Optimierungsbasierte Regelung eines reaktiven Simulated Moving Bed Prozesses zur Glukoseisomerisierung

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1 Otmerungsbaserte Regelung enes reatven Smulated Movng Bed Prozesses zur Gluosesomerserung Prof. Dr.-Ing. Sebastan Engell Dl.-Ing. Abdelazz Toum Dl.-Ing. Ahm Küer (Vortragender) Lehrstuhl für Anlagensteuerungstehn Bo- und Chemengeneurwesen Unverstät Dortmund a nlagen 1 s teuerungs ehn

2 Glederung Enletung Smulated Movng Bed Prozess Regelungsonzet Ergebnsse Smulaton Exerment Zusammenfassung und Ausbl 2

3 Enletung Gegenwärtger Weltmart für Frutosesru HFCS* umfasst über 5 Mllonen Tonnen/a Produton von HFCS : Hydrolyse von Stäre zu Gluose Gefolgt von Isomerserung von Gluose zu Frutose Frutose st süßer als Gluose und doelt so löslh führt zu HFCS42 Wetere Verarbetung notwendg (seletve Abtrennung Chromatograhe) *Hgh Frutose Corn Syru Reatve Chromatograhe st ene Alternatve Besonders geegnet für glehgewhtslmterte Reatonen Erlaubt sgnfante Verbesserung der Lestung des Prozesses Kontnuerlhe Trennung durh Smulated Movng Bed Tehnologe (Broughton 1961) Herausforderung für Prozessführung and Regelung 3

4 Chromatograhshes Prnz Enfaher Prozess sehr flexbel. Hohe Betrebsosten hohe Verdünnung der Produte und gernge Produtvtät. 4

5 Smulated Movng Bed Tehnologe Desorbent Desorbens D Zone IV... Raffnat B+D I II III IV A Extrat (A) Feed (AB) Zone I... Umshaltrhtung... Zone III Raffnate (B) B... Sold stream A+D Extrat Zone II A B A+B Feed Prozessntensverung: True Movng Bed (TMB) Pratshe Umsetzung als Smulated Movng Bed (SMB) Prozess: Adsorbens fxert n mehreren n Rehe geshalteten Enzelsäulen. Zylshes Wetershalten der En- und Ausgangsströme => Gegenstrom wrd smulert. Komlexer Prozess mt gemsht dsreter/ ontnuerlher Dynam. 5

6 SMB Chromatograhe: Prozessdynam Kontnuerlhe Flussraten und dsrete Shaltungen Identshes Profl n vershedenen Säulen m zylsh statonären Zustand Perodshe Ausgangsonzentratonen 6

7 7 Säulenmodell: General Rate Model Konveton Axale Dserson Parteldffuson Massenstrom zwshen Flüssg- und Festhase Adsortonsglehgewht Reaton ) ( 0 1 ) (1 )) ( ( )3 ( B A P b b b ax lq n b l b f q r r r r D t t q x u x D r r r t = = + = + + ε ε ε ε ε Adsortonssotherme Flüssghase Festhase

8 Gluosesomerserung 6 Säulen zu enem Kres zusammengeshlossen Ionenaustausherharz (Amberlte CR-13Na) Immoblsertes Enzym Sweetzyme T (Novo Nords Bondustral) Eluent (Wasser) Zylsh Statonärer Zustand Zone I Zone III Umshalten Extrat Zone II Gluose Eluent Extrat Gluose 8

9 Q De Regelungsonzet Engänge Q Q τ Fe Re y = A Ex B Ex ARe BRe Messung τ 0 ( τ 0 A Ex A Ex ( t) dt ( t ) + B Ex ( t)) dt Istwert Pur Ex Renhet Genererung otmaler Engänge über enen endlhen Horzont SMB Anlage Zustandsshätzer Parameter Shätzer Otmerer - 9 Pur * Ex Otmerungsbaserter Sollwert Regler

10 Prädtver Regler Vergangenhet etzt etzt Zuunft Anassung/Korretur enes Modells an de Anlage Sollwert w y u Otmerung der Stellgrößen anhand enes Modells H r H 10

11 Regelung/Parametershätzung Regelung (NLP) J mn( + = = β β β + s.t. H r x& H = y x ( Q + 10 f = ( De x h ( = ( x ) Mx u + u ) β ) T R β )) Gütefunton Frehetsgrade Prozessmodell Pur Pur = Ex + Pur Pur H Ex Exmn Ex H r max Pur H Ex Pur Exmn Renhetsanforderung als Nebenbedngung Maxmaler Druverlust 11

12 Regelung/Parametershätzung Regelgrößen werden her durh Nebenbedngungen ontrollert feasble ath solver FFSQP otmert m zulässgen Gebet n dem de Renhetsbedngung erfüllt werden Zustandsshätzer: Extended Kalman Flter Zustandsshätzung auf bewegtem Horzont mn ( J ( P) = Parametershätzung: ns N ( = 1 0 ( meas ( t) Re dt) Least-Squares Shätzer (E04UNF NAG-Lbrary) ) 2 12

13 Regelungsszenaro-Smulaton Pur Ex1 =70.0% Pur Ex60 =60.0% Pur Ex120 =65.0% H =10 H r =2 (Zylus=6*Tat) Abfall der Enzymatvtät Zylus 13

14 Regelungsszenaro - Exerment Prozessletsystem (Semens PC-S7) Dual-CPU PC 1.9 GHz Bedener Onlne Messung 14

15 Regelungsszenaro Exerment Konzentratonsrofle n der Reylemessstelle Gute Überenstmmung zwshen Smulaton und Exerment Modell räzse genug für rädtve Regelung Smulaton Exerment

16 Regelungsszenaro - Exerment Pur Ex60 =55.0% H =60 H r =1 (Tate) Renhetsuntershede von Tat zu Tat durh vershedene Längen Vertelung des Enzyms Temeraturen der Säulen Verletzung der Renhetsbedngung Start der Regelung 16