Yarı kesikli polimer reaktörlerinin modele dayalı kontrolü
Model based control of semi batch polymerization reactors
Yazar: ÖZLEM GEZMİŞ
Danışman: PROF. DR. SEBAHAT ERDOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Polimerizasyon proseslerinde temel hedef istenen kalitede polimer üretmektir. Polimerizasyon reaksiyonları ekzotermik reaksiyonlar olduğu için büyük miktarlarda ısı açığa çıkar. Ortaya çıkan bu ısı endüstriyel boyutta polimer üretiminde önemli sorunlara neden olur. Ayrıca radikalik zincir reaksiyonlarında çok hızlı bir şekilde yüksek molekül ağırlıklarına çıkıldığı için ortam viskozitesi hızla artar. Polimerlerin ısıl iletkenlikleri de düşük olduğundan ısı aktarımı ve dolayısıyla sıcaklık kontrolü son derece zorlaşır. Polimer kalitesi doğrudan sıcaklık, başlatıcı konsantrasyonu gibi polimerleşme reaksiyonu sırasındaki koşullara, bağlı olup; reaktör sıcaklığının polimerleşme sırasında çok iyi kontrol edilmesi gerekmektedir.Bu çalışmada, stirenin yarı kesikli bir polimerizasyon reaktöründe, minimum süre içinde istenen dönüşüme, zincir uzunluğu sayısına ve molekül ağırlığına ulaşmak için gerekli optimum işletim koşulları bulunmuştur. Besleme giriş sıcaklığı profili farklı koşullar için, sistemin matematiksel model denklikleri ve enerji denkliklerinden elde edilmiştir. Optimizasyon işlemlerinde başlatıcının sürekli olarak reaktöre beslenmesi durumu göz önüne alınmıştır. Sistemin simülasyonu MATLAB ve Simulink simülasyon programı ve FORTRAN programlama diliyle geliştirilmiş programlar yardımıyla yapılmıştır. Reaktör içi sıcaklığı, kendinden ayarlamalı (self-tuning) PID denetleyici ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. Kendinden ayarlamalı PID denetleyicinin ayar parametreleri genetik algoritma ile bulunmuştur. Daha sonra, belirlenen PID parametreleri yardımıyla deneysel çalışmalara geçilmiştir. Deneysel çalışmalar su ile ön deneme deneyleri ve polimer deneyleri olmak üzere iki kısımdan oluşmuştur. Belirli zaman aralıklarıyla alınan numunelerden % monomer dönüşümü ve viskozite ortalama molekül ağırlığı değerleri hesaplanmıştır. Yapılan çalışmada genetik algoritma ile kendinden ayarlamalı PID deneticinin, yarı kesikli polimer reaktör sıcaklığını başarıyla kontrol ettiği sonucuna ulaşılmıştır.Bilim Kodu: 912.1.084Anahtar Kelimeler: Kendinden Ayarlamalı PID Kontrol, Yarı kesikli polimerreaktörü, Genetik AlgoritmaSayfa Adedi: 159Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Sebahat ERDOĞAN

Abstract:
The main objective in polymerization processes is to produce polymer within the desired characteristics. Due to polymerization reactions are highly exothermic, thus generating a quite heat. In many industrial exothermic polymerization processes, reaction heat is the most serious problem. Also, in radicalic chain polymerization, when the molecular weight of polymer achieved high value rapidly, it may significantly affect the polymer viscosity. Since, polymers have low thermal conductivity, heat transfer and control of temperature becomes very difficult. To produce polymers with well defined characteristics which are related to the process conditions as temperature, initial initiator concentration, reactor temperature has to be controlled effectively during the polymerization.In this work, considering operational constraints in a semi batch polymerization reactor, optimum conditions were determined to obtain desired monomer conversion, number average molecular weight and number average chain length in minimum reaction time. Feed input temperature profile was determined by using mathematical modelling equations and energy balance equations for different operational conditions. Initiator was fed continuously to the reactor. The system was simulated by using advanced simulation programs as MATLAB and Simulink and FORTRAN software packages. Reactor temperature was tried to control by self tuning PID controller. Tuning parameters of controller were obtained by using Genetic Algorithm. After determining parameters, the experimental studies were carried out as first trying experiments using water and polymer experiments. During the polymerization, samples were taken, therefore monomer conversion and viscosity molecular weight were measured. It was seen that genetic algorithm is able to tune the self tuning PID controller efficiently for different situations and therefore to control the temperature of the polymerization reactor.Science Code: 912.1.084Key Words: Self tuning PID control, semi batch polymer reactors, GeneticAlgorithmPage Number: 159Adviser : Prof. Dr. Sebahat ERDOĞAN