Thesis:

Modeling and Control of Electrodialysis Process.

This study was developed and validated through industry-applied R&D in an industrial pilot plant at Arauco-Bioforest, in collaboration with AC3E, under ANID Crea y Valida funding program and FONDECYT REGULAR 1231896. This study aims to find an equivalent electrical model of a laboratory-scale electrodialysis process under pulsed voltage operation (pEDR), considering the number of ion exchange membranes in the process. Subsequently, a practical method is developed to obtain the resistance and capacitance parameters that represent it, along with a calibration method. The equivalent electrical model also incorporates the presence of fouling in the ion exchange membranes in the process, represented again by a resistance and a capacitance.Once the model is obtained, a controller is generated to minimize fouling in the ion exchange membranes by varying only the duty cycle of the pulsed voltage pEDR method (at a fixed frequency and magnitude of voltage). This is tested in a simulated environment using Simulink MATLAB. The controller employed is the Extremum Seeking Control (ESC) in cascade connection with a PI. In this way, the PI controls the average electrical current (by varying the duty cycle of the pulsed voltage pEDR) of the electrodialysis process, and then the ESC, by measuring the fouling level of the membranes, provides the PI with a new reference for average electrical current to continuously minimize fouling growth during the process operation. Finally, the controller is tested in a real electrodialysis pilot plant achieving favorable results in the reduction of fouling.

Este estudio fue desarrollado y validado mediante I+D aplicada a la industria en una planta piloto industrial en Arauco-Bioforest, en colaboración con AC3E, bajo el programa de financiación ANID Crea y Valida y FONDECYT REGULAR 1231896. Este estudio tiene como objetivo encontrar un modelo eléctrico equivalente de un proceso de electrodiálisis a escala de laboratorio bajo operación de voltaje pulsado (pEDR), considerando el número de membranas de intercambio iónico en el proceso. Posteriormente, se desarrolla un método práctico para obtener los parámetros de resistencia y capacitancia que lo representan, junto con un método de calibración. El modelo eléctrico equivalente también incorpora la presencia de ensuciamiento en las membranas de intercambio iónico en el proceso, representado nuevamente por una resistencia y una capacitancia. Una vez obtenido el modelo, se genera un controlador para minimizar el ensuciamiento en las membranas de intercambio iónico variando únicamente el ciclo de trabajo del método pEDR de voltaje pulsado (a una frecuencia y magnitud de voltaje fijas). Esto se prueba en un entorno simulado utilizando Simulink MATLAB. El controlador empleado es un Control de Búsqueda de Extremos (ESC) conectado en cascada con un PI. De esta forma, el PI controla la corriente eléctrica promedio (variando el ciclo de trabajo del voltaje pulsado pEDR) del proceso de electrodiálisis, y luego el ESC, al medir el nivel de ensuciamiento de las membranas, proporciona al PI una nueva referencia para la corriente eléctrica promedio, con el fin de minimizar continuamente el crecimiento del ensuciamiento durante la operación del proceso. Finalmente, el controlador se prueba en una planta piloto de electrodiálisis real, obteniendo resultados favorables en la reducción del ensuciamiento.