Anlisis de Estructuras multi-lazo de control de pared divisoria Columnas de Destilacin empleo de un modelo fundamentalSalvador Tututi-Avila 1,2, Arturo Jimnez-Gutirrez 2 and Juergen Hahn 1, *Departamento de Ingeniera Biomdica, del Departamento de Qumica y de Ingeniera Biolgica,Instituto Politcnico Rensselaer, Troy, NY 12180-3590, EE.UU.; E-Mail: chavatututi@gmail.com2 Departamento de Ingeniera Qumica, Instituto Tecnolgico de Celaya, Ave. Tecnolgico y GarcaCubas S / N, 38010 Celaya, Gto, Mxico.; E-Mail: arturo@iqcelaya.itc.mxAutor a quien debe dirigirse la correspondencia; E-Mail: hahnj@rpi.edu;Tel .: + 1-518-276-2138; Fax: + 1-518-276-3035.

Recibido: 11 Noviembre 2013; en forma revisada: 23 de enero 2014 / Aceptado: 11 de febrero 2014 /Publicado: 24 de febrero 2014

Resumen: columnas de pared divisoria (DWCs) tienen un potencial significativo como energticamente eficiente procesos para la separacin de mezclas multicomponentes. Sin embargo, adems de un diseo eficiente en estado estable, dinmica y control tambin juegan un papel importante para el xito de una tecnologa. Esto es especialmente cierto para los sistemas de destilacin complejas. En este trabajo se investiga la dinmica de una columna de pared divisoria utilizan para la separacin de mezclas ternarias. Un modelo dinmico detallado basado en principios de la primera columna es el desarrollado en gPROMS.El modelo se utiliza para generar datos usados para el emparejamiento bucle de control a travs de la ganancia relativaParmetros de matriz (RGA) y del controlador se encuentran utilizando Modelo de Control Interno (IMC) sintonizacin. Las mejores estructuras de control para sistemas de DWC, con la participacin de cuatro diferentes mezclas ternarias, y dos composiciones de alimentacin diferentes para cada mezcla, se investigan.Keywords: dividing-wall column; distillation; petlyuk; IMC

Nomenclatura rea total de todos los agujeros activos bandeja de rea activaB Fondos caudal D Tasa de flujo de destilado F caudal de alimentacing GravedadH entalpa de vaporh entalpa de lquido altura del lquido en el vertederoL caudal de lquido1 caudal de reflujo caudal de lquido alimentado al prefraccionadorLquido total dejando la bandeja inferior de la seccin de rectificacinConstante de equilibrio vapor-lquido ganancia proporcionalS producto secundario longitud vertedero Nmero de componentes en la mezcla Nmero de etapas en la columna principal Nmero de etapas en el prefraccionador Etapa de interconexin lquido Vapor interconexin etapa Etapa corriente lateral Lunares de lquidos retenidos Lunares de lquidos retenidos en el tambor de reflujo moles de lquido retenido en la base de la columnaQ Calor transferidaDeber de calor del condensador Deber de calor caldernRR Relacin de reflujo T de la corriente lateral lquidaCaudal de vapor V alimentado al prefraccionador caudal de vapor Total de vapor dejando la bandeja superior de la seccin de separacinW Corriente lateral de vapor x fraccin molar lquida fraccin molar de A en el producto estrella fraccin molar de B en el producto de la corriente secundaria fraccin molar de C en el producto de colas fraccin molar del vapor11 fraccin molar del componente pesado en el escenario 11 en la parte superior de la prefraccionador fraccin molar de la alimentacin Smbolos griegos-pozo seco coeficiente de prdida de carga fraccin lquida fraccin de vapor factor de aireacin densidad molar coeficiente de fugacidad lquido coeficiente de fugacidad de vapor volumen molar lquida parmetro de filtro constante de tiempo tiempo integraltiempo muerto Subndices y superndicesL fase lquidaFase de vapor Vcomponente Nmero total de etapas NTj nmero de la etapa

1. IntroduccinLa separacin por destilacin, el proceso de separacin ms comn en la industria qumica y petroqumica industrias, consume una cantidad significativa de energa. Para abordar este punto, nueva destilacin estructuras, que mantienen la promesa de ser ms eficiente en energa, se han considerado recientemente.Los diseos convencionales de destilacin para la separacin de mezclas ternarias son las directas e indirectas secuencias. Las opciones alternativas, tales como arreglos acoplados trmicamente, se han demostrado para proporcionar importantes ahorros de energa ms las secuencias convencionales y, en algunos casos, el capital an ms bajo costes. En particular, la estructura totalmente acoplado trmicamente, o columna Petlyuk (Figura 1) [1,2], tiene recibido especial atencin. La disposicin Petlyuk consiste en un prefraccionador acoplado a la principal columna, utilizando dos corrientes de reciclo. Una implementacin de columnas Petlyuk que se ha utilizado en algunos instalaciones de produccin se compone de una columna de pared divisoria (DWC). DWCs son termodinmicamente equivalente al sistema Petlyuk [3]. DWCs divide la seccin media de un nico recipiente en dos secciones mediante la insercin de una pared vertical, por lo tanto, la implementacin de la configuracin Petlyuk en una sola concha [4-8].

Columnas de pared divisoria representan un ejemplo tpico de intensificacin de procesos ya que pueden traer reducciones significativas tanto en inversin de capital y los costos de energa de hasta el 30% [8-10]. En el ltimo par de dcadas, se han producido ms de 100 DWCs se encuentran en uso industrial en todo el mundo [3]. Tecnologa DWC ha demostrado ser una opcin viable, no slo a las mezclas de mltiples componentes separados, sino tambin para procesos que implican azeotrpica, extractiva y de destilacin reactiva.Los beneficios de la tecnologa DWC slo pueden lograrse con las estructuras de control adecuados que proporcionan una un funcionamiento estable y robusto del proceso de separacin. Control de las columnas de destilacin convencionales tiene ha estudiado ampliamente en la literatura, pero un menor nmero de estudios sobre el control de DWCs han sido reportado. En comparacin con un sistema de destilacin convencional, el control de un DWC es ms difcil debido a una mayor interaccin entre las variables controladas y manipuladas. Sin embargo, ha sido informaron de que las secuencias acopladas trmicamente tienen buenas propiedades de controlabilidad [11,12], siempre que se selecciona una estructura de control apropiado [9]. Controlabilidad y el efecto de un funcionamiento ptimo en diferentes estructuras de control han sido investigados en varios documentos de [13-17]. Uno particularmente relevante estudio es el uno por Ling y Luyben [18], donde se proponen una estructura de control que aade una lazo de control adicional a la estructura de control DB-LSV tres puntos utilizado por Wolff y Skogestad [19], a fin de reducir las necesidades de energa. Mutalib y Smith [20] investigaron la operacin y control de DWCs, con configuraciones de control determinados por matriz de ganancia relativa (RGA). Informaron que DWCs lograr un funcionamiento estable con DB-LSV y configuraciones de control LB-DSV multiloop.Recientemente Kim et al. [21] investigaron las estructuras de control de temperatura de dos puntos para los tres diferentes sistemas bajo diferentes condiciones de alimentacin. Recomendaron la (L, S) y (V, S) estructuras de control. PI controladores se han reportado para proporcionar un funcionamiento estable en DWC [16,20]. Ling y Luyben [18] utiliza una metodologa secuencial para sintonizar los controladores Proporcional Integral (PI). Otros autores han utilizado diferentes metodologas y tcnicas de ajuste, por ejemplo, tuning basado en la convergencia minimizando ndices [22,23]. IMC de sintonizacin de PI / PID tambin ha sido considerado para controlar ternario hipottico sistemas en DWCs [24,25]. Un aspecto clave para evaluar el desempeo de los sistemas de control aplicados a DWCs es el rigor del modelo que los controladores se aplican a. Los ms utilizados modelos dinmicos implican varios supuestos simplificadores, que no puede ofrecer la ms realista escenario para la evaluacin de las estructuras de control.

Este trabajo trata de abordar este ltimo punto en el que un riguroso, primero en principios basados modelo dinmico de un DWC se utiliza para la separacin de mezclas ternarias. Diferentes estructuras de control se analizan para identificar la estructura de mejor rendimiento para este sistema de destilacin compleja. Adems, diferentes mezclas y composiciones de alimentacin se consideran con el fin de explorar cmo las propiedades de la mezcla afectan a la seleccin de la mejor estructura de control.

2. Diseo y Modelado de DWCs2.1. Diseo de DWCsLos ahorros de energa reportados para DWCs se logran debido a la reduccin o eliminacin de la remezcla del componente intermedio observado en secuencias de destilacin convencionales. Diferente enfoques han sido reportados en la literatura para el diseo eficiente de la energa Petlyuk o DWC las columnas. Por ejemplo, Triantafyllou y Smith [26], y Hernndez y Jimnez [27], han presentado metodologas sistemticas, mientras Dnnebier y Pantelides [28], y Grossman et al. [29], han utilizado tcnicas de programacin matemtica. En este trabajo la metodologa propuesta por Hernndez y Jimnez [27,30] para el diseo de la divisin de columnas de pared se utiliza con un mnimo consumo de energa.Un diseo bsico se obtiene a partir de la primera utilizacin de mtodos de acceso directo para un homlogo no integrado, basado en las columnas convencionales (un prefraccionador seguido por dos columnas de destilacin binarios). Estado estable simulaciones rigurosas de la estructura trmicamente acoplada entonces se llevan a cabo usando gPROMS para probar el diseo preliminar; en este paso, se hacen ajustes a la estructura de bandeja segn sea necesario de manera que la diseo cumple las purezas especificadas de productos. Por ltimo, dos grados de libertad an no se han especificado, que se utilizan para obtener las condiciones que proporcionan el mnimo consumo de energa. En este caso, el procedimiento de bsqueda proporciona los valores ptimos de la velocidad de flujo de vapor de interconexin (VP) y la interconexin caudal lquido (LP).2.2. Ecuaciones del modeloModelado dinmico de DWCs ha recibido mucha atencin en las ltimas dos dcadas. Halvorsen y Skogestad [31,32] presenta un modelo simplificado que se ha utilizado en varios de control estudios [24,33-35]. Asumieron volatilidad relativa constante, no hay balances de energa y los cambios en entalpa, un linealizadas dinmica de lquidos, no hay dinmica del flujo de vapor, y una cada de presin constante.Hernndez y Jimnez [30] presentan un modelo dinmico basado en una etapa de equilibrio de masa y usando balances de energa, suponiendo ideales de equilibrio lquido-vapor, balances energticos algebraicas y constante presin. Este modelo tambin se utiliz en los estudios de control [11,22]. En contraste con estos modelos, un riguroso dinmica primer modelo basado en principios se desarrolla en este trabajo e implementado en gPROMS. Los detalles del modelo se dan en el Apndice.

3. Columna Investigado y Diseo ControladorEstudios de simulacin requieren un diseo de columna y una mezcla especfica para las simulaciones dinmicas. Este estudio se basa en mezclas ternarias ABC, siendo A el componente ms voltil y C el ms pesado componente. Cuatro mezclas con tres valores significativamente diferentes de su facilidad de separabilidad ndice (ESI) [36] se consideran. La tabla 1 muestra las mezclas estudiadas en este trabajo, junto con suValores de ESI. Una mezcla de n-pentano (nC5), n-hexano (nC6), y n-heptano (NC7), que se ha utilizado en varios estudios de la literatura [22,23,37] (con un valor de aproximadamente 1,0 ESI), sirve para ilustrar en detalle el procedimiento usado para el diseo y control. Los resultados para las otras mezclas son resumido en la Seccin 4.Tabla 1. mezclas ternarias considerados en este trabajo.

El caudal de alimentacin se toma como 12,6 mol / s de un lquido saturado, con una composicin molar de 40%, 20%, y 40% para los componentes nC5, nC6, y NC7, respectivamente. Purezas especificadas de productos de 98% en moles para todos los componentes fueron asumidos. El diseo de presin se estableci con el fin de asegurar el uso de agua de refrigeracin en el condensador. Propiedades termodinmicas se estimaron usando la ecuacin SRK del estado. los detalles de las condiciones de diseo y operacin resultantes en ambas secciones de la columna se presentan en la Figura 2.

La Figura 3 ilustra los perfiles de composicin lquida de la columna. Se puede observar que la corriente lateral, que proporciona la produccin del componente intermedio, se extrae de la bandeja con la composicin mxima de este componente; esto es coherente con los principios detrs de un diseo adecuado de columnas Petlyuk energticamente eficientes.Figura 3. Comparacin de los perfiles de composicin lquida de la columna principal y de la prefraccionador calculada por el modelo gPROMS, un modelo de Aspen Plus, y un modelo simplificado de la literatura.

Para comparar los resultados gPROMS con modelos de otras herramientas comerciales (Aspen Plus por AspenTech) y con el uso de un modelo simplificado informado [31,32], se obtuvieron perfiles de composicin de cada modelo. La Figura 3 muestra que los perfiles obtenidos con Aspen Plus son bsicamente idnticos a los obtenidos con gPROMS; los perfiles obtenidos con el modelo simplificado, por otro lado, difieren claramente en algunos puntos del modelo riguroso. La diferencia entre el modelo riguroso de este trabajo y modelos simplificados de la literatura se har ms notable para las mezclas no ideales, aunque los modelos simplificados son de uso general para los estudios preliminares de diseo; en tal caso, un paso siguiente diseo requerira la determinacin rigurosa de temperaturas, presiones, caudales, corriente de composiciones de la corriente, y las tasas de transferencia de calor en cada etapa, mediante la resolucin de material equilibrio, balance de energa, y las relaciones de equilibrio para cada escenario. En lo que se refiere al modelo de estado estacionario de Aspen Plus, se obtuvo slo para fines de comparacin del estado estacionario, sin uso adicional en este trabajo como simulaciones dinmicas se llevaron a cabo siguiente.

3.1. Anlisis RGA y PI Controlador AfinacinLa tarea de diseo del sistema de control DWC implica la seleccin de variables controladas y manipuladas y el diseo de la estructura de control a travs de la vinculacin de entrada-salida. Operacin DWC incluye siete variables que pueden ser manipulados: caudal de reflujo (1), tasa () flujo de corriente secundaria, hervidor deber (), deber condensador (), la relacin de lquido de divisin (), caudal destilado (), y fondos ndice (B) fluyen. Estas variables se pueden utilizar para controlar siete variables de proceso, que son las purezas de las tres corrientes de producto (xA, xB, XC), la impureza componente pesado en la parte superior de la prefraccionador (11 (7)), la sostienen en el tambor de reflujo (), y la bodega en el caldern (). La presin de la columna es comnmente controlada por la eliminacin de calor () obtenido para cerrar el balance de calor, como refrigeracin del condensador tiende a ser bastante variable y difcil de medir [38]. Dos grados de libertad adicionales se fijan con el control de los niveles de lquido en el tambor de reflujo y en el caldern de la columna. El nivel (o sostener) del reflujo tambor y el caldern se puede controlar con las variables 1 (reflujo) o D (destilados) y V (vapor de ebullicin arriba) o B (fondos), respectivamente. En consecuencia, hay cuatro opciones de control de inventario para estabilizar la columna y para el control de la bodega (o nivel) en el reflujo del tanque y la bodega (o nivel) en el intercambiador de calor, es decir, las combinaciones DB, DV, LB, y BT [ 39]. Para las columnas de destilacin convencionales, el hold-up del tambor de reflujo () se controla tpicamente mediante la manipulacin de la tasa de flujo de destilado (), y el lquido se sostiene en la base de la columna () mediante la manipulacin de las partes inferiores tasa () fluyen [40]. ndices de controlabilidad se pueden aplicar para obtener informacin sobre el comportamiento del proceso para determinar una estructura de control apropiado [17]. En este estudio, se emplea la matriz de ganancia relativa (RGA) [41,42] para determinar el emparejamiento de las variables controladas y manipuladas. Con el fin de identificar los parmetros de la dinmica del proceso, se implementaron cambios de paso de 0.1% del valor de estado estacionario en las variables de entrada y se registraron las respuestas dinmicas lazo abierto. Las respuestas dinmicas eran aptos para transferir funciones y dispuestos en una matriz de funcin de transferencia, despus de lo cual se calcul la RGA. Para la estabilizacin DB comn ya se ha informado de esta mezcla particular, [22,37], la matriz de funcin de transferencia se da en la Tabla 2.

Los valores de la RGA para esta estructura de control se dan en la Tabla 3. El anlisis RGA para el control de estabilizacin DB indica que las tres variables manipuladas para ser utilizados para el control de las tres corrientes de producto son la velocidad de flujo de reflujo (1), el lado tasa de flujo de la corriente () y el deber de calor rehervidor (); un bucle de control adicional est dada por la manipulacin de una relacin lquido split () para el control de la composicin de componente pesado (11 (7)) en la parte superior de la prefraccionador, que se ha informado para minimizar el consumo de energa durante el funcionamiento transitorio [18 ]. El resultado es la estructura DB-LSV utilizado en varias obras [14,19,22], con un bucle adicional para ayudar a minimizar los requisitos de energa. La Figura 4 representa la estructura de control DB-LSV con el bucle adicional.

Para comparar el DB-LSV con otras estructuras de control, slo se considerarn las configuraciones prcticas. Por lo tanto, las estructuras de control multi-bucle considerados aqu son DB-LSV, DV-LSB, LB-DSV, y LV-OSD [34], con el lazo de control adicional para la composicin de componentes pesados (11 (7)) en la parte superior de la prefraccionador. Todas las estructuras de control se basan en lazos de PI en un marco multi-bucle. Ajustes del regulador PI se determinaron mediante el uso de reglas de sintonizado IMC [43-46]. Controladores proporcionales se utilizan para los controladores de nivel, ya que no se requiere ninguna accin para la integracin de control de nivel [18]. Los controladores de presin son de tipo PI con = 20 y = 12 min [47]. La tabla 4 muestra los valores de los parmetros del controlador para los controladores PI para cada lazo de control. Tabla 4. Valores de los parmetros de los controladores PI obtienen utilizando tuning IMC.

3.2. Resultados y discusinLa simulacin dinmica DWC requiere la solucin de un sistema de 1.011 diferenciales y algebraicas ecuaciones en gPROMS. Adems, el modelo incluye muchas evaluaciones de la funcin de las propiedades termodinmicas, que no se cuentan por separado como ecuaciones. El modelo tambin incluye los lazos de control implementadas. La Figura 5 muestra las respuestas del sistema DWC para la configuracin DB-LSV. La Figura 6a ilustra las respuestas dinmicas del sistema en virtud de un ensayo reglamentario asumiendo una perturbacin de + 10% en la tasa de flujo de alimentacin en el tiempo = 0,5 h. La Figura 6b muestra los resultados dinmicos obtenidos para una perturbacin composicin de la alimentacin, donde la composicin de la componente de luz fue cambiado por + 10% con un ajuste proporcional de los otros dos componentes. Las tres composiciones de productos con esta configuracin de retorno de control para su puesta a punto de un plazo de tres horas o menos. La Figura 7 representa las respuestas dinmicas de la LB-DSV, que muestra ms largo tiempo de estabilizacin, as como sobreimpulso en comparacin con el DB-LSV y DV-LSB estructuras. Las composiciones de las tres corrientes de producto vuelven a sus valores de punto de set en 10 horas o ms. La estructura LV-OSD muestra un comportamiento similar a la estructura LB-DSV con incluso ms tiempo de estabilizacin (Figura 8). Las simulaciones dinmicas muestran que todas las estructuras de control investigados pueden rechazar perturbaciones en el caudal de alimentacin y en la composicin de alimentacin. Sin embargo, las estructuras de control LB-DSV y LV-OSD mostraron ms veces que el DB-LSV y los DV-LSB estructuras de sedimentacin. La principal diferencia entre estas estructuras de control es el control del nivel de tambor de reflujo utilizando el reflujo (L) o las tasas de destilado (D) de flujo. Aqu, la llamada "regla de Richardson" es compatible con los resultados; se sugiere utilizar el caudal de destilado para columnas de relacin de reflujo (RR