Análisis del control y optimización de un reactor piloto para producir poliacetato de vinilo

Abstract

Este trabajo presenta el modelamiento y optimización de la reacción de polimerización de Vinil Acetato (VAc), desarrollado con el objetivo de establecer las condiciones operacionales necesarias para minimizar el tiempo de procesamiento. El sistema se modeló teniendo en cuenta las interacciones fisicoquímicas, energéticas y usando las condiciones de operación que normalmente emplea una empresa de producción de adhesivos en Colombia. Para este modelamiento se utilizó como base un equipo de reacción de 65L ubicado en la Universidad Nacional de Colombia y un reactor de 11m3 ubicado en Preflex S.A. A partir de los resultados de la simulación base, se realizó la optimización de cada modelo, mediante el método de control óptimo, en donde se modificaron los flujos de alimentación de monómero, iniciador y fluido de enfriamiento. Para cada problema de optimización identificado se buscó crear las condiciones operacionales que permitieran reducir el tiempo de este procesamiento. Por otra parte, se analizó numéricamente la controlabilidad del sistema de reacción a escala piloto usando dos estrategias, PID y MPC; ambas presentaron un comportamiento satisfactorio, pero la más recomendada es la estrategia PID debido a su facilidad de implementación. Por último y teniendo en cuenta los resultados previos, se validó experimentalmente el proceso de reacción en un reactor a escala piloto, siguiendo los perfiles de las 3 propiedades medibles: contenido de sólidos, viscosidad y temperatura de proceso. Se encontró que es posible realizar la reducción de tiempo planteada en la optimización, usando agua como fluido refrigerante y mediante un control PID adaptativo, mantener las propiedades físicas del material en los parámetros establecidos, pero cambiando la distribución de tamaños de las partículas.

Abstract: Modelling, simulation and optimization of the vinyl acetate polymerization was realized in this paper in order to determine the operating conditions that allows the reaction time minimization. The system has been modeled considering the physicochemical, energy interactions and operating conditions of the industrial reactor from an adhesive production company in Colombia. Polymerization modelling was based on a 65L steel reactor located at the National University of Colombia and a 11m3 reactor located on Preflex S.A. Based on the results of the simulation, an optimization process of each model was carried out, using the optimal control method, where the monomer feed, initiation and cooling fluid were modified. Operational conditions that allows a time process reduction were determined on each optimization problem. On the other hand, the controllability of the system using the PID and MPC control strategies were analyzed, both with a satisfactory performance through time, being the PID strategy more recommended due to its ease of implementation. Finally, the reaction process was experimentally validated in a pilot scale reactor, following the profiles of 3 measurable properties during the process: Solids content, viscosity and process temperature. Pilot scale experimentations show that it is possible to reduce the reaction time using water as coolant, with a dynamic PID control, keeping holding the polymer physical properties, but with a different size particle distribution.