Optimal operation of semi-batch polymerization reactors

• Optimaler Betrieb von Semi-Batch Polymerisationsreaktoren

Faust, Johannes Michael Magnus; Mitsos, Alexander (Thesis advisor); Asua, José Maria (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.SVT - Process Systems Engineering 26
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

In dieser Dissertation wird der optimale Betrieb von Emulsionspolymerisationsreaktoren mittels verschiedener Ansätze für unterschiedliche Polymereigenschaften thematisiert. Polymere sind vielseitige Produkte mit einer großen Spanne an Eigenschaften. Ein besonderes Merkmal von Polymeren ist, dass der Reaktionsschritt entscheidend für die Qualität ist. Zusätzliche Veränderungen des Polymers sind nach der Reaktion oft nicht möglich. Deshalb ist der optimale Betrieb von Polymerisationsreaktoren ein aktives Forschungsfeld. Während die rechnergestützten Studien die Annahme vollständiger Zustandsrückführung erlauben, werden in der Realität Messungen benötigt, um den Zustand des Reaktors zu bestimmen. Die Ramanspektroskopie erlaubt grundsätzlich die online Bestimmung der Konzentration einzelner Komponenten. Um diese Information aus den Spektren zu extrahieren, wird ein indirect hard modeling Modell erstellt. Das Modell besitzt eine gute Vorhersagequalität der Konzentrationen der Monomere und Polymere, die durch die Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers beschrieben wird. Eine Eigenschaft von Emulsionspolymeren ist die Partikelmorphologie, die aus der aufeinander folgenden Polymerisation verschiedener Monomere rührt. Die Partikelmorphologie kann durch Populationsbilanzen von Polymerclustern beschrieben werden. Wegen der vorherrschenden Produktion in semi-batch Reaktoren sind Rezepte von großer Bedeutung. Mithilfe dynamischer Optimierung können optimale Rezepte berechnet werden. Für eine verbesserte Herstellung existierender Produkte werden zeitoptimale Rezepte gesucht. Mithilfe des modellbasierten Ansatzes kann bestimmt werden, ob neue Produktqualitäten unter den vorhandenen Beschränkungen produziert werden können. Dabei soll in der Zielfunktion die Abweichung zwischen gewünschter und erreichter Clusterverteilung minimiert werden. In einem nächsten Schritt werden Regelungsstrukturen für die Partikelmorphologie rechnerisch betrachtet. Es wird ein nichtlinearer modellprädiktiver Regler bewertet, der Sollgrößen eines optimalen Rezepts folgt. Dieser Regler benötigt als Modell nur die Polymerisationskinetik. Komplexer ist der ökonomische nichtlineare modellprädiktive Regler, der die Batchzeit minimieren und gleichzeitig die Partikelmorphologie innerhalb eines Toleranzbereiches halten soll. Verschiedene Störungen werden für beide Regler betrachtet. Eine andere Eigenschaft von Polymeren, die für den optimalen Betrieb betrachtet wird, ist die Molekulargewichtsverteilung. Basierend auf einem hybriden Modell, das ein deterministisches Polymerkinetikmodell mit einem Monte Carlo Modell für die Simulation einzelner Polymerketten verknüpft, werden optimale Rezepte berechnet. Dieser Ansatz wird für bimodale Molekulargewichtsverteilungen erweitert, indem Kettenübertragungsmittel verwendet werden. Kettenübertragungsmittel erhöhen die Reaktionsrate für Kettenübertragung und reduzieren damit die Kettenlänge der Polymere. Für alle Fallbeispiele wird eine Optimierung mittels Surrogatmodells gewählt; die Batchzeiten werden dadurch reduziert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit dazu beigetragen, eine optimale, zustandsbasierte Betriebsführung für semi-batch Polymerisationsprozesse zu ermöglichen.