Kesikli bir polimerleşme tepkime kabının sıcaklık denetimi
Temperature control of a batch polymerization reactor
Yazar: ATEŞ ERŞAN
Danışman: PROF. DR. M. ÇETİN  KOÇAK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Dinamik matris denetimi = Dynamic matrix control ; Kesikli reaktörler = Batch reactors ; Model öngörümlü denetim = Model predictive control ; Polimerleşme = Polymerization ; Süreç kontrol = Process control ; Sıcaklık denetimi = Temperature control

Özet:
Polistiren, üstün mekanik ve dielektrik özeliklerini geniş bir sıcaklık aralığında koruyan önemli bir endüstriyel kimyasaldır. Üretim seçeneklerinden birisi; toluende çözülmüş stirenin benzoil peroksit başlatıcılı, serbest radikalik katılmalı polimerleşmesidir.Fortran diline dayalı önceki bir benzetim çalışması, kesikli bir polistiren reaktörünün matematiksel bir modelini oluşturup tepkime sıcaklığının değişik yöntemlerle ayrı ayrı denetlenmesini araştırmıştır. Anılan çalışmada; Cohen-Coon, İç Modelli Denetim (IMC) yaklaşımına göre ya da elsel ayarlı beş PID, iki PI, bir P geri beslemeli denetleç ve ayrıca dinamik matrisli denetim (DMC) kullanılmıştır. Bu tek girdi-tek çıktı (SISO) dizgede; ayar değişkeni ısıtma hızıdır, denetim değişkeni ise tepkime sıcaklığıdır. Dinamik matrisli denetimdeki katlama model ile kimi geribeslemeli denetleçlerin birinci basamak artı ölü zaman modeli (FOPDT), alışılageldiği gibi bir tepki eğrisine değil ikisinin farkına dayanmıştır. Başlatıcı atılırken ısıtma hızına verilen artışın doğurduğu sıcaklık eğrisinden başlatıcı atılması üzerine gelişen sıcaklık eğrisinin çıkarılması, bir tür doğrusallaştırma sayılabilir. Çalışılan denetimin amacı, izotermal işletimdir. Kapalıçevrim denemelerde, sıcaklık başlangıçtaki 363.15 K değerinde başarı ile tutulabilmiş ancak bunun bedeli, monomer dönüşümünün açıkçevrimdekinin altına düşmesi olmuştur.Eski modeli Matlab'a uyarlayıp önceki tüm yanıtımları doğrulamakla başlayan şimdiki çalışma, bir üst yazılım olan Simulink ortamına geçip bir kez daha doğrulama yaptıktan sonra bir de S-işlevi kutusu kullanıp aynı sonuçlara ulaşmayı başarmıştır.Yeni benzetim modeli ve yazılım dizgesi, genişlemeye, ileri DMC yöntemlerini uygulamaya ve birden çok S-işlevi kutusu eklemeye açıktır.

Abstract:
Polystyrene is an important industrial chemical that keeps its high mechanic and dielectric features in a wide temperature range. One of its production options is free radicalic addition polymerization of styrene dissolved in toluene where benzoyl peroxide is employed as initiator.A previous simulation work built up a dynamic model of a reactor where the aforementioned polymerization process occurred and studied its feedback and dynamic matrix control. In this single input ? single output (SISO), the control and manipulated variables were the reaction temperature and heating rate, respectively. There were eight distinct feedback controllers investigated, namely, five PID, two PI, and one P; these were adjusted according to Cohen-Coon or Internal Model Control (IMC) approach or tuned manually. Both the convolution model of dynamic matrix control and first-order plus dead-time (FOPDT) model used by some feedback controllers were not based on a single reaction curve as usual but on the difference between two reaction curves. The response to initiator addition was subtracted from the one obtained when an increase in heating rate accompanied the initiator addition. This was a kind of linearisation. The purpose of the studied control was isothermal operation. Closed-loop controllers managed to bring the temperature back to its initial steady-state value of 363.15 K but the monomer conversion fell below the openloop counterpart.The current study started with adaption of the former model to Matlab environment, verified the harmony with the previous responses, moved on to Simulink, verified the results again both before and after incorporation of a single S-function box.Simulation model and software package are open to expansion, application of advanced DMC methods, and incorporation of multiple S-function blocks.