Kolumna z regulacją ciśnienia

Teoria, praktyka, sprzęt, kolumna
maria-n
100%
100%
Posty: 1245
Rejestracja: 2008-07-15, 14:52

Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: maria-n » 2019-06-01, 20:29

Cześć
Wczoraj odbył się przedostatni test, automatycznej regulacji ciśnienia w kolumnie. Sterownik z regulatorem sterowania na zasadzie predykcji został opanowany i działa. Tym razem, w kolumnie z wypełnieniem pryzmatycznym. Domyślacie się (po ostatnim zdaniu) że uprzednio testowaliśmy na wypełnieniu "druciakowym", które nawiasem pisząc, łatwiejsze jest do regulacji tego typu. Padnie pewnie pytanie po co konstruować nowe skomplikowane regulatory i regulować ciśnienie gdy dostępne są regulatory mocy oraz sterowniki i one też działają. Ano po to;
- by mieć produkt jeszcze lepszej jakości bo znacząca część urobku z pierwszej rektyfikacji, jest na poziomie produktu po drugim przebiegu opartym o
regulację mocy na podstawie temp. mierzonej na dole kolumny
- tańszy sprzęt (zbyteczny jest bufor)
- większa prędkość odbioru - odbierałem na poziomie 20 ml mając w bojlerze temp.98,5*C.
Kilka danych z przeprowadzonego procesu;
- moc grzałek 4,3 kW
- moc zalania (pęcherzyki mieszaniny par z płynem w wizjerze) 2,9 kW
- max moc pracy 2,7 kW
- minimalny krok regulacyjny 14 W
- ciśnienie zalania 410 mm słupa wody
- 9h/14l etanolu (średnia prędkość 25 ml/min)
- ciśnienie pracy 350/380 mm sł. wody (w zależności od etapu procesu - proszę zwrócić uwagę na odstęp od ciśnienia zalania)
Ostatnia z danych obrazuje, ile i jak zostały wykorzystane półki teoretyczne w kolumnie, co oczywiście przekłada się na jakość produktu.
Poprzednio opierając regulację mocy na pomiarze temp. tkzw 10 półki, nie byłem w stanie zadać więcej niż 2380W bo temp."uciekała" w górę.
Więcej szczegółów przekaże @Andrzejg11

Awatar użytkownika
kula
101%
101%
Posty: 529
Rejestracja: 2010-08-16, 10:00
Lokalizacja: z pod lasu
Kontaktowanie:

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: kula » 2019-06-02, 11:39

Konstrukcja kolumny (poza pomiarem ciśnienia / sterowania grzałkami) jest klasyczna/typowa, czy także była zmieniana??
Kula

www.StalowkaSklep.pl - destylatory, akcesoria do budowy i stal kwasoodporna
https://www.facebook.com/stalowkadestylatory

maria-n
100%
100%
Posty: 1245
Rejestracja: 2008-07-15, 14:52

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: maria-n » 2019-06-02, 12:15

Cześć
Tylko zostały wspawane porty pomiaru ciśnienia - nic nie zmienialiśmy.

andrzejg11
90%
90%
Posty: 729
Rejestracja: 2009-03-03, 18:32

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: andrzejg11 » 2019-06-02, 12:30

Właściwie ten post powinien być kontynuacją tematu pod tytułem „kolumna emulgacyjna” link
https://www.bimber.info/forum/viewtopic ... a&start=16
ponieważ jest ściśle powiązany z omawianymi tam właśnie zagadnieniami.

Przypomnę że Kafarow /Stabrikow przedstawia zalanie kolumny jako proces, który w miarę wzrostu strumienia masy w kolumnie przechodzi przez rozmaite fazy (reżimy) od „punktu zahamowania”, do „punktu zadławienia” - to jest do momentu, w którym ciecz gromadzi się nad wypełnieniem. Te reżimy hydrodynamiczne przedstawione są na załączonym wykresie przyrostu ciśnienia w zależności od strumienia masy, który przepływa przez wypełnienie kolumny.
kafarow.jpg
W naszej dotychczasowej praktyce nie było możliwe śledzenie poszczególnych reżimów zalania. Jako punkt zalania kolumny najczęściej przyjmowana była wartość mocy grzania, podczas której ciecz była widoczna we wzierniku – a więc określany przez Stabrikowa „punkt zadławienia”.

Według Stabrikowa, największą efektywność wypełnienia, a co za tym idzie największą ilość półek teoretycznych można osiągnąć w tak zwanym reżimie emulgacyjnym, który zachodzi w bezpośredniej bliskości punktu zadławienia, (pełnego zalania w którym obserwowana jest ciecz nad wypełnieniem). Reżim emulgacyjny można osiągnąć poprzez specyficzną konstrukcję kolumny albo też poprzez stabilizację ciśnienia, ponieważ wedle Stabrikowa reżim emulgacji nie ma charakteru stabilnego.

Dla mojej kolumny (D=76 mm, H=350 cm, wypełnienie zmywakowe) punkt zadławienia (zalania nad wypełnieniem) wynosi ok. 5,2 kW co przekłada się na ciśnienie ok. 610 mm H2O.

Podczas pomiarów dynamiki kolumny zauważyłem, że grzanie mocami, którym odpowiadają ciśnienia 340 mm H2O i wyższe - powoduje pełzający w czasie przyrost ciśnienia aż do pełnego zalania.
Wtedy właśnie zdałem sobie sprawę, że w moim przypadku ciśnienie graniczne 340 mm stanowi początek procesu zalania, to jest tak zwany wg Stabrikowa „punkt zahamowania” - punkt 2 na wykresie. W tej sytuacji oczywistym stało się zadanie następujących pytań:

- Jakie procesy zachodzą w kolumnie w przedziale ciśnień pomiędzy 340 mm i 610 mm i czy procesy te można wykorzystać w naszym hobby ?
- Czy można ustabilizować ciśnienie powyżej punktu początkowego zalania, w bezpośredniej bliskości punktu zadławienia (pełnego zalania) , a jeśli tak, to jaki będzie efekt końcowy ?

Próbowałem stopniowo stabilizować ciśnienie na coraz to wyższych poziomach. Podobnie @maria-n czynił to na swojej kolumnie (typowa, 60 mm z wypełnieniem pryzmatycznym). Niestety, metody stabilizacji, które były stosowane dla ciśnień o wartościach zadanych poniżej ciśnienia granicznego (w moim przypadku 340 mm) nie były skuteczne dla ciśnień wyższych. Trudności w ustabilizowaniu kolumny dla ciśnień wysokich pojawiały się w szczególności w przypadku kolumny z wypełnieniem sprężynkowym, prawdopodobnie ze względu na zatrzymywanie się cieczy w wypełnieniu co powodowało znaczne opóźnienia w procesie regulacji. Nadto dla tych ciśnień kolumna staje się niestabilna i w celu jej ustabilizowania konieczne są nieustanne korekty grzania w granicach kilkunastu watów.

Konieczne zatem stało się opracowanie i wprowadzenie nowych algorytmów regulacji dla ciśnień wysokich, przekraczających ciśnienie graniczne. Algorytmy te zapewniły utrzymanie ciśnienia roboczego w granicach +- 15 mm. i prowadzenie procesu w bezpośredniej bliskości punktu zadławienia (ciecz nad wypełnieniem). Można się więc spodziewać, że w tych warunkach kolumna mogła wchodzić w reżim emulgacji, który zapewnia maksymalną ilość półek teoretycznych w wypełnieniu

Ponadto zaobserwowaliśmy, że w pełnym zakresie temperatur w boilerze można prowadzić odbiór z refluksem co najwyżej 3:1 bez szkody dla jakości produktu końcowego, zaś uzyskany produkt jest wyśmienity od początku procesu aż do temperatury 98-99 stopni w boilerze.

Dodatkowo, mając na uwadze fakt, że sterownik automatycznie dobiera odbiór produktu końcowego w zależności od stanu procesu i zadanych dla tego stanu wartości refluksu, można maksymalizować ten odbiór bez straty jakości produktu.

Wnioski końcowe:
Sterowanie procesem poprzez stabilizację ciśnienia bezpośrednio w pobliżu punktu zalania (zadławienia) umożliwia (patrz post @mariana):
- znaczne zwiększenie mocy grzania
- znaczne zwiększenie odbioru
- znaczne skrócenie czasu procesu
- znaczne zwiększenie ilości półek teoretycznych w wypełnieniu
- absolutną stabilność i powtarzalność procesu od początku do końca (tempr. w boilerze 98,5-99 stopni.
- niezależność od wahań napięcia zasilającego

Nie ma możliwości osiągnięcia tych efektów stosując sterowniki tradycyjne, które pracują na podstawie kontroli temperatur ponieważ efekty te zachodzą wyłącznie podczas pracy z wysokimi ciśnieniami, dla których kolumna (nie sterowana ciśnieniem) staje się niestabilna i wchodzi w głębokie zalanie.

Cechy sterowania w pobliżu punktu głębokiego zalania:
- sterowanie grzaniem wyłącznie w zależności od wskazań czujnika ciśnienia
- jednorazowe zadanie wartości ciśnienia od początku do końca procesu
- brak możliwości destabilizacji procesu
- stabilne „do bólu” wskazania termometrów na 10-tej półce i na OOB, co umożliwia całkowite wyłączenie pomiarów temperatury tych termometrów z procesu regulacji. Wartości wskazywane przez te termometry mają jedynie zadanie kontrolne i zabezpieczające przed awarią.
- ustalanie odbioru poprzez kąt otwarcia zaworu krokowego w zależności od temperatury boilera i wartości zadanej refluksu (tabela refluksu w zależności od temperatury)
- automatyczny odbiór końcówki
- bieżące sterowanie temperaturą wody chłodzącej
- pełna automatyka procesu, bez udziału operatora

Na uwagę zasługuje również fakt, że efekty te zostały uzyskane na kolumnach o średnicach 63 mm i 76 mm prostej konstrukcji, to jest boiler-rura-OOB- chłodnica-wypełnienie – zarówno sprężynkowe jak i zmywakowe,.
W kolumnie znajdują się półki, a reszta jest opinią.
pozdrawiam - andrzejg11

czytam
50%
50%
Posty: 183
Rejestracja: 2016-05-17, 22:00

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: czytam » 2019-06-02, 17:40

Czy jakieś szczegóły projektu zostaną ujawnione (miejsce pomiaru, sposób montażu czujnika ciśnienia, algorytm regulacji...)?
Przy okazji Stabnikow.

maria-n
100%
100%
Posty: 1245
Rejestracja: 2008-07-15, 14:52

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: maria-n » 2019-06-02, 18:27

Miejsce pomiaru i sposób montażu proszę bardzo. Natomiast nie sądzę, żeby Andrzej podał jakiegoś "gotowca" jeśli chodzi o algorytm regulacji. On spędził przy tym projekcie prawie cztery lata. Z całym szacunkiem, Ty byś to udostępnił za friko?
A więc miejsce; my umieściliśmy je gdzieś tak w jednej trzeciej dł wypełnienia (od dołu rury)
Jeśli chodzi o sposób montażu - dowolny, byle połączenie z rurą było b. szczelne. Dowolny to brzmi troszkę lakonicznie, ale nie da się jednoznacznie tego opisać. Bowiem wszystko zależy od konstrukcji i wielkości użytego czujnika. My swoje czujniki wykonaliśmy we własnym zakresie.

andrzejg11
90%
90%
Posty: 729
Rejestracja: 2009-03-03, 18:32

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: andrzejg11 » 2019-06-02, 19:03

Algorytm regulacji - to jest problem, żeby go przedstawić w tak krótkim poście. Opis matematyczny tego algorytmu mieści się na blisko 10 stronach A4.
Mówiąc w skrócie:
- dla niskich ciśnień: klasyczny algorytm predykcyjny realizowany w 2-16-tu krokach. Kolumna przyjęta jako obiekt inercyjny pierwszego rzędu z rzeczywistym czasem opóźnienia, o zmieniających się parametrach: stałej czasowej, rzeczywistym czasie opóźnienia i różniczce przyrostu ciśnienia do przyrostu mocy dp/dM. Wartości tych parametrów zmieniają się wraz z aktualnym ciśnieniem w kolumnie. Trajektoria ciśnienia określana przy pomocy przekształcenia zwężającego. System mierzy zakłócenie, szacuje efekty tego zakłócenia, oblicza trajektorię dojścia ciśnienia do wartości zadanej, ustala kolejne kroki grzania w taki sposób aby trajektorię tą zrealizować. Następnie w kolejnych okresach próbkowania steruje grzaniem i kontroluje przebieg trajektorii - czy zgodny jest z obliczeniami. jeżeli wystąpi różnica - następuje ponowne przeliczenie trajektorii i regulacja aż do osiągnięcia wartości zadanej.
- dla ciśnień wysokich: Model dynamiczny obiektu - obiekt niesterowalny. Brak możliwości określenia stałych czasowych, i rzeczywistych czasów opóźnienia. Zrezygnowano z pomiaru zakłóceń oraz zastosowano inne przekształcenie zwężające, które zmieniło trajektorię na zgodną z obserwacjami przebiegów i pomiarami. Nadto przyjęto inną wartość różniczki dp/dM. W sumie działania te zapobiegły istotnym przeregulowaniom podczas dochodzenia ciśnienia do wartości zadanej.
P.S.
Sorry, zdaje sobie sprawę, że to co napisałem będzie niestrawne dla wielu Kolegów, ale kol. @czytam chciał...
W kolumnie znajdują się półki, a reszta jest opinią.
pozdrawiam - andrzejg11

Awatar użytkownika
magas
101%
101%
Posty: 6029
Rejestracja: 2009-02-01, 12:05

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: magas » 2019-06-02, 19:38

Jaki plan sprzedaży, jak to będzie wyglądało i o jakich sumach mówimy.

andrzejg11
90%
90%
Posty: 729
Rejestracja: 2009-03-03, 18:32

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: andrzejg11 » 2019-06-02, 21:37

Nie ma planów sprzedaży. Nie zamierzamy otwierać produkcji. Mam osobiście natomiast wielką satysfakcję, że zrealizowałem zadanie, które postawiłem sobie w roku 2011 https://www.bimber.info/forum/viewtopic ... na&start=8
Aczkolwiek w przypadku gdyby ktoś chciałby podjąć się masowej realizacji projektu - jesteśmy otwarci na propozycje.
W kolumnie znajdują się półki, a reszta jest opinią.
pozdrawiam - andrzejg11

kacper59
30%
30%
Posty: 36
Rejestracja: 2017-06-20, 09:07

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: kacper59 » 2019-06-02, 21:49

@andrzejg11
Przy założeniu, że przez cały przebieg procesu RR jest stałe (wspomniano o 3:1) to musimy się liczyć z koniecznością niezmiennej w czasie ilościowej dostawy etanolu na 10 półkę (piszę akurat o tej właśnie półce, gdyż powszechnie przyjęto, że powyżej 10 półki zawartość substancji niechcianych w kolumnie jest pomijalnie mała, w stosunku do azeotropu etanol-woda). Moim zdaniem, jest to warunek konieczny do utrzymania stałego ciśnienia w punkcie pomiaru, dla podkreślam całego procesu, a bez tego nie ma możliwości utrzymania kolumny w określonej fazie (w szczególności idzie tu o dowolną z opisywanych faz zalania, gdyż zmniejszenie dopływu etanolu spowoduje spadek ciśnienia i wyjście z ustalonej fazy). Wiąże się to praktycznie z nieustannym wzrostem mocy grzania KEG-a, a jednocześnie coraz to intensywniejszym chłodzeniem odcinaka kolumny od KEG-a do 10 półki (aby to matematycznie udowodnić wystarczy wyliczyć, ile energii potrzeba aby uzyskać 20 ml/min etanolu, gdy w KEG-u jest stężenie 20% a ile tej energii potrzeba, gdy to stężenie wynosi już tylko 1% oraz wyliczyć, dla każdego z tych przypadków, ile energii należy odebrać na odcinku do 10 półki, aby tam skroplić prawie całą parę wodną). Bez realizacji tego chłodzenia nie ma możliwości stałego w czasie zaopatrywania kolumny (10p) w azeotrop etanolu, a co za tym także utrzymania pożądanego ciśnienia w punkcie pomiaru. Chyba,że w grę wchodzi malejące zaopatrywanie i w ślad za nim malejący odbiór.

maria-n
100%
100%
Posty: 1245
Rejestracja: 2008-07-15, 14:52

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: maria-n » 2019-06-02, 21:57

Cześć kol. magas
Dawno się nie "widzieliśmy". Ale nadrabiamy zaległości. Wracając do pytania; cały problem, że nie wiem co Tobie odpisać. Czemu? jak na razie planu takowego niema. Biorąc pod uwagę perturbacje jakie wstąpiły podczas realizacji sterownika II edycji, aż nie chce mi się myśleć, że mogłoby to nastąpić po raz wtóry. Na chwilę obecną zrobiliśmy dwa egzemplarze prototypu sterownika. W skład których wchodzą;
- tak jak w poprzednich wydaniach moduł sterujący z mikroprocesorem i trójfazowy moduł mocy. Dodatkowo
- zaworek precyzyjny (m-ki Akas) z silnikiem krokowym
- różnicowy czujnik ciśnienia (wiemy jak go poskładać)
- to są podstawowe elementy. Sterownik ma możliwość realizowania jeszcze kilka innych funkcji (których niema w poprzednich wydaniach, ale to są szczegóły) jako pełny automat
Na tych egz. obecnie pracujemy i robimy wszelakie testy. My z Andrzejem jesteśmy takimi typami (w obecnych czasach, nie jest to za bardzo normalne), że mamy mnóstwo satysfakcji z osiągniętego celu. Natomiast nie mamy kasy, żeby myśleć o jakiejkolwiek komercji. To się tylko tak mówi - STEROWNIK, gdy się jednak przejdzie do meritum, to zaczyna się od PCB (płytka z elektroniką) chcesz zamówić, a gościu z mety pyta ile szt. bo od tego zależy cena jednostkowa itd, itp
Konkludując: prototyp jest i działa. Jeśli kto chciałby zająć się komercją lub odkupić projekt - kontakt przez PW z Andrzejem, bo to jego projekt, lub ostatecznie ze mną.

andrzejg11
90%
90%
Posty: 729
Rejestracja: 2009-03-03, 18:32

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: andrzejg11 » 2019-06-02, 22:54

kacper59 pisze:
2019-06-02, 21:49
@andrzejg11
Przy założeniu, że przez cały przebieg procesu RR jest stałe (wspomniano o 3:1)
R/R nie jest stały w przebiegu procesu - zgodnie z metodą Thiela' McCabe refluks należy zwiększać w miarę ubytku składnika mniejszościowego. Wspomniana wartość R/R=3:1 była stosowana podczas ostatniej próby, gdy temperatura w boilerze wynosiła 96 stopni.
W sterowniku określona jest funkcja R/R, w zależności od składu mieszaniny w boilerze (temperatury boilera).
Wielkość odbioru wyliczana jest na podstawie aktualnej mocy grzania w powiązaniu z wartością molowego ciepła parowania mieszaniny woda/etanol (dla aktualnego stężenia w boilerze) i aktualnego współczynnika R/R.
Sterownik pilnuje zadanej wartości ciśnienia, a tym samym zadanej wartości strumienia masy Zatem w miarę ubywania etanolu w kotle moc grzania faktycznie stale przyrasta, przy czym utrzymywana jest zadana wartość strumienia masy i ilości półek teoretycznych na jednostkę długości kolumny.
Co do reszty wszystko jest dokładnie opisane w temacie kolumny emulgacyjnej.
W kolumnie znajdują się półki, a reszta jest opinią.
pozdrawiam - andrzejg11

Woda
10%
10%
Posty: 10
Rejestracja: 2018-11-08, 15:22

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: Woda » 2019-06-03, 07:51

Ja mam tylko jedno pytanie.

Ile prób zrobiliście i porównań opartych na chromatografie?

Awatar użytkownika
kula
101%
101%
Posty: 529
Rejestracja: 2010-08-16, 10:00
Lokalizacja: z pod lasu
Kontaktowanie:

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: kula » 2019-06-03, 10:56

Regulacja mocy robiona jest tylko na podstawie odczytu ciśnienia czy dodatkowo np. pomiar napięcia/natężenia i na tej podstawie predykcja?
Kula

www.StalowkaSklep.pl - destylatory, akcesoria do budowy i stal kwasoodporna
https://www.facebook.com/stalowkadestylatory

kacper59
30%
30%
Posty: 36
Rejestracja: 2017-06-20, 09:07

Re: Kolumna z regulacją ciśnienia

Post autor: kacper59 » 2019-06-03, 13:58

@ kula
Jak rozumiem system opiera się o stabilizację ciśnienia, a więc pracuje tak, że wydłuża lub skraca impulsy napięcia podawane na grzałki w taki sposób aby utrzymać zadane ciśnienie w kolumnie. Chwilowe, czy dłuższe zmiany napięcia w sieci mają tu niewielkie znaczenie i są jedynie przyczyną jakiegoś wydłużania bądź skracania tych impulsów. W takiej sytuacji raczej nie ma potrzeby prowadzenia jakiejkolwiek kontroli napięcia czy prądu. To podobnie jak w regulatorze PID pilnującym zadanej temperatury, czy ciśnienia, gdzie bez względu na zmieniające się parametry sieci, regulator tak zmienia impulsy aby w konsekwencji uzyskać ustawioną wartość.

ODPOWIEDZ

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Obecnie na forum nie ma żadnego zarejestrowanego użytkownika i 6 gości