Multivariable model predictive control for optimal operation of a fluid catalytic cracking debutanizer distillation column

Abstract

The purpose of this work is to discuss the application of Dynamic Matrix Control (DMC), a modality of Model Predictive Control (MPC), in a debutanizer distillation column. The column was analyzed and the required step-testing was performed in order to come up with a reliable process model on which the predictive quality would be based. Current market economics, feed nature, process gains, and utility costs were incorporated within the Linear Program (LP) cost factors in order to drive the unit towards maximum profitability with the minimum associated cost. These LP cost factors were directly related to the associated performance index criteria. DMC was successfully implemented with an end result of a 5.5% average increase in the C5 composition of the debutanizer’s overhead butane-butylene (BB) stream. The standard deviation and variability of process variables, including the control objective, were also reduced significantly. Pressure, temperature, slurry, reflux and feed flows were selected as the manipulated variables which would target steady-state conditions within process and instrumentation constraints in order to optimally operate the column. This advanced multivariable control effectively proved to be a valuable incentive to the unit’s productivity by allowing it to operate closer to its limits while maintaining a tighter control on all other associated process variables. This translates into maximum profitability and optimal operation of the debutanizer’s performance.

El propósito de este trabajo es discutir la aplicación de Control de Matriz Dinámica (DMC), una modalidad de Control de Modelo Predictivo (MPC), en una columna de destilación desbutanizadora. La columna fue analizada y las pruebas requeridas se llevaron a cabo para llegar a un modelo de proceso confiable del cual se basaría la cualidad predictiva. Los patrones económicos presentes, naturaleza del producto de alimentación, ganancias del proceso y costos utilitarios fueron incorporados a los factores de costo del Programa Lineal (LP) con el fin de impulsar la unidad hacia el máximo provecho lucrativo con el menor costo posible. Estos factores de costo LP están directamente relacionados al criterio de índice de desempeño. DMC fue implementado exitosamente con un resultado final de un 5.5% de aumento promedio en la composición de C5 de la línea de butano-butileno (BB) correspondiente a la parte superior de la columna. La desviación estándar y variabilidad de las variables del proceso, incluyendo el objetivo de control, también se redujeron significativamente. Presión, temperatura, intercambio de calor y corrientes de alimentación y reflujo fueron seleccionados como las variables manipuladas, las cuales se centrarían en alcanzar condiciones de estado-estacionario dentro de las limitaciones del proceso y la instrumentación con el fin de operar de manera óptima la columna. Este control avanzado multi-variable efectivamente demostró ser una valiosa adición a la productividad de la unidad al permitirle operar más cerca de sus límites mientras se mantiene un control más estricto en todas las variables de proceso correspondientes. Esto se traduce en máximo beneficio económico y operación óptima en el funcionamiento y rendimiento de la columna desbutanizadora.