Yarı-kesikli polimer reaktörünün optimizasyonu ve kontrolü
Optimization and control of semi-batch polymerization reactor
Yazar: FATMA DURAN
Danışman: PROF. DR. SEBAHAT ERDOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Genetik algoritmalar = Genetic algorithms ; Polimerleşme reaktörleri = Polymerization reactors

Özet:
Yapılan bu çalışmada, yarı kesikli soğutma ceketli bir stiren polimerizasyon reaktöründe sıcaklık kontrolü incelenmiştir. Reaktörde stirenin serbest radikalik çözelti polimerizasyonu gerçekleştirilerek, istenen kalitede (dönüşüm ve molekül ağırlığı) polistiren elde edilmesi hedeflenmiştir. Yarı-kesikli polimer reaktörleri son zamanlarda sürekli ve kesikli reaktörlere alternatif olarak üzerinde çalışmaların sürdüğü reaktörlerdir. Polimerizasyon reaktörlerinde, fizikokimyasal etkileşimlerin karmaşıklığından ve polimerizasyon reaksiyonların kinetiğinden dolayı karmaşık ve doğrusal olamayan bir davranış gözlenir. Proses dinamiğinin ve polimer reaktörünün doğrusal olmayan davranışının anlaşılamamasının yanı sıra, kaliteyi arttırıcı iyi yapılandırılmış bir kontrol sisteminin eksikliği de polimer tesisinin başarısını tamamen azaltmaktadır.Polimerizasyon reaksiyonları ekzotermik olduğu için reaksiyon esnasında büyük miktarlarda ısı açığa çıkmaktadır. Reaktör içi sıcaklık artışı ise polimer kalitesini etkilediğinden reaktör içi sıcaklığı kontrol edilmelidir. Sistemde sıcaklık kontrolü için kendinden ayarlamalı (self-tuning) PID kullanılmıştır ve denetici parametreleri geleneksel yöntemlerle çözümü zor veya imkansız problemlerin çözümünde kullanılan bir optimizasyon metodu olan Genetik Algoritma (GA) ile bulunmuştur.Yapılan çalışma teorik ve deneysel olmak üzere iki aşamadan oluşmuştur. Yapılan teorik çalışma ile stirenin yarı-kesikli polimerizasyon reaksiyonu için kütle ve enerji denklikleri kurulup, besleme akış hızı profil denklemi elde edilmiştir. Tüm bu veriler bilgisayar programına girilerek sistemin simülasyon programı tamamlanmıştır. Nesil sayısı, çaprazlama ve mutasyon olasılığı gibi GA'nın çalışma performansını doğrudan etkileyen parametreler için bir dizi teorik çalışma gerçekleştirilmiş ve genetik algoritmanın uygunluk fonksiyonu olarak hatanın mutlak değerinin integrali (IAE) seçilmiştir. Kendinden ayarlamalı PID denetici parametreleri deneysel sistemde kullanılmak üzere GA ile belirlenerek seçilen koşullarda deneyler gerçekleştirilip teorik sonuçlarla karşılaştırılıp yorumlanmıştır. Yapılan çalışma neticesinde GA ile kendinden ayarlamalı PID deneticinin, yarı-kesikli polimer reaktör sıcaklığını başarıyla kontrol ettiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Polymers are used in variety of growing fields in our daily life. A polymer product is composed of macromolecules with different molecular weights, and the processability and subsequent utility of a polymer product depend greatly on the molecular weight distribution (MWD) of the macromolecules. Complex reaction kinetics and mechanisms, physical changes and transport effects, non-ideal mixing, and strong process nonlinearity characterize polymerization processes. Since the conversion and molecular weight are influenced strongly by the polymerization reactor operation conditions, the production of a high quality polymer requires optimal operation of the reactor.In this project, the temperature control of the semi-batch styrene polymerization reactor was investigated by self-tuning PID (STPID) control method. The controller tuning parameters were determined by Genetic Algorithm (GA) which is a search technique based on natural selection and natural genetic rules.The work was planned in two parts as theoretical and experimental. In theoretical part, mass and energy balance equations which were developed for this system and feeding profile equation was used for the simulation purposes by using a computer programme. Then, optimum generation number, crossover probability and mutation probability was found for GA. Controller parameters were found through this simulation program with GA and these parameters were used in the optimal temperature control of reactor by STPID. During the polymerization samples were taken and monomer conversion was determined to check the performance of control applied to this system. Also from these samples molecular weight was calculated.After these two parts, experimental and theoretical results were compared and found that STPID is a good way to control the temperature of semibatch styrene polymerization reactor.