AAPC Rezolvate Cap11

7/22/2019 AAPC Rezolvate Cap11

1/12

Pagina nr. 1

1. Definiti sistemul chimi c. Structura unui sistem chimic. Ce intelegetiprin mrime de ieire, perturbatie si mrime de execuie. Aplicaie la o coloana defracionare.

Sistemulreprezint un ansamblu de elemente aflate n interaciune, cruia i sunt specifice oorganizare i un scop. Interaciunile sunt concretizate prin fluxuri de mas, energie i/sau

informaie. Scopul asociat fiecrui sistem depinde de destinaia acestuia.

Structura unui sistem chimic: I-vectorul intrare; Y -vectorul ieire;P- vectorul perturbaii; U-vectorul comand.

Y

Starea sistemului chimic este dat de variabilele termodinamice: temperatura T, presiuneaP,concentraia C

Mrimile de intraresunt mrimile independente asociate unui sistem. Mrimile de intrare suntfluxuri de mas i/sau energie care intr sau ies din sistem. Aceste mrimi pot fi utilizate dreptcomenzi iar alte mrimi, fluxuri materiale sau energetice, care variaz aleator influenndnefavorabil sistemul, fapt pentru care aceste mrimi sunt considerate perturbaii. Comenzile iperturbaiile asociate unui sistem reprezint mulimea variabilelor independent, figura 1.1.

Mrimile de ieiresunt mrimi dependente i sunt asociate n general calitii produselorrezultate n sistemul chimic i uneori cantitii acestora. Valorile mrimilor de ieire depind

direct de valorile comenzilor i ale perturbaiilor ct i de modelul matematic al sistemului.

2. Sistem cu parametri i concentrati:definiie, exemplu de proces chimic,prezentati modelul matematic in regim stationar al procesului, prezentatiaspecte specifice sistemelor automate specifice acestei categorii de procese

chimice.

Sistemele cu parametri concentraisunt acele sisteme la care functia f(M) este constanta.

Exemplul de sistem cu parametri concentrai l reprezint un vas sub presiune. In interiorul vasuluiparametrul de stare presiunea are aceleai valori indiferent de poziie.

- Starea sistemului chimic este dat de variabilele termodinamice: temperatura T, presiuneaP,concentraia C

- n cazul n care funcia f(M) nu mai este constant, sistemul este cu parametri distribuii.Exemplul caracteristic l constituie reactorul tubular (riserul de la instalaia de cracare catalitic).Pentru acest tip de reactor, variabilele de stare, presiunea, temperatura i concentraia, au valoridependente de poziia curent a punctuluiMn interiorul reactorului.


2/12

Pagina nr. 2

Sistemele monovariabile sunt acele sisteme care sunt caracterizate printr-o singur mrime de intrare i o singurmrime de ieire. n aceast categorie se gsesc sisteme de reglare automat asociate unui singur parametru(temperatur, presiune, nivel).

Sistemele multivariabile sunt sisteme caracterizate prin mai multe variabile de intrare i mai multe variabile deieire. Exemplu de sistem chimic multivariabil l reprezint procesul de fracionare al unui amestec binar. Acest

proces este caracterizat prin dou variabile de intrare (comenzile procesului) i dou variabile de ieire (concentraiacomponentului volatil n distilat i n reziduu). Fiecare mrime de intrare (comanda procesului) influeneaz ambelemrimi de ieire.

3. Automatizarea unui cuptor tubular,mrimile care caracterizeazaprocesul chimic, schia sistemului de conducere, definii rolul fiecrui sistemde reglare automata.

Mrimile ce caracterizeazsistemul chimic sunt urmtoarele : YT = [Ties, Tg, cg ]; UT = [Qc,Qaer, Qab ]; PT = [Qp, Tin, Taer, qinf ].

Structura sistemului de conducere are n compunere patru sisteme de reglare automat.

- Sistemul de reglare a temperaturii materiei prime- are rolul de a nclzi materiaprim la o anumit temperatur- Sistemul de reglare a presiunii combustibilului lichid, -are rolul de a realizadispersia lichidului n picturi cu diametru foarte mic.- Sistemul de reglare a presiunii difereniale abur/combustibil, - are rolul de-acrete

gradul de pulverizare- Sistemul de reglare a concentraieioxigenului n gazele de ardere.are rolul de-acreste calitatea arderii ce reprezinta un parametru economic al procesului de combustie.


3/12

Pagina nr. 3

Cuptorul tubular este destinat nclzirii i vaporizrii pariale a petrolului supus prelucrrii. Dinpunct de vedere constructiv cuptorul este vertical, avnd o zona de radiaie i o zon deconvecie. Cuptorul funcioneaz cu aer cald insuflat, combustibilul lichid utilizat fiind pcura

4. Automatizarea unei coloane de fracionare',mrimile care caracterizeazaprocesul chimic, schia sistemului de conducere, definii rolul fiecrui sistemde reglare automata.

Mrimile care caracterizeaz sistemul chimicsunt urmtoarele : Y= [xD,xb, P ]; U= [L, Qa, QL];P=[F, xF ].

Sistemul de conducere are o structur compus din cinci sisteme automatecu aciune dup abatere:

- dou sisteme sunt destinate reglrii concentraiei distilatului i reziduului; (au ca ageni dereglare debitul de reflux pentru reglarea compoziiei distilatului i debitul de abur pentrureglarea compoziiei reziduului)au de-a regla calitatea produselor separate.- dou sisteme regleaz nivelul n vasul de reflux i n baza coloaneiau rolul de-a nchidere abilanului material pe coloan i de realizare a siguranei n exploatare

- un sistem automat este destinat reglrii presiunii n coloan.are rolul de-a menineconstant echilibrul lichid-vapori.

Se consider o coloan de fracionare a unui amestec binar (etilen-etan, propilen-propan).Coloana este prevzut cu un refierbtor pentru generarea fluxului de vapori prin coloan i uncondensator utilizat la obinerea refluxului lichid. Alimentarea , coloanei, caracterizat prin


4/12

Pagina nr. 4

debitulFi concentraiaxF,este separat n dou fluxuri: distilatulD,bogat n componenta maivolatil i reziduulB,srac n componenta volatil.

5. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice:enumerai4 etape de proiectare a sistemelor de conducere a proceselor chimice,

detaliati metoda clasica utilizata la formularea obiectivelor reglrii.

1. Formularea obiectivelor reglrii2. Identificarea variabilelor de ieire3. I denti fi carea vari abilelor de intrare4. Identificarea restriciilor5. Caracter izarea modulu i de operare6. Sigurana n funcionare7. Proiectarea structur ii de reglareMetoda clasicconst n descompunerea instalaiei chimice n procese unitare iautomatizarea fiecrui proces unitar n parte. Astfel, dac o instalaie are n structura sa uncuptor tubular, un reactor chimic i un sistem de coloane de fracionare, toate aceste utilajeasociate proceselor unitare corespunztoare vor fi automatizate individual, fr a ine cont derelaia i interaciunea dintre ele. Aceast abordare a problemei reglrii este deficitar,deoarece, datorit unor conflicte ntre obiectivele reglrii fiecrui proces unitar pot apareconflicte.

6. Proiectarea sistemelor de conducere o proceselor chimice: detaliatimetoda Plantwide Control utilizata la formularea obiectivelor reglrii.

Etapa Formularea obiectivelor reglrii. Un proces chimic este constituit dintr-o

succesiune de operaii unitare (acumulare de lichid, acumulare de gaz,transfer de mas, transfer decldur, reacii chimice). Formularea obiectivelor reglrii poate fi realizat prin dou metode: metodaclasic i metoda Plantwide Control.


5/12

Pagina nr. 5

Metoda Plantwide Controlpermite abordarea reglrii proceselor chimice complexe,procese caracterizate prin existena reciclurilor de materiale sau de energie. Conceptul Plantwidecontrol reprezint o nou mod de stabilire a structurii de reglare a instalaiilor chimice custructura complex, instalaia fiind subiectul analizei procedurii de sintez a structurii de reglare.Plantwide control este utilizat numai n domeniul strategiei de conducere a proceselor chimice.

Plantwide control se refer la deciziile structurale i strategice implicate n proiectarea

sistemului de reglare a unei instalaii chimice complete (chiar a unei ntregi fabrici), iar

proiectarea structurii de reglare este abordarea sistematic (matematic) pentru rezolvarea

acestei probleme

Analiza sistemic a unei instalaii de izomerizare pe baza conceptului Plantwide Controla identificat urmtoarele etape:

a) reprezentarea in trare-ieirea sistemului chimic;b) identi f icarea subsistemelorsi reprezentarea interaciunilor dintre acestea;c) tratarea interaciunilorintre subsisteme si specificarea restriciilor;d) elaborarea structur ii de reglareaferente fiecrui subsistem izolat;e) bilanarea automata instalaiei.

7. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice:prezentatietapa identificrii variabilelor de ieire, problema semnalelor generate detraductoarele utilizate, aplicaie la identificarea variabilelor de ieire asociateprocesului de combustie.

Acestea pot fi clasificate n variabile msurabile i variabile nemsurabile. Variabilelemsurabile sunt acele variabile pentru care exist n prezent traductoare destinate msurrii acestora. Unelevariabile msurabile nu pot fi msurate datorit costului excesiv al sistemelor de msurat. n aceast situaieeste inclus msurarea concentraiei, care este deseori prohibitiv i ca atare nu este utilizat. Msurareaconcentraiei este recomandat pentru coloanele de fracionare care separ produse finite destinatecomercializrii directe.

Dup criteriul continuitii n timp, variabilele msurabile pot fi continue sau discrete,necesitnd utilizarea unor tipuri de traductoare specifice. n cadrul variabilelor continue n timp sunt inclusedebitul, temperatura, presiunea, nivelul, concentraia. Variabilele discretesunt variabilele logice, msuratecu ajutorul unor senzori specifici. Exemple de astfel de variabile sunt: un anumit nivel (minim sau maxim),

o anumit presiune, existena fenomenului de curgere, existena flcrii n cuptoare.Dup modul de transmisie al semnalelor generate de traductoare putem avea semnale

analogice de tipul 4-20 mA sau 0-5V i semnale numerice transmise prin protocoalele de comunicaieserial (RS485, HART) sau n reea (PROFIBUS, FIELDBUS).

8. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor chimice:prezentalietapa identificrii variabilelor de intrare, problema semnalelor generate detraductoarele utilizate, aplicaie la identificarea variabilelor de intrare asociateprocesului de combustie.


6/12

Pagina nr. 6

Acestea pot fi clasificaten perturbaii i ageni de reglare. Selecia agenilor de reglare trebuierealizat n funcie de disponibilitatea fluxurilor, amplificarea realizat asupra procesului i nu n ultimulrnd de gradul de disponibilitate i mrimea fluxului respectiv. Aceast operaie trebuie realizat n urmamodelrii i simulrii statice i dinamice a procesului chimic.

Perturbaiile unui proces chimic sunt mprite n perturbaii msurabile i perturbaiinemsurabile. Msurarea unei perturbaii poate fi realizat numai dac aceast mrime poate da indicaiiutile operatorului sau dac mrimea intervine n cadrul unui algoritm de reglare evoluat. Toate variabilele

de intrare pot avea variaii continue sau discontinue.

9. Proiectarea sistemelor de conducere a proceselor ch imice:prezentatietapa caracterizarii modului de operare, prezentati un exemplu de proces

operat continuu, prezentati specificul sistemelor automate de reglare pentru

modul continuu de operare.

In funcie de structur, procesul chimic poate fi operat n mod continuu, semicontinuu saudiscontinuu.

Procesele continue sunt reprezentate prin distilare atmosferic, reformare catalitic, cracare

catalitic. Pentru aceste procese sunt utilizate sisteme automate prevzute cu traductoare pentru variabilecontinue n timp. Procesele sunt operate pe perioade mari de timp, n condiii cvasiconstante, regimurilestaionare fiind foarte importane iar performanele tehnico-economice fiind n strns legtur cu acesteregimuri. Pentru creterea performanelor acestor procese se recomand proiectarea unor sisteme dereglare optimal, care s asigure funcionarea sistemului chimic la parametrii optimi.

10. Sisteme de reglare cu aciune dupa abatere:legea reglrii, structurasistemului automat, algoritmul de reglare proportional, exemplificare la un

sistem de reglare a temperaturii pentru un cuptor tubular.

Legea reglrii dup abatere. Sistemele automate din aceasta categorie au proprietatea de acompara n permanen starea curent cu starea de referin i atunci cnd constat apariia unor

diferene (abateri) ntre referin i starea curent emit comenzi pentru eliminarea abaterilor.

Cei mai rspndii algoritmi de reglare sunt: algoritmul proporional P, algoritmul

proporional- integrator PI i algoritmul proporional-integrator-derivator PID.

P- proces; T-

traductor; C- regulator; i- mrime de referin;EE- element de

execuie;

r- mrime de reacie;u- comand; m-

mrime de execuie; p-perturbaie; y- mrime de ieire


7/12

Pagina nr. 7

Regulatorul cu actiune dupa abatere :

EC= element comparator

BC= bloc de calcul

Blocul de calcul BC elaboreaza comanda u dupa

functia u=f(e) unde e este eroarea.

Pt comutatorul K=directe=i-r; iar pt comutatorul K=inverse=r-i

Altgoritmul proportional este descris in forma analogica de relatia u=u0+Kpek ;

kp=coeficient de proportionalitate(de amplificare); Sub forma discret, algoritmul regulatorului P devine

: uk=u0+Kpek , unde kreprezint momentul de timp la care se realizeaz eantionarea.

11. Sisteme de reglare cu aciune dupa abatere:legea reglrii, structurasistemului automat, algoritmul de reglare proportional-integrator,

exemplificare la un sistem de reglare a combustiei pentru un cuptor tubular.

Legea reglrii dup abatere. Sistemele automate din aceasta categorie au proprietatea de a

compara n permanen starea curent cu starea de referin i atunci cnd constat apariia unor

diferene (abateri) ntre referin i starea curent emit comenzi pentru eliminarea abaterilor.

Cei mai rspndii algoritmi de reglare sunt: algoritmul proporional P, algoritmul

proporional- integrator PI i algoritmul proporional-integrator-derivator PID.

P- proces; T- traductor; C-

regulator; i- mrime dereferin; EE- element deexecuie;

r- mrime de reacie; u-comand; m- mrime deexecuie; p-perturbaie; y-

mrime de ieire

Regulatorul cu actiune dupa abatere :

EC= element comparator

BC= bloc de calcul

Blocul de calcul BC elaboreaza comanda u dupa

functia u=f(e) unde e este eroarea.


8/12

Pagina nr. 8

Pt comutatorul K=directe=i-r; iar pt comutatorul K=inverse=r-i

Altgoritmul proportional integrator are expresia analogica:

Iar expresia discretizata are forma:

, unde reprezinta perioada de

esantionare

Implementare industriala :

12. Sisteme cu aciune dupa per turbatielegea reglrii, structurasistemului automat, determinarea algoritmului de reglare, exemplificare la

un sistem de reglare a temperaturii pentru un cuptor tubular.

Legea reglarii dupaperturbaie.Sistemele din aceasta categorie au proprietatea de a observa n

permanen evoluia perturbaiilor i atunci cnd constat modificri ale acestora emit comenzi decompensare a efectului perturbaiilor, simultan cu aciunea acestora, astfel nct starea curent s nu semodifice n raport cu starea de referin.

P- proces; T- traductor;

C- regulator; i- mrime de referin;

EE-element de execuie;

r- mrime de reacie; u- comand;

m-mrime de execuie;

p-perturbaie; y- mrime de ieire

Variatia y a marimii reglate este data de y=y1+y2, unde y1siy2 sunt variatiile marimii de iesire pecanalul natural si artificial de transmitere a efectelor perturbatilor.

Functia de trasfer a regulatorului cu actiune dupa perturbatie este

Determinarea algoritmului de reglare cu aciune dup perturbaie implic cunoaterea modelului procesului pe cele

dou canale.

In cazul n care funciile de transfer pentru cele dou canale nu pot fi determinate, algoritmul dereglare dup perturbaie se descompune n dou componente: o component a regimului staionar i ocomponent a regimului dinamic.


9/12

Pagina nr. 9

Modelul stationar al procesului :

In regim staionar, mrimea de ieire este egal cu mrimeaprescris, respectivy=i. Substituind formal mrimea prescris n locul

mrimii de ieire se poate obine o relaie care reprezint componentastaionar a algoritmului de reglare cu aciune dupperturbaie

Componenta dinamic poate avea forma ecuaiei difereniale : , =timpul mort pe canalul marime de executie-marime de iesire.

Structura de reglare a temperaturii asociata unui cuptor tubular:

13. Conducerea optimala a cuptorului tubular, caracteristica statica a cuptorului tubular,caracteristica statica a cuptorului prevzut cu SRA-T, algoritmul de optimizare.

Unui sistem chimic i se poate asocia o mrime suplimentar, numit, funcie de performan sau funcie obiectiv,cu ajutorul creia se apreciaz performanele funcionrii sistemului. Funcia obiectiv poate fi asociat regimuluistaionar sau dinamic, delimitnd astfel optimizarea dinamic de optimizarea staionar. Prin conducere conducereoptimala se intelege determinarea comenzilor uasociate sistemului chimic, astefel incat functia de performanta sa fie

minima(maxima).

Gmp - debit de materie prim;Tin/Ties- temperatura de intrare/ieire a materiei prime;B - debitul de combustibil; - coeficientul cantiti de aer;xO2- concentraia oxigenului n gazele de ardere.

Sistemul cuptor tubular este caracterizat prin mrimile :

Modelul matematic al procesului, Y=f(P,U),are forma:

ipFus ,

tuudt

dua

su


10/12

Pagina nr. 10

Caracteristica statica a cuptorului tubular prevazut cu SRA-T

Algoritmul de optimizareeste denumit regulatorul extremalpas cu pas. n cazul determinrii minimului, relaiile cecaracterizeaz regulatorul extremal pas cu pas sunt urmtoarele:

,avand conditiile initiale :

n care : k-pasul curent de explorare; u- valoarea argumentului funciei obiectiv; u valoarea pasului de cautare,Fob -valoarea functiei obiectiv; rsensul de explorare (1 pt. sensul de crestere, -1 pt. sensul de scadere)

14. Sisteme ierarhi ce de conducere automata',structura de conducere ierarhica aprocesului de fracionare propena-propan, schema bloc a regulatorului cu aciune dupaperturbatie, funcia obiectiv.

Sistemele de ierarhice de conducere automata au fost proiectate si realizate, in vederea cresterii eficienteieconomice, in raport cu industria chimica.

Fracionarea sau distilarea fracionateste cea mai rspndit operaie de separare a amestecurilor ncomponente pure sau fraciuni

Structura ierarhic de conducere a procesului de fracionare a amestecului propen-propan are 3 niveluriierarhice :

- Nivelul 1 al automatizrii de baz.- Nivelul 2 al reglrii concentraiilorproduselor separate cuaciune dup perturbaie- Nivelul 3 al reglarii optimale a procesului de fractionare.Schema bloc a regulatorului cu aciune dupa perturbatie pentrueste urmatoarea:

ukrkuku 1

1;11;1

kfkfkrkfkfkrkr

obob

obob

0

01

11

uu

uu

r

aaBib3iBob QcxBpM10xF 44


11/12

Pagina nr. 11

Regulatorul optimal asociat nivelului conine funcia obiectiv de forma

:

Legtura dintre variabilele funciei obiectiv i comenzile procesului este data de relaia

Qaeste debitul de abur [t/h]; ca- costul aburului [lei/t]; p-diferena dintre preurile devnzarea distilatului (propena)i a produsului din baz (propan) [lei/t]; B- debitul de produs din baz [kmol/h];xb- concentraia impus propenei nprodusul de baza [fracii molare].

15. Sisteme ierar hi ce de conducere automata:structura de conducere a procesului defracionare cu doua niveluri ierarhice, aspecte particulare ale funciei obiectiv, algoritmi

de determinare a minimului.

Reglarea optimala a coloanei de fracionare este o problema tehnico-economic, fiind dependent de evoluia

preturilor.

Astfel, n contextul modificrii preurilor celor dou produse, reflectate prinpssau a preului aburului ca,aspectul funciei obiectiv se schimb substanial, mergnd pn la dispariia punctului de optim n domeniul tehnic de

operare al coloanei.

Regulatorul optimal asociat nivelului conine funcia obiectiv de forma

:


12/12

Pagina nr. 12

Legtura dintre variabilele funciei obiectiv i comenzile procesului este data de relaia

Qaeste debitul de abur [t/h]; ca- costul aburului [lei/t]; p-diferena dintre preurile devnzarea distilatului (propena)i a produsului din baz (propan) [lei/t]; B- debitul de produs din baz [kmol/h];xb- concentraia impus propenei nprodusul de baza [fracii molare].

Pentru determinarea poziiei optimului au fost utilizai algoritmi din clasa metodelor de eliminare si anume :

- algoritmul Fibonacci,- algoritmul seciunii de aur,- algoritmul perechilor secveniale.

Documents

AAPC Rezolvate Cap11