Ved on-line identifisering av prosessmodeller er en viktig problemstilling å vite om prosessen er tilstrekkelig eksitert, dvs. utsatt for endringer i manipulerbare variable og forstyrrelser, slik at modellen kan identifiseres. Målsetningen med oppgaven er å finne metoder som sikrer at prosessen er eksitert slik at en oppnår nok informasjon til at modellen kan identifiseres. Det er samtidig viktig å ta hensyn til at prosessen ikke utsettes for uakseptable forstyrrelser som følge av eksitasjonen. Dataverktøy som skal benyttes er MATLAB.

Borealis har stilt til rådighet forskjellige datasett og forslag til modeller som skal benyttes innledningsvis hvor oppgaven blir å undersøke identifiserbarhet av parametrene i modellene med de gitte datasett. Modellene skal så brukes til å generere forslag til prosesspådrag som gir god identifisering av utvalgte parametre.

Oppgaven krever interesse for forsøksplanlegging/statistikk og prosessdynamikk.

Faglig kontakt ved Borealis: Bjørn Glemmestad

Oppgaven utføres ved NTNU og er en videreføring av tilsvarende oppgave høsten 2000.

I vanlig regresjonsanalyse, kurvetilpassing og modell-tilpassing er de fleste metodene for bestemmelse av parametrene basert på at kun de avhengige variable er beheftet med "feil". I mange

situasjoner blir imidlertid alle variable bestemt eksperimentelt og således belagt med målefeil.

Oppgaven går ut på å utvikle et MATLAB-program for parameterestimering i en generell modell hvor alle variable er beheftet med feil. Et litteraturstudie vil gi en oversikt over alternative metoder og noen av disse skal prøves ut på enkle problemer hvor man vil generere "data" ved simulering fra kjente modeller hvor det legges inn tilfeldig feil i variablene som benyttes til etterfølgende tilpassing. En aktuell metode er basert på "vektet minste kvadrat tilpassing" hvor vektene bestemmes ved vanlig feilpropagering fra de uavhengige variable til de avhengige.

Programmet MODFIT for generell parametertilpassing i ikke-lineære modeller finnes allerede ved instituttet, men antar feil bare i de avhengige variable. MODFIT er konvertert til MATLAB slik at en god del av rutinene herfra kan benyttes i oppgaven.

Interesse for statistikk og numeriske metoder er en fordel.

Ved parameterestimering i systemer beskrevet av ordinære differensialligninger blir beregningstiden høy hvis man benytter et generelt program for modelltilpassing som f.eks MODFIT. Dette skyldes spesielt tungvindt bestemmelse av Jacobi-matrisen ved pertubasjon av parametrene. Jacobi-matrisen kan imidlertid beregnes med lite ekstra "kostnader"ved å integrere "følsomhetsligningene" simultant med modelligningene. Dette ble implementert i et programsystem, COLPAR, av T. Hertzberg i FORTRAN for mange år siden. Her må brukeren i tillegg til å kode høyresiden i diffligningene også lage en rutine for de deriverte av høyresiden mhp parametrene. I COLPAR blir differensialligningene diskretisert ved ortogonal kollokasjon og integrasjonen gjort simultant over hele "tidshorisonten".

Oppgaven går ut på å lage en moderne utgave av COLPAR i MATLAB hvor blandt annet de deriverte av høyresiden i diffligningene genereres automatisk ved hjelp av Symbolic Toolbox eller Maple

Interesse for matematikk, numerikk og programmering er en fordel.

Vektede residual-metoder benyttes til løsning av partielle differenssialligninger og består av forskjellige underklasser hvor "kollokasjon" og "Galerkin" er de mest kjente. Instituttet har mottatt en MATLAB-toolbox fra University of Maryland med alle basisrutiner for "Weigheted Residual Methods". Oppgaven går ut på å sette seg inn i denne og prøve ut metodene i ved modellering og simulering av "fixed bed" reaktorer. Eksempel vil være en metanol reaktor.

Oppgaven krever interesse for modellering, numeriske metoder og programmering.

Medveileder: Magne Lysberg, Sintef kjemi.

I dag benyttes adsorpsjonsanlegg for separasjon av iso/normalparafiner basert på zeolitt som adsorbent. Raffinatet i disse prosessene inneholder forgrenede og sykliske isomerer som brukes til høyoktan bensin eller jet drivstoff.

Målet med dette arbeidet er å optimalisere driften av anlegget på Mongstad.

Arbeidet er delt opp i to oppgaver:

I denne oppgaven vil arbeidet bestå av følgende deler:

1. Sette opp en matematisk modell for adsorber og implementere modellen i Matlab.
2. Tilpasse parametre i modellen til eksperimentelle data.
3. Simulere adsorber anlegget på Mongstad.

Oppgaven er reservert for: Vidar Frøseth 

Oppgaven går ut på å simulere drift av adsorber anlegget med både adsorpsjon og desorpsjon. Anlegget består av flere kolonner i parallell og arbeidet vil bestå i å benytte et simuleringsverktøy (Hysys/gPROMS) til simulere driften av anlegget.

Medveiledere: Magne Lysberg, Sintef kjemi/Anne Hoff, Statoil

Salpetersyre er et mellomprodukt i fremstillingen av mineralgjødsel, og en av verdens ledende produsenter av gjødsel som Norsk Hydro har således i størrelsesorden 20 slike anlegg i sitt internasjonale produksjonsnettverk. I "front end" av salpetersyreprosessen skjer det en katalysert forbrenning av ammoniakk med luft, og denne sterkt eksoterme kjemiske reaksjonen gjør at slike anlegg også er sentrale i energibildet (dampsystemet) ved de respektive fabrikkstedene.

Oppgaven skal kartlegge produksjon, forbruk og utnyttelse av energi i Hydro Agri sine salpetersyrefabrikker med tanke på å "forklare" individuelle forskjeller mellom fabrikkene, samt å etablere potensialer for økt energiutnyttelse. En nærmere analyse skal utføres for en av prosessene med størst potensiale for energieffektivisering. Både design (ombygging) og drift av anleggene skal inngå i studien. Verktøy for oppgaven vil være en kombinasjon av simuleringsprogrammer som Aspen Plus og programmer for energianalyse basert på Pinch-metoden.

Oppgaven forutsetter en viss kompetanse innen Prosess-simulering og Pinch-analyse, mens kompetanse om salpetersyreprosessen er en fordel men ingen forutsetning. Oppgaven skal utføres ved Norsk Hydro’s Forskningssenter i Porsgrunn.

Bi-faglærer ved Termisk Energi og Vannkraft: Professor Truls Gundersen

Kontakt og Veileder i Norsk Hydro: Avdelingsleder Julia Lindland

Oppgaven er reservert for: Trond Vegard Stangeby

Oppgaven blir delt i fire deler, og omfanget blir tilpasset oppgavens tidsbegrensning.

1) Oppdatere statisk HYSYS modell slik at den representerer siste revisjon av Kristin-prosjektets PRO-II simuleringer.

2) Konvertere den statiske modellen til en dynamisk modell i Hysys-plant, legge til all instrumentering som er relevant for prosess kontroll med fokus på kompressor kontroll og kokepunkts kontroll, og parametrisere den dynamiske modellen i samarbeid med Kristin prosjektet.

3) Tilpasse kontrollerparametre slik at man oppnår en stabil tilstand for en antatt produksjon i år 2007.

4) Diverse simuleringer skal utføres på den stabile prosessen. Antall og typen simuleringer vil bli bestemt i samarbeid med Kristin prosjektet og vil typisk omfatte

1. kollaps av en produksjonsstrupeventil (medfører ukontrollert økning av produksjonsstrøm fra brønnene)
2. Stans av roterende utstyr som kompressorer og pumper
3. Delvis Tap av produksjon

Alle responser fra simuleringene og tiltak/endringer i prosessen/kontrollsystemet skal rapporteres.

Kontakt og veileder hos Kværner: Spesialtistingeniør Bård Wang Haflan

Oppgaven er reservert for: Frode Sandem Krogh

Hovedtema i oppgaven er:

1) Analysere oppførsel til kompressortoget ved ulike driftstilstander. Dette innebærer utfall av brønner, utfall av GFB, produksjon fra spesielle reservoar/undervannsbrønner/satellitter.

2. Analysere innvirkning av endrede kompressorkarakteristikker. Forholdet dekker predikerte, site test og degraderte ytelser.
3. Analysere fleksibilitet og kapasitet til kompressortoget ved ulike driftsmodus. Av spesiell interesse er begrensninger i utløpstrykk og emperatur fra de ulike prosesstrinn, samt begrensninger relatert til drivenheten.

Bi-faglærer ved Termisk Energi og Vannkraft Professor Lars Erik Bakken

Oppgaven er reservert for: Eivind Berge

Veileder: Professor Sigurd Skogestad [skoge@chembio.ntnu.no]

Medvileder: Vidar Alstad [vidaral@chembio.ntnu.no]

Oppgaven er reservert Kjetil Meyer

Innledning

Det skal implementeres et nytt reguleringssystem for en trykktank ved institutt for kjemisk prosessteknologi. Trykktanken inngår som en eksperimentell oppgave i faget

SIK 2050 Prosessregulering. Trykktanken skal simulere en væske/gass separator. Hittil har det vært implementert et desentralisert reguleringssystem hvor trykk og

nivå i tanken reguleres med 2 tilbakekoblede sløyfer. Regulatorene er PI regulatorer. I kurset har den eksperimentelle oppgaven har vært å tune regulatorene basert på ulike tuningsmetoder(Ziegler-Nichols, Skogestads tuningsregler). Resultater fra forsøkene har vist at det er vanskelig å oppnå tilfredstillende regulering, med hensyn på ytelse og robusthet, med en desentralisert strukur. Dette skyldes den relativt sterke interaksjonen i systemet. Det er derfor ønskelig benytte multivariabel regulering for å regulere systemet. Styringssystemet PARAGON, som er et DOS basert system, har tidligere vært benyttet. I forbindelse med oppgradering av systemet skal Matlab (Data Acquisition Toolbox) og Simulink med en overbygning benyttes som verktøy for data innhenting og styring.

Diplomoppgaven skal baseres på tidligere arbeid utført ved instituttet1. Det er utarbeidet en Matlab modell av systemet og det har vært gjort simuleringer av en lineær modell prediktiv regulator i systemet.

Det kreves forutsetninger i Matlab (Spesielt Simulink ogMPC toolbox) samt generell multivariabel regulering.

Supervisor: Stathis Skouras, Dr.ing. Student

Professor: Sigurd Skogestad

The purpose of this project is to investigate the feasibility of separating azeotropic mixtures in a Multivessel Column. The studies will be theoretical by running simulations in Matlab.

In the first part of the project a simple model of the Multivessel Column in Matlab should be developed. Alternatively, an already existed model in Matlab can be directly used for running simulations.

Afterwards the feasibility of separating azeotropic mixtures in the Multivessel Column would be investigated. The studies will be focused on heterogeneous azeotropic mixtures, where a decanter should be combined with the distillation column in order to perform the separation of the two liquid phases present in the heterogeneous mixture.

Different types of heterogeneous azeotropic mixtures can be studied during the project in order to find out for which mixtures the Multivessel Column seems most promising. Possible heteroazeotropic systems to be studied are:

1. Methanol / Water / 1-Butanol
2. Methanol / Water / Carbon tetrachloride
3. Formic Acid / Water / Acetic acid
4.  

Veiledere: Marius Govatsmark, Sholeh Ma'mun

Oppgaven er reservert for Nils Einar Saue.

Veileder: Hilde Engelien

THW-1) Prediksjon av termodynamiske egenskaper for kjemiske forbindelser og blandingers oppførsel ved bruk av gruppebidragsmetoder

Faglærer (ved NTNU): 1.aman Tore Haug-Warberg

Biveileder(e):

Utfyllende oppgavetekst: Programbasert verktøy for estimering/prediktering av termodynamiske egenskaper for rene komponenter og multikomponente blandinger basert på eksisterende gruppebidragsmetoder.

Bakgrunn for oppgaven: Det eksisterer p.t. mange elektroniske databaser for innsamling, lagring og distribusjon av termodynamiske og fysikalske likevektsdata. Eksperimentelle undersøkelser er imidlertid kostnadskrevende og kan ikke forventes å holde tritt med behovet for fysikalske (likevekts)data i prosessimulering, prosessdesign, utslippskontroll, etc. Dertil skal nevnes at antall kjemiske systemer øker dramatisk med antallet kjemiske komponenter i blandingen. Hvis man regner med ca. 90 stabile elementer i det periodiske system, vil det være 90*89 mulige binære systemer, 90*89*88 ternære systemer osv. med tilsammen millioner av mulige forbindelser. Det er følgelig av interesse å kunne prediktere egenskapene til en ikke tidligere undersøkt forbindelse såvel som faseoppførselen til en ikke tidligere undersøkte blanding. Et system av spesiell interesse er monoetylenglykol - vann - eddiksyre - karbondioksid - natriumhydroksid som er aktuelt ved ilandføring av gass fra Ormen Lange. Et annet system er formalin- vann -metanol - inerte gasser som er sentralt ved produksjon av formalinbaserte lim. Et tredje eksempel er estimering av termodynamiske egenskaper for organiske forbindelser når strukturinformasjon mangler (viktig ved eksergianalyse av kjemiske prosesser).

Innhold: Kandidaten må først utarbeide en litteraturoversikt over hvilke metoder som er aktuelle for de ulike problemstillingene. Oversikten skal kategoriseres mhp. hvilke fysikalsk/termodynamiske egenskaper som beregnes og krav til inngangsdata (les strukturinformasjon). Dernest skal et utvalg av metodene benyttes i en konkret simulering av en eksisterende kjemisk prosess (med krav til estimering av både renkomponent data og faseoppførsel). Det skal legges vekt på termodynamisk konsistens i beregningene. Fordeling av arbeidsmengde vedrørende litteraturstudie og simulering antas å være ca. 50/50.

Kategori studenter, evt. reservert for student (navn): Student med sans for systematiske undersøkelser og med god bakgrunn i termodynamikk og fysikalsk kjemi.

Faglærer (ved NTNU): 1.aman Tore Haug-Warberg

Biveileder(e): siv.ing. Lars Axelsen (Dynea)

Utfyllende oppgavetekst: Bruk av ChemCad III ved simulering av absorpsjonsprosess for formalinproduksjon etter "sølv-metoden", med spesiell vekt på utvikling av en konsistent termodynamisk likevektsmodell.

Bakgrunn for oppgaven: Stud. tech. Stig Selberg utførte høsten 1997 et diplomarbeid (Selberg, S., Modellering av absorpsjonstårn for formalinproduksjon) under ledelse av prof. Sigurd Skogestad (NTNU) og siv.ing. Lars Axelsen (Dyno Industrier AS). På bakgrunn av dette arbeidet ønsker Dynea (tidligere Dyno) å gå videre med et oppfølgingsprosjekt for å avklare svakheter og fremme mulige forbedringer til den eksisterende likevektsmodellen.

Innhold: Situasjonen er litt spesiell siden det er utført en liknende oppgave tidligere. Det er derfor viktig at kandidaten (i samråd med veilederne) vurderer tidligere resultater mhp. modellens gyldighetsområde og termodynamisk konsistens. Spesielt må det avklares om kinetiske effekter virkelig kan neglisjeres, dvs. om en likevektsbetraktning er god nok (en kvantitativ vurdering er påkrevd). Dernest må det gjøres en grundigere analyse av tilgjengelige likevektsmålinger for på den måten å fastslå hva som er "fasit". Til sist skal modellen verifiseres mot driftsmålinger og årsakene til avvik fastslås. Kandidaten må skille klart mellom hva som er hans bidrag og hva som er Selberg's fortjeneste. Oppgaven utføres ved NTNU mens Dynea bidrar med nødvendig prosessinformasjon.

Kategori studenter, evt. reservert for student (navn): Kjetil Veidel

Faglærer (ved NTNU): Tore Haug-Warberg

Utfyllende oppgavetekst: Modellering og beregning av termodynamiske størrelser og fasediagrammer i vandige saltsmelter med særlig vekt på gjødselsystemer bestående av kalsiumnitrat og ammoniumnitrat.

Bakgrunn for oppgaven: Årlig produserer flere millioner tonn kunstgjødsel rundt om i verden (også ved Norsk Hydro på Herøya). For å bedre prosessforståelsen er det viktig med økt kjennskap til de termodynamiske systemene som inngår i prosessen. Oppgaven tar sikte på å teste en ny fysikalsk salt-modell ved beregning av fasediagrammer og kalorimetriske størrelser for systemet kalsiumnitrat-ammoniumnitrat-vann (evt. et liknende system), som er av stor betydning for gjødselindustrien i Norge.

Innhold: Komplettering av tilgjengelig litteratur på området. En ganske omfattende samling er allerede gjort tilgjengelig fra tidligere undersøkelser. Programmering og testing av salt-modellen i MatLab, med påfølgende tilpasning av modellparametre og vurdering av beregningsresultater. Studenten må sette seg inn i eksisterende og beslektet teori for den foreslåtte modellen (stikkord "sub-lattice" modeller) og være i stand til å foreta egne vurderinger vedrørende parametertilpasning. Det to siste punktene ansees å være ikke-triviell oppgaver.

Kategori studenter, evt. reservert for student (navn): Student med interesse for programmering og numerisk matematikk, og med god bakgrunn i termodynamikk og fysikalsk kjemi.

FS-1) Mg,Si,Fe- produkter fra olivinsand

Verdens største forekomster av olivinsand finnes på Åheim i Norge. I Åheim er det bygget opp en betydelig industri basert på olivinsand. Råstoffet olivin brukes idag som slaggdanner i smelteovner, som ballastsand, i keramisk industri og som støpesand i metallindustrien. Olivinsand inneholder store mengder Mg-,Si- og Fe-forbindelser. Det skal gjennomføres en studie hvor man ser på muligheter for å løse ut Mg-, Si- og Fe med mineralsyrer. Ved væske-væske ekstraksjon og felling ønsker man å produsere nye produkter som kan selges som råstoff til prosessindustrien. Oppgaven går ut på å finne tekniske løsning for produksjon av nye produkter, gjennomføre en enkel markedsanalyse og bestemme lønnsomheten valgte tekniske løsning.

Veileder vil sammen med kandidaten sette rammebetingelser for oppgaven

Faglærer: Sigurd Skogestad. Veileder: Fredrik Steineke

FS-2) Livsløpsanalyse

Bryggeri-/mineralvannindustrien erstatter mer og mer bruken av glassflasker med plastflasker. Det skal gjennomføres en livløpsanalyse (LCA) som sammenlikner bruken av glassflasker vs plastflasker. Livsløpsanalysen skal omfatte hele produksjonskjeden fra råmaterialer til flaskene er destruert. Veileder og kandidat vil sammen sette opp rammebetingelsene for studien før arbeidet starter

Faglærer: Terje Hertzberg. Veileder: Fredrik Steineke

MH1-) Temperaturregulering ved CERNs Large Hadron Collider

CERN planlegger å ha sin nye partikkelaksellerator "Large Hadron Collider" (LHD) i drift i 2005. Dette er en gigantisk aksellerator-ring med omkrets på 27 km, hvor partikkelstrålen styres av superledende magneter. For å fungere, må magnetene kjøles til en temperatur på 1,9 K ved bruk av såkalt superfluid helium II, og "slingringsmonnet" for reguleringen er på 50 mK! Denne temperaturreguleringen er tidligere blitt studert av i en dr. ing. avhandling ved Institutt for Klima- og Kuldeteknikk. Oppgaven går ut på å gjenskape modellen dokumentert i dr. ing.-avhandlingen i Simulink, utvide modellen med et nytt pådrag, designe regulatorer for temperaturreguleringen, både med og uten bruk av det nye pådraget, og teste ut disse regulatorene i simuleringsstudier.

Målsetningen er å vise at men med det nye pådraget kan fjerne fundamentale begrensninger i oppnåelig reguleringsytelse, og dermed gjøre det mulig å oppnå betydelig bedre regulering.

Faglærer: Sigurd Skogestad. Veileder: Morten Hovd, Teknisk Kybernetikk.

Medveileder: professor Geir Owren, Institutt for Klima- og kuldeteknikk.

MH-2) Robust multivariabel modellbasert prediktiv regulering

Modellbasert prediktiv regulering er helt åpenbart den mest populære avanserte regulatortypen i prosessindustrien. Den viktigste fordelen for denne regulatortypen er at den kan håndtere begrensninger på en god måte. På den annen side, så kan den for enkelte multivariable prosesser være svært følsom for feil i modellen som brukes i optimaliseringen. Vanlige metoder for å motvirke følsomheten for modellfeil (som alltid vil være tilstede) har i til dels betydelig grad gått ut over reguleringsytelsen. Denne oppgaven går ut på å undersøke en ny metode som i større grad utnytter frihetsgradene i vektmatrisene for MPC, for på den måten å oppnå robusthet mot modellfeil uten betydelig redusert ytelse.

MH3-) Utvikling av estimator for produktsammensetning i en destillasjonskolonne.

Hydro Oleochemicals i Sandefjord destillerer bl. a. kokosfettsyrer, og har høye krav til renhet i enkelte av produktene, samtidig som man ønsker å minimalisere tap av de mest verdifulle komponentene. Denne oppgaven dreier seg om regulering av sammensetning i topp-produktet i kolonne 2, og en vesentlig del av oppgaven vil bestå i utvikling av en sammensetningsestimator basert på temperatur- og trykkmålinger, for å erstatte (eller redusere avhengigheten av) nåværende sammensetningsmåling (gasskromatograf som trenger 45 minutter på analysene). I tillegg skal det utredes en reguleringsløsning for sammensetningsreguleringen, basert på estimatoren.

Faglærer: Sigurd Skogestad. Veileder: Morten Hovd, Teknisk Kybernetikk.

Medveileder: Morten Gulbrandsen, teknisk sjef, Hydro Oleochemicals.

MH-4) Analyse av statisk friksjon i reguleringssløyfer.

Statisk friksjon i reguleringsventiler er en viktig årsak til dårlig regulering, ved at reguleringssløyfene blir stående og svinge. Det finnes forskjellige modeller med varierende kompleksitet for å beskrive statisk friksjon. For en tid siden ble det vist hvordan man men en relativt enkel modell kan forutsi svingninger i reguleringssløyfer, dersom parametrene som beskriver den statiske friksjonen er kjent. I denne oppgaven vil det bli forsøkt å gjøre det motsatte; dvs. for en reguleringssløyfe som svinger skal man prøve å utlede parametrene som beskriver den statiske friksjonen – samt enkelte parametre i selve prosessmodellen. Det kan også bli aktuelt å undersøke hvorfor metoder for å påvise statisk friksjon mislykkes for enkelte prosesser, samt å undersøke muligheter for å kompensere for statisk friksjon.

Faglærer: Sigurd Skogestad. Veileder: Morten Hovd, Teknisk Kybernetikk.

MH-5) Utvikling av identifikasjonseksperiment for fjernoperert prosess.

I forsøkshallen ved ITK er det en kjøleprosess som kan fjernopereres over Internett. Denne oppgaven går ut på å utvide funksjonaliteten for denne prosessen, slik at identifikasjons-eksperimenter kan kjøres ved fjernoperasjon. Det kan være aktuelt å foreta identifikasjonseksperimenter både i åpen og lukket sløyfe. Det må utvikles programvare og grensesnitt for å

1. spesifisere hvilke eksitasjoner prosessen skal utsettes for, og
2. implementere disse eksitasjonene på prosessen

Nødvendig programvare for logging av resultater eksisterer allerede. Kommunikasjon med prosessen skjer ved hjelp av OPC. All lokal programvare hos brukeren bør være mest mulig plattform-uavhengig, for eksempel skrevet i HTML og Java.

Faglærer: Sigurd Skogestad. Veileder: Morten Hovd, Teknisk Kybernetikk.