High-purity distillation columns have well known to pose a formidable controller design problem, resulting from unique characteristics, such as complex dynamics, high nonlinearity and interaction between the control loops.
Better understanding of the nonlinear and distributed nature of distillation columns is indispensable for improving distillation column in general. A high-purity distillation column shows highly nonlinear, distributed characteristics which are indicated by its sharp composition and temperature profiles, because only a small portion of the column is utilized for the major separation while other parts are only responsible for refining the products. The movement of the sharp profiles in distillation columns can be viewed as nonlinear "waves". Therefore, for maintaining product purity, it is necessary to prevent the sharp profile region from propagating to column ends, resulting in dramatic changes in product composition.
A new control scheme to deal with the nonlinear and multivariable distillation system has been developed. It is a model-based controller based on a nonlinear wave theory and the Generic Model Control (GMC) to control the profile position of high purity distillation columns. A nonlinear profile position observer has also been developed and proven to estimate the profile position of the column section with sufficient accuracy. The profile position controller (GMC) is used for instantaneous control to prevent the propagation of disturbances to column ends. However, the offset from the setpoint in product composition may occur when profile position of the column section is fixed at the specific point. Therefore, composition controller is employed and cascaded as a primary controller to remove the offset. The control scheme has been applied to the control of high-purity distillation columns ranging from moderate high-purity to very high-purity. It seems that the composition/profile position cascade control scheme can handle significant disturbances and model-plant mismatch.
The proposed control scheme has been applied and extended to a heat integrated double-effect distillation system and complex distillation configurations. The distillation systems are more complex, interacting and multivariable so that the conventional decentralized control scheme can not be applied easily. The double-effect distillation system poses a challenging 4×4 MIMO control problem. The control of the profile position in each column section is shown to overcome the nonlinearity and interaction of the double-effect distillation system. The complex distillation configuration with a sidestripper has three compositions to be controlled and four manipulated variables. The distillation configuration has four column sections. The control of the profile position in each column section has been achieved to provide a stable operation. The proposed control scheme shows far superior performance to the decentralized conventional control scheme.
고순도 증류탑은 제어기 설계가 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 그 이유는 고순도 증류탑의 독특한 특징인 복잡한 동특성, 상당히 큰 비선형성, 제어루프 간의 간섭으로 인한 것이다. 따라서 제어기 설계가 잘 이루어지기 위해서는 이러한 증류탑의 성질을 잘 이해할 필요가 있다.
고순도 증류탑의 비선형성및 분산성은 증류탑의 탑내 농도및 온도 profile중 경사가 큰 부분이 나타나는 것으로 이러한 부분에서 대부분의 분리가 일어나고 나머지 경사가 작은 부분은 제품을 정제하는 역할만이 주어진다. 이러한 경사가 큰 부분이 탑 양단으로 전파되어 나가지 못하도록 하는 것은 제품의 순도를 유지하는데 큰 역할을 할 수 있다.
이러한 비선형적인 다변수계를 취급할 수 있는 새로운 제어기가 제시되었다. 이 제어기는 고순도 중류탑의 profile position을 제어하는 model-based controller이다. 이 제어기는 nonlinear wave model을 Generic Model Control 이란 틀과 결합시켜 개발하였다. 또한 이 profile position을 estimate할 수 있는 profile position observer가 제안되었다. Profile position 제어는 제품 농도를 빠르게 안정화 시키는 것이 확인되었다. 그러나 profile position이 탑내 어느 한 위치에 고정될 경우 원하는 제품 순도와 약간의 offset가 발생하므로 이를 제거하기 위하여 composition/profile position cascade system 이 도입되었다. 이와같은 제어 구조는 일련의 모사 실험에서 상당한 외란과 model-plant mismatch를 처리할 수 있었으며 여태 까지의 다른 제어기들에 비하여 월등한 성능을 보였다.
개발된 제어구조를 heat integrated double effect distillation system 에 적용하였다. Double-effect 증류계는 4개의 column section을 갖으며 각 column section에서의 profile position 제어는 이와 같이 상호 간섭이 심하고 비선형성이 심한 증류계의 제어를 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다. 그동안 이 system에 적용되었던 제어 구조는 재래의 decentralized control scheme으로 가장 성능이 좋다고 보고된 ratio control scheme 과의 비교에서 제안된 제어기가 근본적으로 나온 성능을 가짐을 확인하였다.
Sidestripper를 갖는 complex distillation configuration 에 개발된 제어 구조를 확대 적용하였다. 이 증류계는 제어할 제품의 농도가 3이고 조작 변수가 4인 다변수 제어계로 비선형성과 상호 간섭이 심한 계이다. 이 system은 4개의 column section을 가지므로 각 section에 대한 profile position 제어를 행하였다. 이중 주탑의 가운데 section은 어느 제품의 농도와도 직접 관계를 갖지 않으나 이 section의 안정된 profile position 제어는 전체적인 증류계의 안정화에 크게 기여함을 확인하였다. 또한 이 section은 다성분계를 형성하므로 온도 profile position 제어를 행하였으며 이를 위해 새로운 profile position observer 가 제안되었다. 제안된 제어 구조는 기존의 decentralized SISO control scheme에 비하여 훨씬 좋은 성능을 보여주었다.
