The use of phenomenological based semi-physical models as virtual sensors for density and viscosity of mineral slurries

Abstract

Abstract: this thesis presents two estimation structures for on-line estimation of density and viscosity of mineral slurry flowing through a pipes and fittings assembly (PFA). The structures are developed from a phenomenological based semi-physical model (PBSM) as main component of a soft-sensor. The PBSM is developed based on the mass conservation and momentum transfer principles, in order to separate the density estimate from the viscosity, and momentum transfer, considering frictional energy losses. In this way, the model equations are obtained based on the variables directly affecting the density and viscosity of minerals slurries. The proposed model is obtained in state variables, considering the available measurements (pressure drop and volumetric flow) and the disturbances in the process. In this sense, from the theory for state observers, an observer of unknown inputs was used in the estimation structure to take into account the inherent disturbances in the process inlet. The density is estimated as a state of the model while the two options for estimating viscosity are proposed based on the availability for characterizing the rheology of the mineral slurry from laboratory tests. Finally, the performance of the proposed structures for the estimation of the density and viscosity properties of the mineral slurry is tested by simulation. The conducted tests use disturbances in the mixture inlet composition and include noise in the measured variables. The results exhibit a good estimation of both slurry properties using both proposed methods.

Resumen: en esta tesis se presentan dos estructuras diferentes para la estimación en línea de la densidad y viscosidad de una pulpa mineral fluyendo a través de un conjunto de tuberías y accesorios. Las estructuras son desarrolladas a partir de un modelo semifísico de base fenomenológica como componente principal de un sensor virtual (soft-sensor). El modelo se obtiene con base en el principio de conservación de la masa y la transferencia de momento, con el fin de separar la estimación de densidad y viscosidad, y considerar las pérdidas de energía por fricción. De este modo, las ecuaciones del modelo son obtenidas en función de las variables que afectan directamente la densidad y la viscosidad de las pulpas minerales. Dicho modelo es obtenido en variables de estado y considerando las mediciones disponibles en planta (caída de presión y flujo volumétrico), además de las perturbaciones en el proceso. En este sentido, a partir de la teoría de observadores de estados, se propone un observador de entradas desconocidas de tal manera que las perturbaciones inherentes del proceso puedan ser consideradas. Con base en lo anterior, la densidad se estima como una variable de estado, mientras que para la estimación de la viscosidad se consideran dos opciones en función de la disponibilidad para caracterizar la reología de la pulpa en laboratorio. Finalmente, el desempeño de las estructuras propuestas para la estimación en línea de la densidad y viscosidad de una pulpa mineral se evalua mediante simulación. Las simulaciones fueron realizadas considerando perturbaciones en la composición de sólidos a la entrada, y ruido blanco para las variables medidas. Los resultados obtenidos presentan una buena estimación de las propiedades de la pulpa para las dos estructuras de estimación presentadas.