Sürekli karıştırmalı tank reaktörü modellenmesi ve simülasyonu
Modeling and simulation of continuous stirred tank reactor
Yazar: ÇİĞDEM ŞİRİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İMRAN GÖKER
Üsküdar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Kapsam ve Amaç: Sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR), kimyasal reaksiyonların gerçekleştirildiği ve sürekli olarak besleme, çıkış ve karıştırma işlemlerinin yapıldığı reaktör türlerinden biridir. Bu tip reaktörler, birçok endüstriyel uygulama için yaygın olarak kullanılmaktadır. Doğru kontrol aşamaları belirlenerek, reaktörlerin istenilen ürün kalitesinde ve verimli bir şekilde çalışması amaçlanmaktadır.
Yöntem: Sürekli karıştırmalı Tank Reaktörü (CSTR) modeli, bir kimyasal reaktörün davranışını tanımlayan matematiksel bir modeldir. CSTR modeli, reaktördeki malzeme akışının ve kimyasal reaksiyonların sürekli olarak devam ettiği durumları analiz etmek için kullanılır. Simülasyon modelli oluşturulurken kontrol parametreleri olarak PID ve MPC kullanılmıştır. CSTR sisteminin çıkış tepkisini göstermektedir. MPC kontrol sistemi daha karmaşık bir yaklaşım benimser.
Bulgular: Çalışmanın odak noktalarından biri, CSTR sisteminin dinamik davranışını ve kontrol gereksinimlerini anlamak olmuştur. Simülasyon modelleri, ideal koşulları ve sistem performansını gözler önüne sererek, atıksu arıtımındaki CSTR'nin uygun çalışma sıcaklığını 310.15 Kelvin olarak belirlemiştir. Bu, reaktörün istenilen koşullar altında etkili bir şekilde çalışması için sıcaklık kritik bir parametre olarak belirlenmiştir. 
Tartışma: PID kontrolü, sistem dinamiklerini ve kısıtları dikkate almadığı için karmaşık sistemlerde yetersiz kalabilir ve hassas kontrol gerektiren uygulamalarda sınırlı olabilir. MPC, çok değişkenli sistemlerde ve karmaşık kısıtlar altında çalışan sistemlerde daha esnek ve hassas bir kontrol sağlayabilir. MPC, sistemin mevcut durumunu ve gelecekteki davranışını dikkate aldığı için daha iyi bir performans sağlayabilir ve kısıtlar altında çalışabilen sistemlerde daha iyi bir uyarlanabilirlik sunabilir.
Sonuç: Sistemdeki %7'lik aşım miktarının olduğu gözlemlenmiştir. Bu aşımın azaltılması, süreç kontrolünde daha iyi performans, enerji tasarrufu veya ürün kalitesinde iyileştirmeler sağlayabilir. Bu nedenle, PID ve MPC kontrolünün detaylı bir analizi, sistemdeki iyileştirme potansiyellerini belirlemede önemli olabilir.

Abstract:
Scope and Purpose: A continuous stirred tank reactor (CSTR) is one of the types of reactors in which chemical reactions are carried out and feed, output and stirring are performed continuously. These types of reactors are widely used for many industrial applications. By determining the correct control stages, it is aimed to ensure that the reactors operate efficiently and with the desired product quality.
Method: The Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) model is a mathematical model that describes the behavior of a chemical reactor. The CSTR model is used to analyze situations where material flow and chemical reactions in the reactor are continuous. PID and MPC are used as control parameters in the simulation model. It shows the output response of the CSTR system. The MPC control system adopts a more complex approach.
Findings: One focus of the study was to understand the dynamic behavior and control requirements of the CSTR system. Simulation models demonstrated the ideal conditions and system performance and determined the optimum operating temperature of the CSTR for wastewater treatment to be 310.15 Kelvin. This was identified as a critical parameter for the reactor to operate effectively under the desired conditions.
Discussion: PID control may be inadequate in complex systems and limited in applications requiring precise control because it does not take into account system dynamics and constraints. MPC can provide more flexible and precise control in multivariable systems and systems operating under complex constraints. Since MPC takes into account the current state and future behavior of the system, it can provide better performance and offer better adaptability in systems that can operate under constraints.
Conclusion: A system overshoot of 7% was observed. Reducing this overshoot could lead to better performance in process control, energy savings or improvements in product quality. Therefore, a detailed analysis of the PID and MPC control can be important to identify improvement potentials in the system.