Modelling and model predictive control of a semi-batch reactor for emulsion polymerisation of PVC

Abstract

Målet med dette prosjektet er å studere implementering av ulineær modellprediktiv regulering (NMPC) for en reaktor for emulsjonpolymerisasjon. En modell utledes ved bruk av fysiske prinsipper, og brukes til å erstatte målte data fra prosessanlegget. Den brukes også som modell for NMPC'en. Størsteparten av denne modellen ble utviklet i et tidligere prosjekt, men noen tilpasninger utføres for å gjøre den anvendelig for NMPC. Ytelsen til kontrollsystemet testes og demonstreres ved simuleringer.

De teoretiske aspektene ved polymerer og emulsjonspolymerisasjon er spesifikt utdypet i denne oppgaven. Modellikningene som beskriver denne prosessen er implementert i C-kode, i en av Cyberneticas maler for polymerprosesser. Prosessen som studeres er emulsjonspolymerisasjonen av vinyl klorid (VCM), til det ønskede produktet poly-vinyl klorid (PVC). Modellen valideres og modifiseres mot prosessdata fra Inovyn Norge. Modellen ga akseptable resultater sammenlignet med prosessdata. Det understrekes at modellen kan gjøres anvendelig for andre systemer enn PVC, med litt anstrengelse og forståelse av prosessen.

Konseptene bak optimalisering, MPC (Modellprediktiv regulering) og tilstands- og parameterestimering er gitt. I tillegg er noen spesifikke aspekter ved regulering og NMPC implementering av en semi-batch reaktor for emulsjonspolymerisasjon presentert. Noen avvik mellom modellene som ble brukt til å erstatte målte data for prosessanlegget, og i NMPC'en, ble bevisst implementert. Dette skal etterligne det faktum at en modell aldri vil være en eksakt representasjon av virkeligheten. Et KF (Kalman Filter) ble implementert som tilstand- og parameterestimator. Applikasjonen testes så både med og uten estimatoren.

Implementeringen av NMPC, i kombinasjon med estimering av tilstand og parametere, ansees som vellykket i dette prosjektet. Resultatene indikerer at kontrollsystemet er i stand til å utnytte kjølekapasiteten ved å føde reaktanter og kontrollere temperaturen på en effektiv måte. Sikker drift og kvalitetskrav er da opprettholdt.

The objective of this thesis is to study the implementation of NMPC (Nonlinear Model Predictive Control) on a reactor for an emulsion polymerization process. A model is derived using first principles and serves as a plant replacement model, in addition to an integrated part of the controller. The majority of this model was previously developed, and some customization is done to make it applicable for NMPC. The control system is tuned, and the performance is demonstrated by simulations.

The theoretical aspects of polymers and emulsion polymerization are explicitly provided in this thesis. Necessary model equations describing this process is implemented in C code, in one of Cyberneticas templates for polymer processes. The process studied is the emulsion polymerization of vinyl chloride (VCM) to the desired product poly-vinyl chloride (PVC). The model is validated and modified against process data provided by Inovyn Norge. It is concluded that the model gave satisfactory results compared to process data. It is emphasized that the model can be done applicable for other systems than PVC, with some effort and an understanding of the process.

The concepts behind optimization, MPC (Model Predictive Control) and state- and parameter estimation is provided. In addition, is some specific aspects of control and NMPC implementation on this process, presented. Some deviations between the model used as plant replacement, and in the controller, is deliberately implemented. This is done to imitate the fact that a model never will be an exact representation of reality. A KF (Kalman Filter) was implemented as the state- and parameter estimator, and was tuned and tested.

The implementation of NMPC, in combination with state- and parameter estimation, on the reactor, is considered successful in this project. The results indicate that the control system can exploit the cooling capacity by feeding reactants and controlling the temperature in an efficient matter. This is done by still ensuring safe operation and meeting quality requirements.