Doğrusal olmayan pH kontrolün borusal akış reaktörüne uygulanması

Abstract

ÖZET Doktora Tezi DOĞRUSAL OLMAYAN pH KONTROLÜN BORUSAL AKIŞ REAKTÖRÜNE UYGULANMASI Î.Halil VURAL Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ Borusal akış reaktörleri kimya sanayinde ve atık su boşaltım tesislerinde kullanılmaktadır. Bu tip reaktörlerin çıkış değişkenlerini kontrol etmek zaman gecikimleri yüksek olduğu için oldukça güçtür. Yapılan çalışmada sodyum hidroksit ve asetik asit nötralizasyon tepkimesi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla sodyum hidroksit ve asetik asit çözeltileri borusal akış reaktörüne beslenmektedir. Asetik asidin suda çözünme kinetiğinden ve sodyum asetat ile denge verdiğinden, ilgili sistem pH=4.0 ve pH=6.5 arasında bir tampon çözeltisi gibi davranmaktadır. pH=6.5'den sonra derişime bağlı olarak çözeltinin pH'ında bir hızlı yükseliş olmakta ve bu sistem özelliğine doğrusal olmama niteliği kazandırmaktadır. Sistemi doğrusal olmayan bölge olan, pH=7'de kontrol etmek amaçlanmıştır. Ayarlanabilen değişken olarak sodyum hidroksit akış hızı seçilmiştir. Yapılan çalışmanın birinci kısmında dinamik deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla 0.01N NaOH ve 0.01N CH3COOH çözeltileri borusal akış reaktörüne gönderilmiş, sıcaklık T = 20 °C 'de sabit tutulmuş ve sonra sistem yatışkın hale getirilmiştir. Asetik asit akış hızına negatif ve pozitif etkiler verilerek dinamik deneyler yapılmış ve pH'nın zamanla değişimi gözlenmiştir. Ayrıca set noktasına da değişimler verilerek borusal akış reaktörünün dinamik özelliği araştırılmıştır. Tüm dinamik ve kontrol analizleri için proses direkt (on-line) bilgisayara bağlanmışta. Bu amaçla Visiual Basic dili içeren VisiDAQ kontrol programı kullanılmıştır. Çalışmanın ikinci kımında ise, çeşitli yük ve set noktası değişimleri altında borusal akış reaktörünün pH kontrolü araştırılmıştır, tik olarak PID kontrol algoritması kullanılmıştır. Bunun için PID parametreleri Cohen-Coon, Yuwana-Seborg ve Jutan- Rodriugez yöntemleri kullanılarak bulunmuştur. Sonra kendinden ayarlamalı PIDkontrol (STPID) sistemi pH kontrol için kullanılmıştır. Bu kontrol sistemi için kullanılan ARMAX (Auto Regressive Moving Average eXegonuous) modeli geliştirilmiştir. Sisteme PRBS (gelişigüzel ikili yalancı sinyal) gönderilmiş ve giriş- çıkış verilerinden Bierman algoritması kullanılarak model parametreleri hesaplanmıştır. Bu model kullanılarak borusal akış reaktörünün pH değeri etkin şekilde kontrol edilmeye çalışılmıştır. Son olarak borusal akış reaktörü için fuzzy kontrol yöntemi uygulanmıştır. Bu amaçla üç farklı üçgen üyelik fonksiyonları kullanılmış ve yine üç farklı ilişki matrisi oluşturulmuştur. Bu fonksiyonların parametreleri ve ilişki matrisinin oluşturulmasında PRBS sinyaller ve Bierman algoritması kullanılmıştır. Sonra borusal akış reaktörüne direk bağlı bilgisayarla fuzzy kontrolü gerçekleştirilmiştir. 2002, 180 sayfa ANAHTAR KELİMLER : Borusal akış reaktör, fuzzy kontrol, pH kontrol, doğrusal olmayan kontrol, PID kontrol, kendinden ayarlamalı PID kontrol

ABSTRACT Ph.D. Thesis Application of Nonlinear pH Control to a Tubular Flow Reactor İ.Halil VURAL Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Mustafa ALPBAZ Tubular flow reactors are mainly used in chemical industry and waste water discharged units. It is very difficult to control output variables, because of existance of high dead- time in these type of reactors. In the present work, sodium hidroxide and acetic acid solutions were sent to the tubular flow reactor. According to solution kinetic of sodium acetate and water, equilibrium occurs with sodium acetate between pH=4 and pH=6.5 and related system behave like base-solution. After pH=6.5, solution pH depend on shows a jump according to concentration and the system behaviour becomes highly nonlinear. In this nonlinear region, the aim is to control at pH=7. Sodium hydroxide flow rate was chosen as manipulated variable. In the first part of the present work, experiments were achieved for dynamic analysis. For this purpose, 0.01N NaOH and 0.01N CH3 COOH solutions were fed to the turbular flow reactor and temperature was kept at T=20 °C and then steady-state condition was realised in the system. In the face of acid flow rate negative and positive changes, experiments were done in the open-loop and the change of pH value with time was observed. In addition, dynamic behaviour of flow reactor was investigated under the effects of set point changes. For all dynamic and control analysis, a computer was connected on-line to the process. For this purpose, VisiDAQ Control programme based upon Visiual Basic was utilized. In the second part of work, pH control of tubular flow reactor was investigated under the various load and set point changes. Firstly, PID algorithm was utilized for controlling. For this PID parameters were evaluated by using Cohen-Coon, Yuwana- Seborg and Jutan-Rodriugez methods. Then self tuning PED control system was applied for pH control. For this control system, ARMAX (Auto Regressive Moving AverageeXegonuous) model was developed. PRBS (Pseudo-Random Binary Sequence) signal was applied to the system, and model parametres were calculated from input-output data by using Bierman algorithm. pH value of tubular flow reactor was controlled by applying this model. Lastly, tubular flow reactor control was achieved by using fuzzy control technique. For this purpose, three different triangle membership functions were utilized, and also three different relation matrixes were done. These parameters of functions and relation matrix were calculated by using PRBS signal and Bierman algorithm. Then fuzzy control of tubular flow reactor was achieved with on-line computer. 2002, 180 pages Key Words : Tubular flow reactor, fuzzy control, pH control, nonlineer control, PID control, Self tuning PID control