Batch process design: an overview from control

Abstract

Batch process design: an overview from control In this work, the topic of batch process design is addressed, through an analysis of the phenomenological-based model and using set-theoretic methods to deduce process constraints and parametric effects in state controllability. A review of literature is presented about characterization of batch process from point of view of design problem. Furthermore simultaneous process and control design is also reviewed, considering the main contributions for batch processes case. The drawbacks of these works are found when batch process characteristics are not considered, specially the irreversibility. Even design parameters, initial state and batch time are seldom related with this dynamic characteristic. Within the proposed methodology a state controllability index is presented (N) which takes advantage of control sets characterization, particularly the controllable trajectories set (Tt ( 0, tf )). This set can give a measurement of controllability and irreversibility of the process. In that sense, the design parameters and initial state are selected according to controllability index maximization, and designing the process with these dynamic criteria. Finally, the methodology is applied to a benchmark of a batch reactor, determining the best value for global heat transfer coefficient and initial state. This procedure is also applied to a more realistic case, which is a convective coffee dryer, improving controllability changing size parameters of the equipment.

Resumen: En este trabajo se busca abordar el tema de diseño de procesos por lotes, através del análisis del modelo de base fenomenológica y usando los métodos de la teoría de conjuntos para encontrar las restricciones del proceso y los efectos paramétricos en la controlabilidad de estado. Una revisión de la literatura es peresentada acerca de la caracterización de los procesos por lotes desde el punto de vista del problema de diseño. También se aborda el tema de diseño simultáneo de proceso y control, considerando las principales contribuciones para el caso de los procesos por lotes. Las desventajas de dichos métodos son debidas a que las características de los procesos por lotes no son consideradas, especialmente la irreversibilidad. Incluso parámetros de diseño, condiciones iniciales y tiempo de lote muy pocas veces son relacionados con dicha característica dinámica. Dentro de la metodología propuesta se presenta un índice de controlabilidad de estado (N), el cual se apropia de la caracterización de los conjuntos en control, particularmente el conjunto de trayectorias controlables (Tt ( 0, tf )). Este conjunto puede dar una medida de la controlabilidad e irreversibilidad del proceso. En este sentido, se seleccionan los parámetros de diseño y condiciones iniciales que otorguen un índice de controlabilidad máximo, diseñando el proceso con dichos criterios dinámicos. Finalmente, la metodología es aplicada a un benckmark de un reactor por lotes, determinando los mejores valores para el coeficiente global de transferencia de calor y el estado inicial. Esta metodología también fue aplicada a caso m˜A¡s real˜Astico, que es un secador convectivo de café, mejorando la controlabilidad por medio de cambios en los parámetros del equipo.