Simulation and NMPC of PET Esterifier

Abstract

O principal objetivo desta dissertação consiste na modelação, simulação e controlo de um reator primário de esterificação presente no processo de produção de politereftalato de etileno, pela tecnologia baseada no ácido tereftálico.A produção de politereftalato de etileno, mais conhecido por PET ou PETE, é considerada uma das maiores indústrias na área dos polímeros. O PET é um material versátil, de baixo custo e amigo do ambiente e, por isso, os seus produtores têm realizado um constante investimento na melhoria do seu processo produtivo ao longo dos anos. O PET é produzido maioritariamente a partir da reacção entre o ácido tereftálico (TPA) e o etileno glicol (EG) através de um processo complexo de polimerização composto por várias etapas cuja modelaçã matemática não é trivial. O reator primário de esterificação é a primeira etapa onde se forma o PET apresentando várias reações secundárias das quais resultam compostos não desejáveis que prejudicam a qualidade do produto final.Do presente trabalho resultaram três aplicações do modelo do reator primário de esterificação. A primeira aplicação consistiu no desenvolvimento de um simulador de um reator decontínuo que implementa numericamente o modelo de Seavey and Liu (2009), baseado nos segmentos presentes na molécula de PET. Este modelo incorpora o modelo cinético da reacção directa de esterificação do ácido tereftálico e do etileno glicol. A implementação numérica foi realizada em GNU Octave. Para efeitos de validação da implementação em GNU Octave, simulou-se o arranque do reator descontínuo. Os perfis de simulação são concordantes com os resultados da implementação numérica em Fortran de Seavey and Liu (2009).Numa segunda aplicação, o modelo cinético foi introduzido num simulador de um esterificador contínuo dinâmico em que são consideradas as fases sólida, liquída e de vapor tal como em Seavey and Liu (2009). Nesta dissertação, para poder aplicar o modelo no contexto de controlo avançado de processos, as estruturas do modelo de caracter descontínuo foram suavizadas recorrendo a duas abordagens de suavização. O simulador foi desenvolvido recorrendo à liguagem de programação GNU Octave. Os resultados de simulação do arranque do reator são concordantes com os perfis determinados por Seavey and Liu (2009), com pequenas diferençãs observadas na vizinhança de pontos de operação em que se verifica as descontinuidades no modelo original. Para além disso, um estudo das condições operatórias foi realizado para razões mássicas entre os caudais de EG e TPA na gama [0.1, 0.9] e para temperaturas na gama [246, 286 ] ºC. A análise da variação da conversão, viscosidade intrínseca, produção molar de PET e peso molecular médio numérico permite concluir que o reator exibe um comportamento não-linear muito pronunciado.Finalmente, na terceira aplicação desenvolveu-se um controlador preditivo baseado em modelos não-lineares (NMPC) usando o sistema Plantegrity® de modo a otimizar a operação do reator primário de esterificação. Para poder-se desenvolver NMPC neste sistema foi necessário implementar o modelo do reator contínuo na linguagem de programação C++ por ser a linguagem base do sistema Plantegrity®. Foram realizados diferentes testes, em ciclo fechado, para demonstrar o desempenho do NMPC quer em controlo regulador, quer em controlo servo. O controlador determinou com sucesso os perfis ótimos das variáveis do processo, com o consequente melhoramento do desempenho económico do reator e satisfazendo as especificações do produto final.

This dissertation contributes to the modelling, simulation, and control of the primary esterifier reactor present in the polyethylene terephthalate production processby terephthalic acid based technology.Polyethylene terephthalate, commonly known as PET or PETE, has globally oneof the biggest production volumes in the polymer industry that has enjoyed continuous investment due to its versatility, low cost, and environmental friendliness. PET is mainly obtained by TPA (terephthalic acid) based technology via a continuous complex polymerisation process comprising several stages whose mathematical modelling is not a trivial task. The primary esterifier is the first stage where PET formation occurs. This process features several side reactions producing chemicals with a big negative impact on the final product quality.The present work has resulted in three applications of the primary esterifier model. The first application consists of a batch reactor simulator that implements a complete segment-based primary esterifier model proposed by Seavey and Liu (2009) and that incorporates a kinetic model for the direct esterification reaction of the ethylene glycol and terephthalic acid. The software was written in GNU Octave. For validation purposes, a case study of the batch reactor start-up showed that the simulated results are in agreement with the data obtained from the Fortran numerical implementation by Seavey and Liu (2009).In the second application, the reaction kinetic model was introduced into a dynamic continuous esterifier simulator considering vapour, liquid, and solid phases, as in Seavey and Liu (2009). In this dissertation, to enable the use of the model in real- time optimisation tools such as advanced process control, the discontinuous structures of the dynamic model were smoothed out using two different smoothing approaches. The resulting continuous process simulator, also implemented in GNU Octave, was used in the case study of the reactor start-up. The dynamic profiles show a good agreement with the results of Seavey and Liu (2009), although minor differences were observed near the points were the switching between different model structures occurs because of the application of the smoothing functions. Furthermore, a study on the operating conditions was accomplished for ratios between feed ethylene glycol and total feed mass flowrates in the ranges of [0.1, 0.9] and for temperatures in the range of [246, 286 ] ºC. The influence on conversion, intrinsic viscosity, molar PET production rate, and number-average molecular weight confirmed the strong nonlinear behaviour of the esterifier dynamic model. Finally, the third application is a nonlinear predictive controller, implemented using the Plantegrity® system, with the purpose of the optimisation of the PET primary esterifier operation. In the process of the controller construction, the nonlinear first principle model was translated to C++, the core language of Plantegrity® . Several tests were carried out in order to demonstrate the system capabilities of performing regulatory and servo control. The controller determined successfully the optimal profiles of the process variables improving the process economic performance while complying with the final product specifications.