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Modelamiento, simulación, Optimización dinámica y control de un proceso semibatch de polimerización en emulsión

Gil Chaves, Iván Dario (2014) Modelamiento, simulación, Optimización dinámica y control de un proceso semibatch de polimerización en emulsión. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia.

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Resumen

Abstract. In this work, modeling, simulation, dynamic optimization and nonlinear control of an industrial emulsion polymerization process to produce poly-vinyl acetate (PVAc) are proposed. The reaction is modeled as a two-phase system composed of an aqueous phase and a particle phase. A detailed model is used to calculate the weight average molecular weight, the number average molecular weight and the dispersity. The moments of the growing and dead chains are used to represent the state of the polymer and to calculate the molecular weight distribution (MWD). The case study corresponds to an industrial reactor operated at a chemical company in Bogot´a. An industrial scale reactor (11 m3 of capacity) is simulated where a semi-batch emulsion polymerization reaction of vinyl acetate is performed. Dynamic optimization problem is solved directly using a Nonlinear Programming solver. Integration of differential equations is made using Runge-Kutta method. Three different optimization problems are solved from the more simplistic (only one control variable : reactor temperature) to the more complex (three control variables : reactor temperature, initiator flowrate and monomer flowrate) in order to minimize the reaction time. A reduction of 25% of the batch time is achieved with respect to the normal operating conditions applied at the company. The results show that is possible to minimize the reaction time while some polymer desired qualities (conversion, molecular weight and solids content) satisfy the defined constraints. A nonlinear geometric control technique by using input/output linearization is adapted to the reactor temperature control. An extended Kalman filter (EKF) is implemented to estimate unmeasured states and it is tested in different cases including a robustness study where model errors are introduced to verify its good performance. After verification of controller performance, some process changes were proposed in order to improve process productivity and polymer quality. Finally, the optimal temperature profile and optimal feed policies of the monomer and initiator, obtained in a dynamic optimization step, are used to provide the optimal set points for the nonlinear control. The results show that the nonlinear controller designed here is appropriate to follow the optimal temperature trajectories calculated previously., Resumen. En este trabajo se aborda el modelamiento, simulación, optimización dinámica y control de un proceso industrial de polimerización en emulsión para producir poli-acetato de vinilo. La reacción se modela como un sistema bifásico compuesto de una fase acuosa y una fase partícula. El peso molecular promedio en número y en peso, y la dispersidad, se calculan con un modelo detallado. Los momentos de las cadenas vivas y muertas de polímero se utilizan para representar el estado del polímero y calcular la distribución de peso molecular (MWD). El caso de estudio corresponde a un reactor industrial operado en una empresa de productos químicos en Bogotá. Se simuló un reactor de escala industrial (11 m3 de capacidad) en el que se lleva a cabo la reacción en semi-lotes de la polimerización en emulsión de acetato de vinilo. El problema de optimización dinámica se resolvió directamente usando un algoritmo de solución de programación no-lineal. La integración del sistema de ecuaciones diferenciales se realizó a través de un método de Runge-Kutta. Tres diferentes problemas de optimización fueron resueltos partiendo del más sencillo (una sola variable de control : temperatura del reactor) al más complejo (tres variables de control : temperatura del reactor, flujo de iniciador y flujo de monómero) con el fin de minimizar el tiempo de reacción. Una reducción del 25% en el tiempo de reacción, con respecto a las condiciones normales de operación aplicadas en la empresa, fue obtenida. Los resultados muestran que es posible minimizar el tiempo de reacción mientras que algunos parámetros de calidad (conversión, peso molecular y contenido de solidos) satisfacen las restricciones impuestas al problema. Una técnica de control geométrico no-lineal usando linearización entrada/salida fue adaptada para el control de temperatura del reactor. Un filtro de Kalman extendido (EKF) se implementó para estimar los estados no medibles y fue probado en diferentes casos, incluyendo un estudio de robustez en el que se introducen errores en el modelo para verificar el buen desempeño del estimador. Después de verificar el desempeño del controlador, se proponen algunos cambios en el proceso para mejorar la productividad y la calidad del polímero que se obtiene. Finalmente, el perfil ´optimo de temperatura los perfiles óptimos, Résumé. Dans ce travail, la modélisation, la simulation, l’optimisation dynamique et la commande nonlinéaire d’un procédé industriel de polymérisation en émulsion produisant du polyacétate de vinyle (PVAc) sont étudiées. La réaction est modélisée comme un système à deux phases constitué d’une phase aqueuse et une phase particulaire. Un modèle détaillé est développé pour calculer la masse molaire moyenne en poids, la masse molaire moyenne en nombre et la dispersité. Les moments de chaînes en croissance et terminées sont utilisés pour représenter l’état du polym`ere et pour calculer la distribution de masse molaire (MWD). L’étude de cas correspond à un réacteur industriel fonctionnant dans une entreprise de produits chimiques à Bogotá. Un réacteur à l’échelle industrielle (11 m3 de capacité) est simulé dans lequel une réaction semi-batch de polymérisation en émulsion de l’acétate de vinyle est effectuée. Le problème d’optimisation dynamique est résolu directement en utilisant un solveur de programmation non linéaire. L’intégration des équations différentielles est faite en utilisant la méthode de Runge-Kutta. Trois problémes d’optimisation différents sont résolus, depuis le plus simpliste (une seule variable d’optimisation : la température du réacteur) au plus complexe (trois variables d’optimisation : la température du réacteur, le débit de l’initiateur et le débit du monomére) en vue de minimiser le temps final de réaction. Une réduction de 25% du temps de traitement par batchs est réalisée par rapport aux conditions normales de fonctionnement appliquées dans l’entreprise. Les résultats montrent qu’il est possible de minimiser la durée de réaction alors que certaines qualités de polyméres souhaitées (conversion, masse molaire et contenu en solides) satisfont les contraintes définies. Une technique de commande non linéaire géométrique à l’aide de la linéarisation entrée/sortie est adaptée à la régulation de la température du réacteur. Un filtre Kalman étendu (EKF) est mis en oeuvre pour estimer les états non mesurés et il est testé dans différents cas, dont une étude de robustesse où des erreurs du modèle sont introduites pour vérifier son bon fonctionnement. Après vérification des performances du régulateur, certains changements d’opération du procédé ont été proposés afin d’améliorer la productivit´e du proc´ed´e et la qualit´e du polym`ere. Enfin, le profil de temp´erature optimale et les politiques d’alimentation optimales de d´ebits du monom`ere et de l’amorceur, obtenues dans l’étape d’optimisation dynamique, ont fourni les consignes optimales pour la commande non linéaire. Les résultats montrent que le régulateur non linéaire concu ici convient pour suivre les trajectoires optimales de température calculées précédemment.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Doctorado)
Colaborador / Asesor:Corriou, Jean Pierre and Vargas, Julio C´esar
Información adicional:Doctor en Ingeniería Química. Línea de Investigación : Procesos de polimerización y materiales / Tesis (Ph.D.) -- Université de Lorraine Doctoral School RP2E No. 410
Palabras clave:Nonlinear control, State estimation, Time minimization, Control no-lineal, Estimación de estados, Minimización del tiempo de reacción
Temática:6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 66 Ingeniería química y Tecnologías relacionadas/ Chemical engineering
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ingeniería > Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Código ID:42014
Enviado por : Universidad Nacional de Colombia Biblioteca Digital - Sede Bogotá
Enviado el día :11 Septiembre 2014 18:04
Ultima modificación:12 Septiembre 2014 19:20
Ultima modificación:12 Septiembre 2014 19:20
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