Yarı kesikli bir polimerizasyon reaktörünün genetik algoritma kullanılarak enelleştirilmiş öngörmeli kontrolü
Generalised predictive control of a semi-batch polymerization reactor by using genetic algorithm
Yazar: ELİF ERÇEK
Danışman: DOÇ. DR. AYLA ALTINTEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Polimerler günlük hayatta günden güne artan kullanım alanları bularak çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Polimerizasyon proseslerindeki hedef istenen kalitede polimer üretmektir. Polimerlerin molekül ağırlıkları ve molekül ağırlık dağılımları en önemli kalite değişkenleridir. Bu değişkenler, reaktör işletim şartlarından etkilendiği için bu şartların optimize edilmesi ve reaktörün kontrolü gereklidir. Polimerizasyon reaksiyonları ekzotermik reaksiyonlar olduğu için reaksiyon sırasında büyük miktarlarda ısı açığa çıkmaktadır. Reaktör içindeki sıcaklık artışı polimer kalitesini etkilediğinden reaktör içi sıcaklığı kontrol edilmelidir. Ayrıca yarı-kesikli polimerizasyon reaktörlerinde reaksiyon hızı zamanla ve doğrusal olmayan bir karakterde değişmektedir. Bunlar, polimerizasyon proseslerinin otomatik kontrolünü karmaşık hale getirmektedir. Bu çalışmada yarı-kesikli bir polimerizasyon reaktöründe, istenen dönüşüm ve molekül ağırlığına ulaşmak için reaktör sıcaklığı Genelleştirilmiş Öngörmeli Kontrol (GPC) yöntemi ile kontrol edilmeye çalışılmıştır. GPC için NARIMAX modeli seçilmiş ve model parametreleri ve kontrol ağırlığı genetik algoritma (GA) yöntemi ile bulunmuştur. Genetik algoritma, geleneksel yöntemlerle çözümü zor veya imkansız olan problemlerin çözümünde kullanılan bir optimizasyon yöntemidir.Yapılan çalışma teorik ve deneysel olmak üzere iki basamaktan oluşmuştur. Teorik çalışmada yarı kesikli polimerizasyon reaktörü için kütle ve enerji denklikleri kurularak sistemin simülasyonu yapılmıştır. GA için uygunluk fonksiyonu olarak hatanın mutlak değerinin integrali (IAE) seçilmiştir. GPC için NARIMAX model parametreleri ve kontrol ağırlığı simülasyon programı aracılığıyla GA yöntemi ile teorik olarak bulunmuştur. Deneysel çalışmalarda elde edilen sonuçlar, GA ile bulunan parametreleri NLGPC kontrolün yarı kesikli polimerizasyon reaktörünün sıcaklığını başarıyla kontrol ettiğini ortaya koymuştur. Sonuçta üretilen polimerlerin yüzde dönüşümlerine bakılmıştır. Teorik ve deneysel sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan çalışmada son olarak polimerlerin molekül ağırlıkları ve molekül ağırlıkları dağılımları jel geçirgenlik kromatografisi ile hesaplanmıştır ve polimerlerin dar bir dağılıma sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
Polymers are used in many areas of the daily life with an increasing rate. In polymerization processes, the aim is to produce polymers with desired quality. Molecular weights and molecular weight distributions of the polymers are the most important quality variables. Since these variables are influenced by the reactor process conditions, it is necessary to optimize the reactor operating conditions and to control of the reactor. Since polymerization reactions are exothermic reactions a large amount of heat is evolved during the reaction and the temperature increase inside the reactor affects the quality of the polymer. For this reason the reactor temperature should be controlled. In addition to that, the reaction rate varies with time and in a nonlinear character in semi-batch polymerization reactors. These factors make the automatic control of polymerization processes complicated. In this study, reactor temperature in a semi-batch polymerization reactor for the desired conversion and molecular weight is aimed to be controlled by the generalized predictive control (GPC). NARIMAX model is selected for control and model parameters and control weight of generalized predictive controller were obtained by using Genetic Algorithm method. Genetic algorithm is an optimization method used for the solution of problems that are difficult or impossible to solve by conventional methods.This study consists of two steps which are theoretical and experimental studies. In the theoretical study, mass and energy balances are established for the polymerization reactor, and then simulation of the system has been carried out. The integral of the absolute value of error (IAE) was chosen as the fitness function for genetic algorithm. NARIMAX model parameters and control weight for GPC were found theoretically with GA method by the mediation of the simulation program. The experimental results obtained have demonstrated that the NLGPC with GA supply good control of the temperature of the semi batch polymerization reactor. At the end of the experiments, the percent conversions of polymers have been examined and theoretical and experimental results are compared to each others. Also the molecular weights and molecular weight distributions of the polymers are calculated by the gel permeability chromatography and it is observed that the polymers have narrow distributions.