Distillation is the most widely used separation process in the chemical and petrochemical industries. The principal function of a distillation column is to deliver products meeting certain composition specifications. The need to conserve energy and to produce products in an optimum manner provides incentives for composition control of fractionator products. Although on-line analyzers such as Gas Chromatography(GC) have the advantage of directly measuring the product quality, the composition control has not been preferred yet because the online analyzers still suffer from large measurement delays, high investment and maintenance costs and low reliability.
In that respect, the estimation of the product compositions is an important problem related to the inferential control of distillation columns. Inferential measurement of the desirable attribute from other, more easily monitored parameters has a particularly exciting potential. Effective use of the secondary measurements such as tray temperatures will help us solve the measurement problems related to the composition control of distillation columns.
In this thesis, the estimation problems which arise from the lack of the composition measurements for distillation control are studied: For designing the linear static estimator, two approaches (i.e. projection and regression type estimators) have been discussed. The relationships between the estimators have been analyzed by considering an inversion problem. Design guidelines on the design of composition estimator via Partial-Least- Squares (PLS) have been presented: (1) the determination of the number of factors; (2) the selection of the secondary measurements; (3) the effect of the transformation and scaling. These guidelines may help us design a robust composition estimator.
In order to overcome the limitations of the linear composition estimators, which came from the nonlinearities of distillation system, a nonlinear static estimator based on the open equation-based technique has been proposed. The estimation problem has been converted to the nonlinear optimization problem and the formulated problem has been solved by using an NLP solver, MINOS5. It has been shown that the performance of the proposed nonlinear estimator is superior to those of the linear PLS estimators.
Additionally, the use of the secondary measurements has been adopted for developing a new nonlinear profile position observer, which would be useful to implement the control system using the nonlinear wave model (Han and Park,1993) into the real industries. The performance of the control system with the proposed profile position observer has been presented through the simulation study on a high- purity distillation column.
증류탑은 화학 및 석유화학 공업에서 가장 널리 쓰이는 공정이며 대표적인 에너지 다소비 공정으로 알려져 있다. 가장 기본적인 조업 목표는 생산물이 원하는 조성으로 분리되도록 하는데 있다. 에너지 절약 및 최적 조업에 대한 필요성이 중요해 지면서 증류탑의 조성제어는 중요성을 더해가고 있다. 증류탑의 조성제어에서 필수적으로 요구되는 실시간 조성측정은 대부분의 경우 GC(Gas Chromatography) 등의 분석기를 필요로 하지만 실질적인 적용에는 시간지연, 설치비용 및 보수비용 등의 문제로 인하여 많은 어려움이 있다. 이러한 실시간 측정기의 문제점들을 보완하기 위해서는 제2의 추론변수를 이용한 조성의 추정이 필요하다. 일반적으로 증류 공정에서 많이 쓰이는 추론변수로는 단온도(tray temperature)와 환류비 및 증기유속(또는 재비기에 들어가는 열량) 등이 사용될 수 있다. 이러한 제2의 추론 측정변수를 사용하는 추정기에 대한 연구가 수행되었다:
ㆍ 선형 조성 추정기:
대표적인 선형 조성 추정기로는 사영(projection) 형식과 회귀(regression) 형식의 추정기가 있다. 본 연구에서는 이들 추정기들의 구조를 분석함으로써 그들 상호간의 관계를 고찰하였고 이러한 고찰 결과로부터 구조적으로 회귀 형식 추정기의 일종인 PCR 또는 PLS 추정기가 사영 추정기보다 우수하다는 점을 보였다. 또한 PCR과 PLS 추정기의 설계에 대한 여러 가지 설계 지침을 제시하였다. 제시된 지침은 측정 잡음 및 응용 범위에 대해서 강건한 선형 조성 추정기를 설계에 도움을 줄 것으로 생각된다.
ㆍ 비선형 조성 추정기 :
선형 조성 추정기는 근본적으로 공정의 선형성을 가정하여 실제 증류탑이 보이는 비선형성으로 인한 추정성능의 저하가 있다. 따라서 비선형성을 효과적으로 고려하기 위해 open equation 기술을 이용한 비선형 조성 추정기가 제안되었다. 제안된 추정기는 증류공정에 대한 지배방정식을 그대로 이용하여 증류탑이 보여주는 비선형성으로 인한 추정성능의 저하를 보이지않으며 증류탑의 내부흐름 및 범람(flooding) 등의 모니터링 등에도 이용될 수 있는 장점을 가지고 있다.
ㆍ 비선형 프로화일 위치 추정기 :
파동 프로화일 위치(wave profile position)는 비선형 파동 이론을 이용한 제어계에서 필요한데 단조성(tray composition)의 측정이 요구되어 실공정 적용에 어려움을 가지고 있었다. 본 연구에서는 단온도를 사용하여 프로화일 위치를 추정하는 간단한 비선형 관측기(observer)를 제안하였다. 본 연구를 통해서 고순도 증류탑의 제어에 뛰어난 성능을 보이는 파동 이론을 이용한 제어 시스템에 제안된 기법을 사용함으로써 실공정 적용이 실질적으로 가능하게 하였다.
본 논문에서는 조성 측정 문제를 해결하기 위하여 측정하기 용이한 제2의 측정변수인 단온도를 이용하여 여러 가지 추정기 설계에 관한 연구가 수행되었으며, 제안된 추정기들은 증류탑의 조성제어 시스템의 구성과 실공정 적용에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
