Yarı-kesikli bir stiren polimerizasyon reaktörünün bulanık kontrol yöntemi ile sıcaklık kontrolü
Temperature control with fuzzy control of a semi-batch styrene polymerization reactor
Yazar: SEÇKİN ALTINDAL
Danışman: DOÇ. DR. AYLA ALTINTEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bulanık mantık = Fuzzy logic ; Genetik algoritma tekniği = Genetic algorithm technique

Özet:
Polimer üretimi dünyada sürekli olarak artmaktadır. Polimer maddelerinin üretim hızı, yılda milyonlarca tonla ifade edilmektedir. Bu miktar istenilen özellikte plastik ya da komposit maddelerin, metallerin yerine kullanılmaya başlanmasıyla daha da artmaktadır. Polimerleşmede esas amaç, istenilen kalitede ürün eldesi olup, polimerleşme proseslerinde kontrol ve tasarım büyük önem taşımaktadır. Polimerizasyon reaksiyonları ekzotermik reaksiyonlar olduğu için büyük miktarda ısı açığa çıkar. Ortaya çıkan bu ısı endüstriyel boyutta polimer üretiminde önemli sorunlara yol açar. Polimer kalitesi doğrudan polimerleşme reaksiyonu sırasındaki koşullara (sıcaklık, başlatıcı, vs.) bağlı olup, reaktör sıcaklığının polimerleşme sırasında çok iyi kontrol edilmesi gerekmektedir.Bu çalışmada stirenin yarı?kesikli, ceketli bir reaktörde polimerizasyonu incelenmiştir. Reaktörde stirenin serbest radikalik çözelti polimerizasyonu gerçekleştirilerek, istenen kalitede (dönüşüm ve molekül ağırlığı) polistirenin elde edilmesi hedeflenmiştir. Yapılan çalışma kapsamında, kontrol çalışmalarına geçilmeden önce optimizasyon metodu olan genetik algoritmalar (GA) üzerinde araştırma yapılmış ve Fortran dilinde bir bilgisayar programı oluşturulmuştur. GA için uygunluk fonksiyonu olarak hataların mutlak değerleri toplamı, IAE seçilmiştir. Böylece kontrol yöntemi olarak seçilen bulanık (fuzzy) kontrol için en iyi kontrolü sağlayacak üyelik fonksiyon kümeleri ve ilişki matrisi belirlenmiştir. Daha sonra, belirlenen bulanık kontrol parametreleri yardımıyla deneysel çalışmalara geçilmiştir. Deneysel çalışmalarda stiren+toluen karışımı reaktöre beslenmiş ve başlatıcı olarak kullanılan benzoil peroksit az miktar çözücüde çözülerek reaktöre ani ilave edilmiştir. Deneysel çalışmalarda, reaktör içi sıcaklık istenilen set noktasında bulanık kontrol yöntemiyle tutulmaya çalışılmıştır. Deney süresince belli zaman aralıklarında alınan numunelerden yüzde monomer dönüşümü ve viskozite ortalama molekül ağırlığı değerleri belirlenmiş ve istenen değerlere ulaşılıp ulaşılmadığına bakılmıştır. Sonuç olarak GA kullanılarak bulanık kontrolün yarı-kesikli polimer reaktör sıcaklığını başarıyla kontrol ettiği ve deneysel olarak bulunan monomer dönüşümün teorik olarak bulunan dönüşüm değerlerinden yüksek çıktığı gözlenmiştir. Deneysel olarak bulunan viskozite ortalama molekül ağırlığı değerlerinin teorik olarak hesaplanan sayıca ortalama molekül ağırlığı değerleriyle uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.Anahtar Kelimeler : Genetik Algoritma, Bulanık Kontrol, Yarı-kesiklipolimer reaktörü

Abstract:
The polymer production increases continuously in the world. Polymer production rate describes as million tones in a year. This amount has increased with using plastic or composite materials having desired features instead of metals. In the polymerization, main aim is the achievement of desired quality product. Due to, polymerization reactions are exothermic, large amount of heat appears and it causes big problems in industry. The quality of polymer depends on conditions of polymerization reaction (temperature, initiator, ect.), and temperature of reactor must be controlled very well.In this study, polymerization of styrene in a jacketed semi-batch reactor was examined. In the semi-batch reactor, free radical polymerization of styrene was carried out and polymer production with desired quality (conversion and number of average molecular weight) was aimed. In this study, genetic algorithm (GA) which is an optimization method was researched before experimental study, and Fortran programme was developed and used for theoretical results. The fitness function for GA was chosen as the integral of the absolute value of error, IAE. So, for fuzzy control which was chosen as the control method in this study, membership functions and relation matrix which provide the best control were obtained. Then, experimental studies with obtained fuzzy parameters were carried out. In experimental studies, styrene and toluene mixture was fed continuously to the reactor and the initiator benzoyl peroxide was solved in toluene and was thrown at one time. In experimental studies, reactor inside temperature was studied, and the desired set point was maintained with fuzzy control method. During the experiments, the concentration and molecular weight of polymer were measured analytically by taking samples. Then, these measured values were compared with desired values. As a result, GA with fuzzy control is a good way to control the temperature of semi-batch styrene polymerization reactor. It is seen that experimental monomer conversion values are higher than the theoretical values, and viscosity average molecular weights which were obtained experimentally are acceptable when compared with numerical average molecular weights.Key Words : Genetic Algorithm, Fuzzy Control, Semi-batchpolymerization reactors