Projecte de Fi de Carrera Enginyeria Industrial

Modelització i Control d’un Reformador d’Etanol amb Vapor

Autor: Eloi Pérez Contreras Directors: Maria Serra Prat Carlos Ocampo-Martínez

1

Índex • Introducció 3

• Estat de l’Art 5

• Descripció físico-química del Sistema 8 • Modelització i Simulació Matemàtica de l’ESR 12 • Disseny NMPC 19

• Anàlisi de Resultats 27

• Conclusions 35

2

Introducció

Origen del Projecte:

La necessitat de trobar un sistema energètic renovable, no contaminant i respectuós amb el medi ambient

Motivació:

• Energies renovables com a alternativa a l’ús del petroli i els seus derivats • L’hidrogen és un vector energètic clau en un futur basat en les renovables

• Producció d’hidrogen a partir d’etanol • Noves estratègies en la modelització dinàmica i el control no lineal

3

Introducció Objectius i abast del Projecte:

• Modelitzar i simular un Reformador d’Etanol amb Vapor amb membrana de separació • Dissenyar un controladror predictiu no lineal basat en el model dinàmic no lineal del sistema

4

Estat de l’Art Obtenció de l’Hidrogen:

Separar l’hidrogen dels elements químics que el contenen: • A partir de l’aigua:

Producció biològica Electròlisi Reacció redox Termólisis • A partir d’hidrocarburs, utilitzant tècniques termoquímiques:

Reformat amb Vapor Oxidació Parcial Reformat Autotèrmic

5

Estat de l’Art Reformador d’Etanol amb Vapor: • Tècnica basada en el reformat amb vapor on la matèria primera és l’etanol

• Font de calor externa a alta temperatura • A partir del reactor catalític s’obtenen els diversos components químics

6

Hidrogen Pur

Etanol + Aigua

Membrana

Font de calor: Forn

Reactor Catalític

Monolit Catalític

Estat de l’Art Control Reformadors: • Feedback tradicional i el mètode de compensació Feedforward

• Tècniques de control avançat, com és el cas del control predictiu lineal

• Actualment no existeix control no lineal per a l’ESR

7

Descripció del Sistema Descripció Física:

8

Etanol + Aigua

Descripció del Sistema Descripció química al reactor catalític:

La reacció química genèrica per a la producció d’hidrogen és:

Les reaccions amb més pes específic en les que es desglosa són:

Deshidrogenació d’etanol

Descomposició d’etanol

Desplaçament aigua-gas

Reformació amb vapor de l’acetaldheid 9

Descripció química al reactor catalític:

Descripció del Sistema

10

Descripció transferència de massa a la Membrana de separació:

Descripció del Sistema

Metà, monòxid de carboni, diòxid de carboni, hidrogen Hidrogen Pur

Transport d’Hidrogen

Membrana

Components químics

11

Model Matemàtic Balanç de massa i energia: Hipòtesis: • Únic canal • Pressió constant • Aplicació de la llei dels gasos ideals, degut a la baixa pressió • La conducció axial de calor en fase sòlida és despreciable

L’ESR es representat per un model matemàtic: • No lineal • Dinàmic • Unidimensional • D’equacions en derivades parcials

12

Model Matemàtic Balanç de massa: • Reactor Catalític:

• Membrana de separació:

Backward Euler de primer ordre

13

Model Matemàtic Anàlisi de Resultats al reactor catalític del balanç de massa:

14

Model Matemàtic Balanç d’energia:

• Reactor Catalític:

• Membrana de separació:

Ordre total del sistema:

8·20 + 8·20 = 320

Conducció Convecció Calor de reacció

Conducció Convecció

Backward Euler de primer ordre

15

Model Matemàtic Anàlisi de Resultats al reactor catalític del balanç de massa i energia:

16

Model Matemàtic Anàlisi de Resultats al reactor catalític del balanç d’energia:

Tforn = Tgasos

17

Model Matemàtic Anàlisi de Resultats a la membrana i Punt d’operació:

18

Disseny Controlador Plantejament del problema:

En el cas de l’ESR, el problema consisteix en: • Controlar la quantitat desitjada d’hidrogen a la sortida minimitzant l’error de

seguiment

• Minimitzar el cost de producció de l’hidrogen

19

Disseny Controlador Formulació del control predictiu no lineal: • Model de simulació no lineal o procés • Model intern de predicció • Restriccions • Funció Objectiu

20

Disseny Controlador Model Predictiu:

h

21

Disseny Controlador Model Predictiu:

Equacions rígides no lineals del model (stiff differential equations):

22

Disseny Controlador Model Predictiu:

Realització de la discretització amb el mètode d’Euler Implícit:

Realització de la tècnica del mostreig de les dades del model en continu:

Referència: Rolf Findeisen, Tobias Ra, and Frank Allgöwer. Sampled-Data Model Predictive Control for Constrained Continuous Time Systems. Institute for Systems Theory and Automatic Control, University of Stuttgart, Germany.

23

Disseny Controlador Restriccions: El sistema està subjecte a limitacions físico-químiques:

24

Disseny Controlador Funció Objectiu: • Minimitzar l’error de seguiment de l’hidrogen demandat

• Minimitzar el cost total de producció de l’hidrogen

25

Disseny Controlador Problema d’optimització del NMPC:

Llei de control del NMPC:

26

Anàlisi de Resultats Indicadors clau de rendiment i paràmetres de control: S’utilitza l’indicador clau de rendiment en l’error de seguiment:

Paràmetres del NMPC en una simulació de 200 minuts:

27

Anàlisi de Resultats Model de simulació igual al model de control:

P = 4 bars T = 813.15 K q = 1 r = 0

28

Anàlisi de Resultats Model de simulació igual al model de control:

P = 4 bars T = 813.15 K q = 1 r = 0

29

Anàlisi de Resultats Model de simulació igual al model de control:

P = 4 bars T = 813.15 K q = 1 r = 0.2

P = 4 bars T = 813.15 K q = 1 r = 0.5 30

Anàlisi de Resultats Model de simulació diferent al model de control:

P = 10 bars T = 873.15 K q = 1 r = 0 dT/dt = 0

31

Anàlisi de Resultats P = 10 bars T = 873.15 K q = 1 r = 0 dT/dt = 0

Model de simulació diferent al model de control:

32

Anàlisi de Resultats Model de simulació diferent al model de control:

P = 10 bars T = 873.15 K q = 1 r = 0.2 dT/dt = 0

P = 10 bars T = 873.15 K q = 1 r = 0.5 dT/dt = 0

33

Anàlisi de Resultats Anàlisi econòmic:

34

Cost [€/Kg]

6.1813

6.0164

5.9834

5.8818

6.2417

5.9989

Conclusions Contribucions: • Nova modelització del balanç de massa en el reactor catalític basat en

reaccions químiques complexes

• Introducció del model energètic a tot l’ESR

• Disseny d’un nou NMPC, que permet el seguiment de qualsevol

referència i per a qualsevol punt d’operació

35

Conclusions

Conclusions:

• Model vàlid per a la realització del projecte • Resultats satisfactoris del controlador dissenyat

• Motivació per a la realització de noves investigacions científiques

36

Conclusions

Futurs desenvolupaments: • Estudi experimental per a millorar i complementar el model matemàtic • Realització d’un observador d’estats no lineal pel NMPC

• Realitzar un software embegut, per l’aplicació al món físic i en temps real

37

Agraïments

“La felicitat de l’ésser humà consisteix en gaudir de l’estimació dels demès” Blaise Pascal (1623-1662) Científic, filòsof i escriptor francés

Mireia Contreras Deu, José Manuel Pérez Rodríguez, Raquel Pérez Contreras, Maria Daria Rodríguez Anta, Josep Lluís Deu Carré, Matilde Manzano Monteroso i Laura Fernández Sánchez

38

torn de preguntes

• Moltes gràcies per la seva atenció,

39