Dynamic modeling of a bench plant distillation column with DYNSIM® simulator

Lo sviluppo di modelli dinamici, presenta una complessità maggiore rispetto a quelli stazionari, tuttavia il loro impiego consente di prevedere le risposte di un sistema reale e di poterne studiare il comportamento a seguito di diversi input, senza però dover svolgere realmente l’esperimento. È quindi diventato sempre più importante lo sviluppo di modelli che sapessero riprodurre fedelmente il comportamento del sistema reale tuttavia, a volte vanne fatte delle approssimazioni, per poter risolvere il modello matematico, che possono però portare a dei risultati sbagliati. Dunque, è importante non solo la modellazione matematica ma, anche la riproduzione della reale dinamica che, per essere realizzata, può portare a leggere modifiche del modello rispetto allo sperimentale. Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale si occupa dello studio del comportamento di una colonna di distillazione esistente composta da quindici vassoi, con lo scopo di utilizzare i dati raccolti per sviluppare un modello di simulazione dinamica in grado di riprodurre i valori sperimentali ottenuti. Per eseguire lo studio è stato utilizzato il simulatore di processo DYNSIM, che negli ultimi anni è emerso come un forte contendente nell'arena dei linguaggi di simulazione dinamica. Inoltre, permette uno sviluppo del programma con l’utilizzo degli oggetti che richiamano la forma delle reali unità chimiche, semplificandone quindi il loro sviluppo e collegamento. Questo lavoro è il prodotto della collaborazione tra il dipartimento di ingegneria chimica e dei materiali del Politecnico di Milano e quello di chimica industriale dell’Università degli studi di Milano uniti nel gruppo che porta il nome di SuPER (Sustainable Process Engineering Research) team. In questo lavoro, viene fornita prima una breve introduzione sullo sviluppo delle simulazioni dinamiche di colonna di distillazione, iniziando dai primi studi fino ai giorni attuali. Inoltre, è data una descrizione generale del funzionamento del software e delle equazioni che usa. In secondo luogo, è descritto l’impianto in cui si sono svolti gli esperimenti e raccolti i dati, dato che non è disponibile una raccolta dei valori geometrici e di scambio termico dell’impianto, sono mostrati i calcoli e le approssimazioni fatte per determinare tali proprietà, fondamentali per lo sviluppo della simulazione. Tutti valori sopracitati sono determinati in condizioni stazionarie. Inoltre, per lo sviluppo del modello dinamico, è importante che lo stazionario sia corretto, vengono quindi confrontati i risultati in stazionario del modello, con quelli sperimentali. Nella terza parte sono analizzate le singole sezioni del modello sviluppato, fornendo spiegazione riguardanti le assunzioni fatte, inoltre viene discussa in dettaglio la determinazione dei parametri fondamentali del sistema. Sempre in questa sezione, sono descritte e mostrate le procedure di avviamento e spegnimento del sistema che permettono di replicare il comportamento dell’operatore dell’impianto reale. Infine, vengono mostrati i risultati in dinamico sperimentali, per poi confrontali con quelli del modello, in modo da capire quanto la simulazione sia in grado di replicare l’impianto reale.

The development of dynamic model present greater complexity than stationary ones, however their use allows to predict the answers of a real system and to be able to study its behavior to different inputs, without actually perform the experiment. It has therefore become increasingly important to develop models that can faithfully reproduce the behavior of the real system but, sometimes, approximations are made in order to solve the mathematical model, which however can lead to wrong results. Therefore, it is important not only the mathematical modeling but also the reproduction of real dynamics that, to be realized, can lead to slight modifications of the model with respect to the experimental plant. This M.Sc. thesis work deals with the study of the behavior of an existing distillation column composed by fifteen trays, with the purpose to use the data collected to develop a dynamic simulation model that is able to reproduce the experimental data obtained. To perform the study has been used the process simulator DYNSIM®, that in the last years has emerged as a strong contender in the arena of dynamic simulation languages. Moreover, it is an object-oriented design makes it easy to develop engineering unit operations and connect them to one another. This work is the product of the collaboration between the department of chemical and materials engineering of “Politecnico di Milano” and that of industrial chemistry of “Università degli studi di Milano” unified in the SuPER (Sustainable Process Engineering Research) team. In this work, firstly, a brief introduction is provided on the study made about the dynamic simulation of distillation column, starting from the incipit of the studies to the present day. Moreover, is given a general description on the software functionality and the equations used. Secondly is discussed the bench plant in which the experiments have been conducted and in which the data have been collected, since no datasheet are present, are shown the calculation and the approximation made in order to determine the geometrical and heat transfer properties fundamental for the development of the simulation. All the characteristics of the plant have been calculated in steady state conditions. Moreover, for the development of the dynamic model it is mandatory that the steady state results are same between reality and simulation, therefore has been compared the steady state results of the model, dependent only on thermodynamic law, with that of the real plant. In the third part are studied the individual part of the model developed, providing explanation about the assumption formulated, moreover it is discussed in detail how each parameter of the system is determined. Furthermore, have been coded procedure of startup and shut down that allow to reproduce the behavior of an operator in the real plant. Finally, in the fourth part are discussed the dynamic results of the experiment and are compared to that of the simulation, in order to see how much the latter is able to reproduce the real column behavior.