Convection-diffusion models for distillation columns : application to estimation and control of cryogenic air separation processes - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Convection-diffusion models for distillation columns : application to estimation and control of cryogenic air separation processes

Modèles de convection-diffusion pour les colonnes de distillation : application à l'estimation et au contrôle des procédés de séparation cryogéniques des gaz de l'air

(1)
1
Stéphane Dudret
  • Function : Author
  • PersonId : 769581
  • IdRef : 172439108

Abstract

This thesis addresses the problem of modeling the composition profiles dynamics inside cryogenic distillation columns, for control applications. We obtain a non-linear convection-diffusion model from the reduction of a singularly perturbed mass-balances model. In the control theory framework, we consider the stability of the resulting composition profiles and their observability. From the process viewpoint, we express the novelty of our model in terms of operating-conditions dependent packing efficiency. The model is validated against real dynamic plant data for a binary separation case. On a more complex, ternary separation columns cascade, the model shows highly sensitive to reflux rate estimation errors. Result adapted from the field of chromatography allows us to interpret this sensitivity in terms of erroneous coherent composition waves speeds. In parallel, we also propose and test a simple transfer functions model (based on static gains and pure delays only) for small composition dynamics, which explicitly depends on measurable or observable process data.
Cette thèse porte sur la modélisation, pour le contrôle, des profils de compositions dans les colonnes de distillation cryogénique. Nous obtenons un modèle non-linéaire de convection-diffusion par réduction d'un modèle d'équations-bilans singulièrement perturbé. Du point de vue de l'automatique, nous nous intéressons à la stabilité des profils de compositions résultants, ainsi qu'à leur observabilité. Du point de vue du procédé, la nouvauté de notre modèle réside dans la prise en compte d'une efficacité de garnissage dépendant des conditions d'opération de la colonne. Le modèle est validé par des comparaisons avec des données de fonctionnement dynamique issues d'une unité de séparation réelle, pour la séparation d'un mélange binaire. Sur le cas plus complexe d'une cascade de colonnes séparant un mélange ternaire, le modèle montre une grande sensibilité aux erreurs d'estimation des taux de reflux. Des résultats adaptés du champ de la chromatographie nous permettent de relier cette sensibilité à des erreurs d'estimation des vitesses d'ondes de compositions cohérentes. En parallèle, nous proposons et testons également un modèle de fonctions de transfert simple (fondé sur des gains statiques et des retards purs uniquement) pour les petites dynamiques de compositions, qui dépend explicitement de valeurs mesurables ou observables sur le procédé
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Dates and versions

pastel-00874677 , version 1 (18-10-2013)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00874677 , version 1

Cite

Stéphane Dudret. Convection-diffusion models for distillation columns : application to estimation and control of cryogenic air separation processes. General Mathematics [math.GM]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2013. English. ⟨NNT : 2013ENMP0018⟩. ⟨pastel-00874677⟩
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