Modeling and Control of the Falling Film Evaporator Process

Wegen ihres energieeffizienten Betriebs und flexiblen Designs haben Fallfilmverdampfer (FFV) eine breite Anwendung in der Industrie.
Neben Fragen zur Konstruktion sind dominante Totzeiten herausfordernd bzgl. Prozessmodellierung und -regelung.
Insbesondere erfordert die Automatisierung von Produktionssystemen digitale Zwillinge, d.h. Anlagenmodelle, um Betreiber zu schulen oder den Designprozess zu beschleunigen.

Das Herz eines FFV besteht aus Rohren, an deren Innenseiten verdampfender Flüssigkeitsfilm hinabläuft.
Daher sind die Rohre primäre Quelle für Totzeiten, welche sich vornehmlich auf den Transport wichtiger Prozessgrößen wie Liquidkonzentration und Massenstrom beziehen.
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Allerdings ist die Modellierung des entsprechenden dynamischen Verhaltens schwierig.
Aus Sicht der Regelung erzeugen Totzeiten Schwingungen der Ausgangskonzentration - im Speziellen während der Anfahrprozesse.
Zusätzlich verkomplizieren starke Kopplungen zwischen Ausgangsmassenstrom und -konzentration die in modernen Produktionen erforderliche Mehrgrößenregelung.

Die vorliegende Arbeit präsentiert Lösungen für alle genannten Herausforderungen.
Durch Gliederung des FFV-Prozesses in Teilsysteme sind verschiedene Designs in einfacher Weise simulierbar.
In diesem Kontext erfolgt die Validierung eines bestimmtes Anlagenmodell auf Basis von Realdaten, was zum digitalen Zwilling führt.
Zur Entwicklung neuer Transportmodelle verdampfender Flüssigkeitsfilme werden Bilanzgleichungen ausgewertet, sodass Systeme hyperbolischer partieller Differentialgleichungen entstehen.
Mittels des Charakteristikenverfahrens gelingt eine Transformation in Totzeitgleichungen; letztere sind für Simulation und Reglerentwurf vorteilhaft.
Pilotanlagenexperimente zur Identifikation und Validierung eines ausgewählten Modells unterstreichen die Eignung des Ansatzes, das gemessene Ein-/Ausgangsverhalten abzubilden.
Zur Beantwortung regelungstechnischer Fragen wird ein einfaches Prozessmodell entwickelt, das Zuordnungsproblem gelöst und ein Mehrgrößenregelungskonzept entworfen.

Due to their energy efficient operation and flexible designs, falling film evaporators (FFEs) have a wide field of application in the industry.
Besides questions about construction, dominant time delays pose a large challenge to modeling and control of this process.
Especially, the automation of production system requires digital twins, i.e., plant models to teach operators or to accelerate the design process.

The heart of an FFE consists in tubes, where a partially evaporating liquid film flows down on their insides.
Hence, the tubes represent the main source of delays being primarily related to the transport of important process factors, such as the liquid's concentration and mass flow.
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Nevertheless, modeling of the corresponding dynamic behavior is challenging.
From the control perspective, time delays cause oscillations of the output concentration - in particular, during ramp-up processes.
Additionally, strong couplings between output mass flow and concentration further complicate multivariable control which, however, is required by modern production systems.

The present thesis presents solutions to all aforementioned challenges.
By dividing the FFE process into subsystems, different designs can be simulated in a simple manner.
In this context, a certain plant model is validated based on real-world data leading to a digital twin.
To develop new transport models of evaporating liquid film, fundamental balance equations are evaluated, which yields systems of hyperbolic partial differential equations.
Via the method of characteristics, a transformation into time-delay equations succeeds; the latter are advantageous regarding simulation and controller design.
Pilot plant experiments to identify and validate a chosen model underline the ability of our approach to map the measured input-output behavior.
To answer control-related questions, a simplified process model is developed, the loop pairing problem is solved, and a multivariable control concept is designed.