DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI SZAKASZOS REAKTOROK SZIMULÁCIÓJA ÉS IRÁNYÍTÁSA Készítette: dr. Nagy Lajos okleveles vegyészmérnök Konzulens: Dr. Szeifert Ferenc egyetemi docens Veszprémi Egyetem Folyamatmérnöki Tanszék Veszprémi Egyetem Vegyészmérnöki tudományok Doktori Iskolája 2005.
1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITZÉSEK A szakaszos rendszereket fleg a többtermék illetve a steril körülményeket igényl területeken alkalmazzák. Legtöbbször szabványos készülékeket (pl. zománcozott reaktor) használnak, amelyek könnyen átalakíthatók egy másik termék elállítására. A szakaszos (batch) és rátáplálásos (semi-batch) reaktorokat ezért elterjedten használják a gyógyszer-, élelmiszer-, fermentációsés finomkémiaiiparban. Szakaszos reaktorokat használnak kis mennyiség termékek elállítására, új terméket elállító technológiák kifejlesztése során, a nagyon drága, speciális termékek elállításakor, és olyan termékek gyártásánál, ahol a folyamatos technológia mszaki vagy gazdasági szempontok miatt nem megfelel. A szakaszos rendszerek, ezen belül különösen a szakaszos reaktorok modellezése, irányítása, szabályozása nehéz feladat. A nehézségeket fleg az okozza, hogy a szakaszos folyamatoknak általában nincs stacioner állapota és a folyamatok nem-lineárisak, amelyet legtöbbször a kémiai reakció során felszabaduló h okoz. A dolgozat a szakaszos rendszerek, ezen belül a szakaszos reaktorok modellezésével, szimulációjával és irányításával foglalkozik. A kutatás célja a különböz méret (laboratóriumi mérettl a félüzemi illetve ipari méretig) reaktorok leírására alkalmas modellek vizsgálata, azok irányítási célú felhasználásának értékelése, valamint olyan szimulációs programok kidolgozása, amely a reaktorok irányítására használt szabályozó algoritmusok vizsgálatára, a szabályozók paramétereinek meghatározására alkalmas. A kutatómunka során az is cél volt, hogy egy olyan laboratóriumi háttér jöjjön létre, amely lehetséget biztosít a kidolgozott algoritmusok valós fizikai körülmények közötti tesztelésére és a különböz megoldások összehasonlítására. 2. ALKALMAZOTT ESZKÖZÖK ÉS MÓDSZEREK A Veszprémi Egyetem Folyamatmérnöki Tanszékének laboratóriumában kialakítottam több folyamatirányított rendszert: a technológiafejlesztéshez használható 1 dm 3 -es automatizált üvegreaktor-rendszert, továbbá a félüzemi méret (50 dm 3 -es) - méretnövelési feladatok megoldására használható -. szakaszos technológiai reaktorrendszert. Mindkét rendszer alkalmas adatgyjtésre. A gyjtött adatok alapján a Matlab/Simulink programcsomag megfelel moduljai (pl. optimalizáló, identifikáló) segítségével történt a kidolgozott modellek paramétereinek meghatározása. A kidolgozott modellek, szimulációs programok alapján, 2
szintén Matlab/Simulink környezetben végeztem a szabályozó algoritmusok tesztelését, paramétereinek meghatározását. A már behangolt szabályozókat beépítettem a valós fizikai rendszert mködtet folyamatirányító szoftverbe, és így teszteltem a kidolgozott algoritmusokat. 3. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. A Folyamatmérnöki Tanszék technológiai laboratóriumában kialakítottam egy szakaszos rendszerek irányítási algoritmusainak kutatására, tesztelésére és méretnövelési feladatok megoldására használható üvegreaktorból és félüzemi méret reaktorból álló rendszert. 2. Kidolgoztam és összehasonlítottam a kialakított rendszerek különböz információtartalmú modelljeit. a. A vizsgált rendszereken gyjtött adatok alapján identifikálással meghatároztam a modellek paramétereit. b. Megvizsgáltam az elsrend, a tendencia és a részletes modell képességét és megállapítottam, hogy a tendencia modell egyszersége ellenére a részletes modellhez hasonló eredményt ad. c. Megállapítottam, hogy szabályozási célra a köpeny leírására részletesebb modellek szükségesek, mint a reaktor leírására. 3. Létrehoztam egy szimulációs programrendszert, amely alkalmas különböz szakaszos gyártórendszerek köpenyes reaktorainak és környezetének szimulációjára. a. Szimulációs vizsgálatok és fizikai mérések során kapott eredmények összehasonlítása alapján megállapítottam, hogy a kidolgozott szimulátor alkalmas a fizikai rendszer megfelel pontosságú leírására, és a szabályozók paramétereinek tervezésére, tesztelésére. Ezt a megállapítást az is alátámasztja, hogy számos ipari feladatot oldottunk meg a szimulátor segítségével. b. Az ismertetett szimulációs technika alkalmazásával a szabályozók paramétereinek meghatározása a fizikai rendszeren végzett kísérletezéssel történ hangoláshoz képest töredék id alatt elvégezhet. 3
4. Kidolgoztam egy receptura vezérl programot, amelyet a kutatómunka során használt Matlab/Simulink-es környezetbe illesztettem. a. A létrehozott rendszerrel reprodukálható mérések végezhetk, és jelents mértékben felgyorsítható a kutató-fejleszt munka. b. A rendszer segítségével a kutató-fejleszt munkára kevésbé alkalmas folyamatirányító rendszerbe a szimulációs technika integrálható. 5. Összehasonlítottam a reaktorok hmérsékletszabályozására elterjedten használt algoritmusokat (PID, dual mode, GMC, PCC). a. A vizsgált rendszerekre adaptáltam a tanszék kutatócsoportja által kidolgozott PCC elven mköd szabályozót. b. Megállapítottam, hogy a PCC elven mköd szabályozó mindkét rendszeren jobb eredményt ad, mint a többi vizsgált módszer. 6. Összehasonlítottam az üvegreaktor reakció kaloriméterként történ alkalmazásánál lehetséges két megoldást a. Megállapítottam, hogy a háram számolás elvén alapuló módszerrel (az adott mszerezés esetén) a hmérleg elvén alapuló számoláshoz képest pontosabb eredmény érhet el. b. Bebizonyítottam, hogy a különböz dinamikájú hmérk jelének közvetett mérésben történ felhasználásával a háram számolás pontossága jelentsen növelhet. 7. Kidolgoztam egy olyan túllendülést megakadályozó irányítási algoritmust a termosztáttal ellátott üvegreaktor hmérsékletszabályozására, amely jobb megoldást ad, mint a beépített (gyári) algoritmus. 8. Megvizsgáltam a különböz split-range megoldásokat. a. Bebizonyítottam, hogy a rendszer ersítésének eljele közegváltáskor változhat. b. Megállapítottam, hogy a monofluidos köpeny szakaszos reaktorok hmérsékletszabályozása a hagyományos split-range szabályozóval nem oldható meg, mert az objektum ersítésének eljele változik. 4
4. A DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ TUDOMÁNYOS KÖZLEMÉNYEK ÉS ELADÁSOK KÖZLEMÉNYEK: Abonyi J., Á. Bódizs, L. Nagy, F. Szeifert, "Hybrid Fuzzy Convolution Model Based Predictor Corrector Controller", Computational Intelligence for Modelling Control and Automation, IOS Press Holland, 265-270, ISBN 9-051-99474-5, 1999 Abonyi J., Á. Bódizs, L. Nagy, F. Szeifert, "Predictor Corrector Controller using Wiener Fuzzy Convolution Model", Hungarian Journal of Industrial Chemistry, 27(3), 227-233, 1999. Abonyi J., L. Nagy, F. Szeifert: Takagi-Sugeno Fuzzy Control of Batch Polymerization Reactors, Soft Computing In Engineering Design and Manufacturing (Eds.), P.K. Chawdry, R. Roy and R.K. Plant, Springer London, 1997, ISBN 3-540-76214-0, 1997 Madár J., F. Szeifert, L. Nagy, T. Chován, J. Abonyi, Tendency Modelbased Improvement of the Slave Loop in Cascade Temperature Control of Batch Process Units, European Symposium on Computer Aided Process Engineering -13, 467-472, (ESCAPE- 13 Lappeenranta, Finland, June 1-4, 2003), A. Kraslawski, I. Turunen (Eds.), Computer-Aided Chemical Engineering, Vol. 14, Elsevier, 2003 Nagy L., Szeifert F., Chován J. T.: Adaptív szabályozók nagylaboratóriumi technológiák irányításában. Mérés és Automatika, 39, 220-224 (1991). Szeifert F., Vass J., Nagy L.: Prediktor-korrektor elv szerint felépített adaptív szabályozási algoritmus, Automatizálás '89 kiadvány, Székesfehérvár, 501-511 (1989). Szeifert, F., Chován, J. T., Nagy L.: Adaptive Optimizing Control Algorithm for a CSTR, Comp. and Chem. Eng. 16-S, S197 (1992). Szeifert, F., Chován, J. T., Nagy, L.: Dynamic simulation and Control of flexible chemical technologies, Mérés és Automatika, 40, 24 (1992). 5
Szeifert, F., Chován, T., Nagy, L.: Process Dynamics and Temperature Control of Fed-Batch Reactors, Comp. and Chem. Eng. 19-S, S447 (1995). Szeifert, F., Nagy, L., Chován, T., Molnár, F.: Realistic model-based adaptive temperature control of batch reactors, Proc of ACASP '95, IFAC, 201-206, Budapest (1995). Szeifert, F., Nagy, L., Chován, T.,: Model-Based Temperature Control of Fed-Batch Reactors, Proc. of DYCORD+ '95, IFAC, Helsingor (Dánia, 1995). ELADÁSOK: Abonyi J., L. Nagy, F. Szeifert: Fuzzy Control of Batch Polymerization Reactors, IEEE International Conference on Intelligent Systems, INES'97, pp. 251-255, 15-17 Sept. 1997, Budapest Abonyi J., L. Nagy, F. Szeifert: Polimerizációs reaktorok fuzzy szabályozása, 20. Kémiai bemutató napok, 1997 október, Szeged Chován T., Szeifert F., Nagy L.: Neurális hálózat alapú szabályozási algoritmusok, Mszaki Kémiai Napok '94, Veszprém (1994). Érsek P., Szeifert F., Nagy L.: A priori modell alapú reaktorszabályozás: esettanulmány, Mszaki Kémiai Napok '95, Veszprém (1995). J. Abonyi, L. Nagy, F. Szeifert: Takagi-Sugeno Fuzzy Control of Batch Polymerization Reactors, 2nd On-line World Conference on Soft Computing (WSC2), June. 1997 Molnár, F., Morász, M., Szeifert, F., Nagy, L., Chován, T.: Modellbázisú algoritmusok a CHEMIFLEX rendszerben, Mszaki Kémiai Napok '93, Veszprém (1993). Nagy L, Szeifert F, Chován T.: Szimulációs programcsomag szakaszos technológiák fejlesztésére, Mszaki Kémiai Napok '99, Veszprém (1999). Nagy L., Árva P., Szeifert F., Chován T.: Nagylaboratóriumi gáztisztító irányítása, Mszaki Kémiai Napok '91, Veszprém (1991). Nagy L., Moser, K., Árva, P.: Folyamatirányított kristályosító rendszer létrehozása, Mszaki Kémiai Napok '92, Veszprém (1992). 6
Nagy L., Szeifert F., Chován T.: Reaktor irányítás rátáplálással, Mszaki Kémiai Napok '94, Veszprém (1994). Nagy L., Szeifert F., Chován, T., Molnár, F.: Szakaszos rendszerek hierarchiája, Mszaki Kémiai Napok '95, Veszprém (1995). Nagy L., Szeifert F., Kiss P., Kovács K,: Fejleszt és tesztel rendszer adaptív szabályozók és algoritmusok vizsgálatához, Mszaki Kémiai Napok '93, Veszprém (1993). Szeifert F,., Chován, T., Nagy, L.: Adaptive Optimizing Control Algorithm for CSTR. ESCAPE-1, Helsingor (Dánia, 1992). Szeifert F., Chován T., Nagy L.: Adaptív algoritmusok a reaktor irányításban, Mszaki Kémiai Napok '91, Veszprém (1991). Szeifert F., Chován T., Nagy L.: Process Dynamics and Temperature Control of Fed-Batch Reactors, ESCAPE - 5, Bled (Szlovénia, 1995). Szeifert F., Nagy L., Chován T.,: Model-Based Temperature Control of Fed-Batch Reactors, DYCORD+ '95, Helsingor (Denmark, 1995). Szeifert F., Nagy L., Chován, T., Molnár, F.: Realistic model-based adaptive temperature control of batch reactors, ACASP '95, Budapest (1995). Szeifert F., Nagy L., Chován T., Abonyi J.: Szakaszos Gyártó Rendszer Modell Bázisú Irányítása, Folyamatirányító Rendszerek IX. Találkozója (DCS 9), Lillafüred, 2003. Szeifert, F., Chován, T., Nagy, L.: Dynamic simulation and control, of flexible chemical technologies, Automation 92, Budapest (1992). Szeifert, F., Chován, T., Nagy, L.: Reaktorok optimalizáló irányítása, Mszaki Kémiai Napok '92, Veszprém (1992). Szeifert, F., Nagy L., Chován T.: A modellbázisú irányítás alkalmazási lehetségei, Mszaki Kémiai Napok '93, Veszprém (1993). 7