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Tesis

On the design of chemical processes with improved controllability characteristicsSobre el diseño de procesos químicos con características controlabilidad mejoradas

Resumen

Tradicionalmente, el diseño de procesos y el diseño del sistema de control son realizados secuencialmente. La premisa subyacente en este enfoque secuencial radica en que las decisiones hechas en el diseño del proceso no limitan el diseño del control. Sin embargo, es sabido generalmente que pueden darse muy fácilmente diseños incongruentes. En la literatura, se describen dos clases distintas de consideran el desempeño del control de las alternativas de diseño desde las primeras etapas:
-Enfoques secuenciales anticipados: El diseño de proceso y el diseño del sistema de control se llevan a cabo secuencialmente; sin embargo, en la anticipación del diseño de control se toman en cuenta las propiedades de controlabilidad del proceso durante el mismo -Enfoques simultáneos: El diseño de proceso y el diseño del sistema de control se llevan a cabo simultáneamente
Este trabajo se centra en el primer enfoque. Se presentan los métodos y las herramientas que puedan asistir al diseñador de procesos en diseñar procesos que sean bien controlables. El diseño del sistema de control aún necesita realizarse posteriormente, pero el diseñador de procesos ya se ha anticipado a esto. Los métodos y herramientas presentados en esta tesis apuntan a las distintas etapas de la fase de diseño de procesos conceptual: formulación, síntesis, análisis y evaluación. Ante todo, las fases de síntesis y análisis deben dirigirse para superar algunas de las limitaciones de los enfoques secuenciales anticipativos. Ya que la mayoría de los procesos a escala operan en estado estacionario, este modo de operación ha sido la referencia para esta investigación. Sin embargo, como los modos dinámicos de operación se están volviendo cada vez más importantes, se hizo una exploración del potencial de operación periódica de la síntesis de Fischer-Tropsch. Esto ha llevado a los siguientes métodos y herramientas para operación en estado estacionario:
-Evaluación de controlabilidad termodinámica (Thermodynamic Controlability Assessment, TCA): Se presenta un método novedoso que le permite al diseñador considerar las características de controlabilidad en la etapa de síntesis de la fase de diseño de procesos conceptual. El método TCA está basado en la termodinámica del no equilibrio. La idea básica es que los procesos pueden ser descritos por fuerzas y flujos impulsores fundamentales, usando termodinámica del no equilibrio. Con esto, la esencia del diseño de procesos conceptual se convierte en establecer las relaciones entre los diversos flujos y fuerzas impulsoras. La producción de entropía en un sistema también es función de los flujos y fuerzas impulsoras. En esta tesis, se muestra como la sensibilidad de perturbación de los procesos está relacionada con la sensibilidad de la producción de entropía con respecto a las perturbaciones. -Métodos de análisis de controlabilidad: Se desarrollaron dos métodos novedosos de análisis de controlabilidad. El primer método es el análisis de controlabilidad de lazo cerrado. Este método compara el desempeño óptimo de lazo cerrado de los procesos expuestos a escenarios de perturbaciones estocásticas. El principal beneficio de este método es que compara alternativas de diseño basadas en el desempeño de lazo cerrado si suposiciones irreales con respecto al tipo de control a ser aplicado. El segundo es un método de análisis de interacción dinámica de dominio de tiempo. Este método es una extensión del Arreglo de Ganancia Relativa (Relative Gain Array, RGA). Se comparan los tiempos de respuesta de lazo abierto y lazo cerrado, debido a un cambio de paso de una variable manipulada.
-Reactor monolítico para síntesis Fischer-Tropsch: Para aplicar los métodos desarrollados, se escogió un proceso con potencial significativo: la síntesis Fischer-Tropsch. La síntesis Fischer-Tropsch es un proceso para convertir gas de síntesis (una mezcla de H2 y CO) en cadenas lineales de hidrocarburos. Un nuevo tipo de reactor prometedor para esta síntesis es un reactor monolítico. El grado de libertad de diseño más importante para este reactor es la conversión de paso simple, relacionada con la longitud del reactor. Tanto el método TCA como el indicador de controlabilidad de lazo cerrado son aplicados al reactor monolítico...

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