral-türvl ( dcoupling PID ) kontrolü, üt bölg, tpkim bölgi v alt bölg ıcaklıkları kontrolü için, Ziglr-Nichol v Cohn-Coon yöntmlri kullanılarak, grçklştirilmiştir. 2. YÖNTEM 2.1 DENEYSEL YÖNTEM Pro tanımlama yöntmi kullanılarak, pro modlinin kurulmaı için kullanılan vrilr Şkil 1 d götriln dny itmindn ld dilmiştir. Dny itmi pilot ölçkli

2 CONVERTE R MODULE ANALOG INPUT MODULE Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul camdan yapılmış olan bir dolgulu kolondur. Kolonun yükkliği v çapı ıraıyla 150 v 5 cm dir. Kolon itmi, yoğunlaştırıcı, znginlştirm, atik ait blm, tpkim, tanol blm, ıyırma v kazan bölglrini içrmktdir. Tpkim bölgi Ambrlyt 15 katalizörü il doldurmuştur. Tpkim onucu oluşan maddlri birbirindn ayırmak amacıyla znginlştirm v ıyırma bölglri rachig halkalı dolgu maddlri il doldurulmuştur. Üt v alt ürünlr almak için iki tank kullanılmıştır. Kolon bölglrinin ıcaklıklarını ölçmk için ııl çiftlr kullanılmıştır. Bu ıcaklık dğrlri okunarak grçk zamanlı (on-lin) olarak bilgiayara dntim modüllri il aktarılmıştır. Ayrıca, gri akma oranını, kazana vriln ıı yükünü v kolona blm yapan pritaltik pompaların akış hızlarını bilgiayardan ayarlanmaı amacı il dntim modüllri kullanılmıştır. Bu modüllr bilgiayara bağlanmıştır v itm il bilgiayar araındaki vri alışvrişlrini, MATLAB ortamında yazılmış olan program kullanılarak, bu modüllr tarafından ağlanmıştır. Kolonda grçklşmkt olan dng tpkimi Dnklm 1 d vrildiği gibidir: Kq CH COOH C H OH CH COOC H H O (1) (Atik ait) (Etanol) (Etil atat) (Su) 2 (a) (b) Üt Ürün tankı Sıyırma Bölgi Tpkim Bölgi Znginlştirm Bölgi Yoğunlaştırıcı THERMOCOUPLE INPUT MODULE EtOH Tankı AcH Tankı EtOH Pompaı AcH Pompaı Kontrol Modullri Bilgiayar Kazan Alt Ürün Tankı Şkil 1. Tpkimli damıtma kolonu dny itmi: (a) Rim görünüşü; (b) Çizim görünüşü 2.2 PROSES TANIMLAMA YÖNTEMİ Pro tanımlama çalışmaında ilk önc proin dğişknlri blirlnmiştir. Bu çalışmada, proin kontrol diln dğişknlri olarak üt bölg ıcaklığı, tpkim bölgi ıcaklığı v alt bölg ıcaklığı, ayarlanabiln dğişknlr olarak i gri akma oranı, blm oranı v kazan ııı çilmiştir. Bu çiln pro dğişknlrin gör modl formları oluşturulmuştur. Oluşturulan modllrin (iltim fonkiyonu) formu Dnklm 2 4 t götrilmktdir. Dnklm 2 4 d bulunan paramtrlr, Sytm Idntification Toolbox yardımıyla modl paramtrlri haplanmıştır. T üt 1,1 1,1 d 1,1 1 R 1,2 1,2 d 1,2 1 F 2 1,3 1,3 d 1,3 1 Q (2)

3 Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul T T tp alt 2,1 2,1 3,1 3,1 d 2,1 1 d 3,1 1 R R 2,2 2,2 3,2 3,2 d 2,2 1 d 3,2 1 F F 2,3 2,3 3,3 3,3 d 2,3 1 d 3,3 1 Q Q (3) (4) 2.2 KONTROL YÖNTEMİ Bu çalışmanın kontrol algoritmaı MATLAB/Simulink yardımıyla oluşturulmuştur. Simulink t oluşturulan algoritma şmaı Şkil 2 d götrilmktdir. Şkil 2. Ayırımlı PID kontrol algoritmaı şmaı 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Dnklm 2 4 gör, Sytm Idntification Toolbox kullanılarak ld diln modl paramtrlri Tablo 1 d bulunmaktadır. Tablo 1. Pro iltim fonkiyonu paramtrlri İltim fonkiyonu (dak) T d (dak) g g g g g g g E-06 g g

4 T üt ( o C) Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul Tablo 1 bakılıra, bazı tatik kazançlar pozitif dğrlr ikn bazıları ngatif dğrlrdir. Bu tatik kazançların işart dğişikliği, karmaşıktan gln tpkimli damıtma kolonunun bir özlliğidir. Kazançlardan n yükk dğri olan modl tpkim bölgi il blm oranının araındaki modldir. Bunun ndni, tpkim bölgind hm tpkim hm d ayırma aynı zamanda olmaı v o bölgdki proin karmaşığındandır. Proin zaman abitlrin bakıldığında, n yükk dğr ahip olan modl alt bölg ıcaklığı il gri akma oranının araındaki modldir. Dmk ki pro hrhangi bir tki vrildiğind bu pro modl kımının yanıtı proin yatışkın hal glmini çok tkilmktdir. Tablo 1 d görüldüğü gibi, itmin n yükk gcikm zamanı yaklaşık 0.5 dakika olarak çıkmıştır. Yani, bu itmin çıktı dğişknlri girdi dğişknlrin tki vrildiğind çabuk yanıtlar alınmaktadır. Proin iltim fonkiyonu göz önün alınarak, ayırımlı kontrol için haplanan grkn ayırımcılar (D il ifad diln) aşağıdaki Dnklm 5 t götrilmktdir D (5) Ayrıca, proin iltim fonkiyonu kullanılarak hm Ziglr-Nichol hm d Cohn- Coon kontrol ayarları il itmin kapalı döngü davranışları inclnmiştir. Sitmin kapalı döngü davranışlarının inclnmi için proin kontrol diln dğişknlrin t noktalarına pozitif tkilr vrilmiştir. Üt bölg ıcaklığına, tpkim bölgi ıcaklığına, v alt bölg ıcaklığına ıraıyla 0.5, 0.4 v 0.3 baamak tkilri vrilmiştir. Etkilr vrildiktn onra, ld diln itmin yanıtımları Şkil 3 5 t görülmktdir Ziglr-Nichol 0.1 Cohn-Coon St noktaı t (dak) Şkil 3. Ziglr-Nichol v Cohn-Coon kontrol ayarları kullanılarak üt bölg ıcaklığının +0.5 t noktaı dğişikliğin kapalı döngü yanıtımlarının karşılaştırılmaı Üt bölg ıcaklığının kapalı döngü yanıtımları, hm Ziglr-Nichol hm d Cohn- Coon yöntmi için, Şkil 3 d götrilmktdir. Şkild görüldüğü gibi, hr iki yöntm için üt bölg ıcaklığının yanıtımı yaklaşık 15 dakika içind t noktaına gldiği anlaşılmıştır. Ancak, 4

5 T alt ( o C) T tp ( o C) Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul Cohn-Coon yöntminin kullanıldığında, üt bölg ıcaklığının yanıtımları daha çabuk olduğu gözlnmiştir Ziglr-Nichol Cohn-Coon St noktaı t (dak) Şkil 4. Ziglr-Nichol v Cohn-Coon kontrol ayarları kullanılarak tpkim bölgi ıcaklığının +0.4 t noktaı dğişikliğin kapalı döngü yanıtımlarının karşılaştırılmaı Şkil 4 t götriln yanıtımlar tpkim bölgin aittir. Şkild görüldüğü gibi, yaklaşık 31 dakika içind ancak yatışkın hal glmiştir. Üt bölg ıcaklığın yanıtımlarında olduğu gibi, Ziglr-Nichol ayar yöntmin gör, Cohn-Coon ayar yöntmi kullanılınca, tpkim bölgi ıcaklığı daha çabuk yanıt vrmiştir v aşım oranı daha düşük olduğu bulunmuştur t (dak) 5 Ziglr-Nichol Cohn-Coon St noktaı Şkil 5. Ziglr-Nichol v Cohn-Coon kontrol ayarları kullanılarak alt bölg ıcaklığının +0.3 t noktaı dğişikliğin kapalı döngü yanıtımlarının karşılaştırılmaı Alt bölg ıcaklığının yanıtımları Şkil 5 t vrilmktdir. Şkild görüldüğü üzr, Cohn-Coon yöntmin ait yanıtımın aşım oranı v yatışkın hal varma zamanı Ziglr- Nichol ayar yöntmin gör daha düşüktür.

6 Onuncu Ulual Kimya Mühndiliği Kongri, 3-6 Eylül 2012, Koç Ünivriti, İtanbul İki kullanılan ayar yöntmi açık bir şkild karşılaştırılmak için kontrol prformanları haplanmıştır. Bu çalışmadaki kullanılan kontrol prformanları hatanın mutlak dğrlri toplamı (IAE) v hatanın karlri toplamı (ISE) dir. Hr kontrol ayar yöntmi için v üt bölg ıcaklığı, tpkim bölgi ıcaklığı v alt bölg ıcaklığı için haplanan prforman dğrlri Tablo 2 d götrilmktdir. Tablo 2. Kontrol yöntmlrinin prformanları IAE ISE Ayar Yöntmi T üt T tp T alt T üt T tp T alt Ziglr-Nichol Cohn-Coon Görüldüğü üzr, tpkimli dolgulu damıtma kolonunun kontrol dilmind kullanılan iki ayar yöntminin d iyi onuçlar vrdiği anlaşılmıştır çünkü kolonun hr bölgi için IAE v ISE dğrlri küçüktür. Cohn-Coon ayar yöntmiyl ld diln IAE v ISE dğrlri daha küçük olduklarından dolayı, Ziglr-Nichol ayar yöntmin gör daha iyi kontrol prformanı ld dilmiştir. SİMGELER DİZİNİ IAE Hatanın mutlak dğrlri toplamı ISE Hatanın karlri toplamı MIMO Çok girdili çok çıktılı PID Oranal-intgral-türvl K q Dng abiti T üt Üt bölg ıcaklığı T tp Tpkim bölgi ıcaklığı Alt bölg ıcaklığı T alt TEŞEKKÜRLER Yazarlardan Abdulwahab GIWA, doktora programını dtkldiği için, TÜBİTAK BİDEB çok tşkkür tmktdir. Ayrıca, bu çalışma il ilgili 09B No lu projy dtk vrn Ankara Ünivriti Biliml Araştırma Projlri Dtklm Birimin tşkkür driz. KAYNAKLAR [1] M. Völkr, C. Sonntag, S. Engll, Control of Intgratd Proc: A Ca Study on Ractiv Ditillation in a Mdium-Scal Pilot Plant, Control Enginring Practic, Cilt 15, [2] L.S. Balaubramhanya, F.J. Doyl III, Nonlinar Modl-Bad Control of a Batch Ractiv Ditillation Column, Journal of Proc Control, Cilt 10, [3] A. Giwa, S. Karacan, Simulation and Optimization of Ethyl Actat Ractiv Packd Ditillation Proc Uing Apn Hyy, Th Onlin Journal of Scinc and Tchnology, Volum 2, Iu 2, [4] A. Giwa, S. Karacan, Black-Box Modlling of Ethyl Actat Ractiv Packd Ditillation Column, AU Journal of Tchnology, 15, [5] B.A. Ogunnaik, W.H. Ray. Proc Dynamic, Modling, and Control, Oxford Univrity Pr, Nw York, [6] G. Stphanopoulo. Chmical Proc Control: An Introduction to Thory and Practic, Prntic Hall,