Optimizing process design and control development for free-radical polymerization in continuous reactors

Abstract

The polymeric industry has been exhibiting remarkable economic growth, in recent years due to increasing product demand. Just like other processes with remarkable development, the polymeric industry carries environmental and economic problems with the generation of a substantial amount of waste. An important percentage of the waste generated by polymerization processes is the off-specification product due to a lack of process control. Also, polymerization processes are challenging, where complex interactions of mass and energy are handled, thus intricate mathematical models are obtained, whose solution might not be straightforward. Those depend on the polymer type and the synthesis methods used in the process, in some cases presenting simplification compared with other polymerization systems. Among the most interesting polymers, there is polystyrene, which is highly used in the industry for production versatility, and relevant markets, among others. The most employed production route is through bulk polymerization by free radicals due to the properties, kinetic mechanisms and operation of the polymerization reactor are still highly studied. Also, separation is not required after the reaction, simplifying the flowsheet. For this kind of system, a high process understanding leads to better design and enhanced control which are essential to ensure the production of a high-quality final product. Due to its relevance, polystyrene is highly investigated to cope with production limitations such as poor temperature and viscosity control. Having those problems in mind, this research aims improving the environmental impact and economic potential in a complex system as such the bulk polymerization by free radicals, through optimal design and implementing of advanced control structures (focused on polystyrene but potentially appliable for any polymer produced by this process). Herein, two systems are investigated for bulk polymerization by free radicals of polystyrene using different reactor configurations. The first study case is based on a continuous stirred-tank reactor (CSTR) from the literature. The second study case investigates potential process improvements when the reaction takes place in a plug flow reactor (PFR), taking some elements to the CSTR study case. In order to determine the best production scenarios, optimal design is performed using a global approach through a genetic algorithm (GA), obtaining an optimal point to perform the reaction. Employing an optimization with two objective functions, providing a robust selection for the optimal point (operation point). Evaluating two technical criteria, namely efficiency and economic aspects, assessed by the productivity and the operational cost. Giving a robust design to obtain the operational point in the system, accomplishing physics characteristics desired for the final product (mass average molecular weight) and the reactor (conversion). Taking as case study a relatively big pilot scale reactor (reactor volume of 3000 L), results show an operational cost of 521932.83 USD/year and productivity of 6.21e-5 mol/L*h for the CSTR case, also, conversion values of 0.38 and mass average molecular weight values of 72436.24 g/mol. On the other hand, for the PFR with a total volume of 9470.19 L, operational cost and productivity values of 86171.80 USD/year and 0.0024 mol/L*h are obtained, respectively and conversion values of 0.61 and 70869.58 of mass average molecular weight. Subsequently, the control structure design and implementation are performed. A comparison is done between linear controllers and two advanced controllers, namely the proportional-integral-derivative (PID) control, linear-quadratic-regulator (LQR) control, and linear-quadratic-Gaussian (LQG) control. Controller performance is assessed through well-established performance indexes such as settling time, rise time, time to first peak, and overshoot during setpoint tracking and disturbance rejection tests. Nevertheless, the comparison is not only used for the controllers but instead the systems in general, evaluating important performance indexes (e.g. cost evaluation, productivity, production time, among others). For both case studies, the best controller performance is obtained with LQG controller, the more advanced controller implemented. With settling times 2 times faster than the other two controllers in the CSTR case. For the PFR case values of 6 times faster the settling time for PID controller. Particularly, it is advantageous to use a Kalman filter (within the LQG controller) to calculate the response of unmeasured variables in the system using physically measurable variables (limitation that PID control has). In this case, the moments of molecular weight distribution (physically unmeasurable) were calculated through the mass average molecular weight (measurable). It is worth mentioning that no information about the implementation LQG controllers in this process was found in the literature, so the findings presented here are novel. Then, the investigated approach prove a powerful tool to overcome the monitoring limitations. Also, despite the best control structure are the advanced controllers, the use of basic controllers as the PID, shows a good performance in both reactors compared with the system in open loop (no control implementation). The findings found in this thesis showed an improvement in environmental impact and economic potential for bulk polymerization by free radicals of polystyrene in a continuous process. This was accomplished by first by employing a systematic methodology for design and performance evaluation that copes with the particular challenges of the polymerization process. Secondly, by using diverse control strategies beyond conventional simple loops in conjunction with the optimal design. Therefore, the model-based approach proposed in this research provided relevant system understanding reflected in improved process design and control. Finally, this research has shown the benefit of considering optimal design and advanced control in the development of future polymerization processes, driving enhanced system performance towards more sustainable processes. (Texto tomado de la fuente)

La industria polimérica ha estado exhibiendo un crecimiento económico notable en los últimos años debido a la creciente demanda de productos. Al igual que otros procesos con notable desarrollo, la industria polimérica conlleva problemas ambientales y económicos con la generación de una cantidad sustancial de residuos. Un porcentaje importante de los residuos que se generan en los procesos de polimerización es el producto fuera de especificación por falta de control del proceso. Además, son desafiantes los procesos de polimerización, donde se manejan interacciones complejas de masa y energía, obteniendo así modelos matemáticos intrincados, cuya solución puede no ser sencilla. Éstos dependen del tipo de polímero y de los métodos de síntesis utilizados en el proceso, presentando en algunos casos una simplificación en comparación con otros sistemas de polimerización. Entre los polímeros más interesantes, se encuentra el poliestireno, muy utilizado en la industria por su versatilidad productiva y mercados relevantes, entre otros. La ruta de producción más empleada es mediante polimerización en masa por radicales libres debido a que las propiedades, los mecanismos cinéticos y el funcionamiento del reactor de polimerización son altamente estudiados. Además, no se requiere separación después de la reacción, lo que simplifica el diagrama de flujo. Para este tipo de sistema, un alto conocimiento del proceso conduce a un mejor diseño y control, que son esenciales para garantizar la producción de un producto final de alta calidad. Debido a su relevancia, el poliestireno se investiga mucho para hacer frente a las limitaciones de producción, como el control deficiente de la temperatura y la viscosidad. Teniendo en cuenta estos problemas, esta investigación pretende mejorar el impacto ambiental y el potencial económico de un sistema complejo como es la polimerización en masa por radicales libres, mediante el diseño óptimo y la implementación de estructuras de control avanzadas (centradas en poliestireno pero potencialmente aplicables a cualquier polímero producido por este proceso). En este documento, se investigan dos sistemas para la polimerización en masa mediante radicales libres de poliestireno utilizando diferentes configuraciones de reactor. El primer caso de estudio se basa en un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) de la literatura. El segundo caso de estudio investiga posibles mejoras en el proceso cuando la reacción tiene lugar en un reactor de flujo pistón (PFR), implementando algunos elementos al caso de estudio CSTR. Para determinar los mejores escenarios de producción, se realiza un diseño óptimo mediante un enfoque global a través de un algoritmo genético (GA), obteniendo un punto óptimo para realizar la reacción. Emplear una optimización con dos funciones objetivo, proporcionando una selección robusta para el punto óptimo (punto de operación). Evaluando dos criterios técnicos, a saber, la eficiencia y los aspectos económicos, evaluados por la productividad y el costo operativo. Dando un diseño robusto para obtener el punto operativo en el sistema, cumpliendo con las características físicas deseadas para el producto final (peso molecular promedio másico) y el reactor (conversión). Tomando como caso de estudio un reactor a escala piloto relativamente grande (volumen de reactor de 3000 L), los resultados muestran un costo operativo de 521932,83 USD/año y una productividad de 6,21e-5 mol/L*h para el caso CSTR, además, valores de conversión de 0,38 y valores de peso molecular promedio en masa de 72436,24 g/mol. Por otro lado, para el PFR con un volumen total de 9470.19 L, se obtienen valores de costo operativo y productividad de 86171.80 USD/año y 0.0024 mol/L*h, respectivamente y valores de conversión de 0.61 y 70869.58 de peso molecular promedio en masa. Posteriormente se realiza el diseño e implementación de la estructura de control. Se realiza una comparación entre controladores lineales y dos controladores avanzados, a saber, el control proporcional-integral-derivativo (PID), el control de regulador lineal-cuadrático (LQR) y el control lineal-cuadrático-gaussiano (LQG). El rendimiento del controlador se evalúa mediante índices de rendimiento bien establecidos, como el tiempo de asentamiento, el tiempo de elevación, el tiempo de pico y el sobreimpulso durante las pruebas de seguimiento del punto de ajuste y rechazo de perturbaciones. Sin embargo, la comparación no sólo se utiliza para los controladores sino para los sistemas en general, evaluando importantes índices de desempeño (por ejemplo, evaluación de costos, productividad, tiempo de producción, entre otros). Para ambos casos de estudios, el mejor rendimiento del controlador se obtiene con el controlador LQG, el controlador más avanzado implementado. Con tiempos de asentamiento 2 veces más rápidos que los otros dos controladores en el caso CSTR. Para el caso del PFR, los valores son 6 veces más rápidos que el tiempo de asentamiento del controlador PID. Particularmente, es ventajoso usar un filtro de Kalman (dentro del controlador LQG) para calcular la respuesta de variables no medidas en el sistema usando variables físicamente medibles (limitación que tiene el control PID). En este caso, los momentos de distribución del peso molecular (físicamente no medibles) se calcularon a través del peso molecular promedio en masa (medible). Cabe mencionar que no se encontró en la literatura información sobre la implementación de controladores LQG en este proceso, por lo que los hallazgos aquí presentados son novedosos. Entonces, el enfoque investigado demuestra ser una herramienta poderosa para superar las limitaciones del monitoreo. Además, a pesar de que la mejor estructura de control son los controladores avanzados, el uso de controladores básicos como el PID, muestra un buen desempeño en ambos reactores en comparación con el sistema en lazo abierto (sin implementación de control). Los hallazgos encontrados en esta tesis mostraron una mejora en el impacto ambiental y el potencial económico de la polimerización en masa mediante radicales libres de poliestireno en un proceso continuo. Esto se logró primero empleando una metodología sistemática para el diseño y la evaluación del desempeño que hace frente a los desafíos particulares del proceso de polimerización. En segundo lugar, mediante el uso de diversas estrategias de control más allá del lazo simple convencionale junto con el diseño óptimo. Por lo tanto, el enfoque basado en modelos propuesto en esta investigación proporcionó una comprensión relevante del sistema que se refleja en un mejor diseño y control de procesos. Finalmente, esta investigación ha demostrado el beneficio de considerar un diseño óptimo y un control avanzado en el desarrollo de futuros procesos de polimerización, impulsando un mejor rendimiento del sistema hacia procesos más sostenibles.