پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

کنترل فازی دمای رآکتور نیمه‌پیوسته تهیه پلی‌اتیلن‌ترفتالات مبتنی بر قوانین فازی زبانی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

امیر کرمی
مهدی رفیع زاده

دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده
در این پژوهش، به کنترل دمای رآکتور نیمه‌پیوسته تولید پلی‌اتین ترفتالات پرداخته شده است. بدلیل مکانیزم و سینتیک پیچیده فرآیندهای پلیمریزاسیون که عمدتا بشدت غیرخطی نیز می‌باشند، بدست آوردن یک مدل نسبتا دقیق برای این فرآیند امری مشکل و نیازمند صرف هزینه و زمان است. دمای پلیمریزاسیون بعنوان متغیر واسط، تعیین کننده خواص نهایی پلیمر می‌باشد. دما ، از آنجا که امکان اندازه‌گیری آسان آن وجود دارد، یکی از بهترین گزینه‌های کنترل رآکتورهای پلیمریزاسیون است. منطق فازی توانایی اعمال بر روی فرآیندهای که دینامیک آنها کاملا شناخته شده نیست، را دارد. پس از اندازه‌گیری دما، خطا و تغییرات خطا محاسبه می‌شود. با استفاده از مجموعه‌های فازی مثلثی شکل، خطا و تغییرات خطا فازی سازی شده است. سپس قوانین فازی برای گرمای اعمال شده به رآکتور ارائه شده است. پنج مجموعه فازی برای خطا و سه مجموعه فازی برای تغییرات خطا بکار برده شده است. در نتیجه پانزده قانون مختلف بکار برده شده است. این پانزده قانون براساس پنج مجموعه فازی مقدار گرما برای هر قانون را ارائه می‌نماید. از روش میانگین وزنی برای غیرفازی‌سازی استفاده شده است. پلی‌اتیلن ترفتالات براساس روش دو مرحله‌ای استریفیکاسیون و پلی‌کندانسیون در رآکتور نیمه‌پیوسته سنتز شده است. رآکتور مربوطه بگونه‌ای ساخته شده که دما، فشار، سرعت چرخش و گشتاور را اندازه‌گیری می‌نماید. آب تولید شده برای تعیین پیشرفت واکنش در مرحله استریفیکاسیون استفاده می‌شود. در مرحله پلی‌کندانسیون از تغییرات گشتاور، انتهای فرآیند تعیین می‌شود. منطق کنترل فازی مبتنی بر قوانین زبانی در هر دو مرحله استریفیکاسیون و پلی‌کندانسیون اعمال گردید. دمای مرجع در این دو مرحله بترتیب 230oC و 260oC می‌باشد که با دقت 1-2oC و بصورت هموار کنترل شده‌اند. منطق کنترلی با استفاده از زبان برنامه‌نویسی C#.net بطور بلادرنگ به رآکتور اعمال شده است.

کلیدواژه‌ها

پلی‌اتیلن‌ترفتالات
‌کنترل‌کننده فازی
رآکتور نیمه‌پیوسته
کنترل دما
قوانین زبانی

موضوعات

عنوان مقاله English

Fuzzy Control of Semibatch Poly(ethylene terephthalate) Reactor Temperature based on Linguistic Rules

نویسندگان English

Amir Karami
Mehdi Rafizadeh
Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
چکیده English

Research subject: It is not an easy task to get a suitable model of polymerization due to complex mechanism and kinetic of such processes. Polymerization temperature, as an intermediate variable between determining final polymer properties, is a good selection to be controlled. Fuzzy logic has ability to be applied to processes with unknown or less informed dynamics.

Research approach: In this research, control of semi batch poly(ethylene terephthalate) reactor temperature was studied. To do so, error and error variation were calculated using measured reactor temperature. Error and error variation were fuzzified using triangular membership functions. Five and three fuzzy sets were introduced to fuzzify error and error variation, respectively. Hence, fifteen rules were defined. Five fuzzy sets were defined to quantify these fifteen rules. Weight average defuzzification method was applied to calculate necessary heat to the reactor. Poly(ethylene terephthalate) was synthesized in a semi batch reactor based on a two steps method. It is possible to monitor temperature, pressure, rotation speed and mixing torque in this set up.

Main results: Produced water during esterification determines reaction advancement. In polycondensation step, mixing torque determines end of the process. Linguistic based fuzzy rules were applied to both steps. Reference temperatures were 230oC and 260oC, respectively. Reactor temperature was controlled with 1-2oC precision. Control logic was applied using C#.net real time programming.

کلیدواژه‌ها English

Poly(ethylene terephthalate)
Fuzzy controller
Semi-batch reactor
Temperature control
Linguistic rules
1. Scheirs, J. and Long T. E., Modern polyesters: chemistry and technology of polyesters and copolyesters, John Wiley & Sons, 31-104, 2005.
2. Tserki V., Matzinos P., Pavlidou E., Vachliotis D. and Panayiotou C., Biodegradable aliphatic polyesters. Part I. Properties and biodegradation of poly(butylene succinate-co-butylene adipate), Polymer Degradation and Stability, 91, 367-376, 2006.
3. Jacquel N., Freyermouth F.,Fenouillot F., Rousseau A., Pascault J. P., Fuertes P. and Saint-Loup R., Synthesis and Properties of Poly(butylene succinate): Efficiency of Different Transesterification Catalysts, J. Polymer Sci. Part A: Polym. Chem., 49, 5301–5312, 2011.
4. Jacquel N., Saint-Loup R., Pascault J. P., Rousseau A. and Fenouillot F., Bio-based alternatives in the synthesis of aliphaticearomatic polyesters dedicated to biodegradable film applications, Polymer, 59, 234-242, 2015.
5. http://www.pressreleasepoint.com/gbi-polyethylene-terephthalate-pet-market-2020 reports res‌earchcom.
6. Fakirov S. (ed.), Handbook of thermoplastic polyesters, homopolymers, copolymers, blends & composites, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 3-103, 2002.
7. Tomita K., Studies on the formation of poly(ethylene terephthalate): 1. Propagation and degradation reactions in the polycondensation of bis(2-hyd roxyethyl) terephthalate, Polymer, 14 (February), 50-54, 1973.
8. Rieckmann T., Rösner F., and Völker S., Mass transfer and volatilization of small molecules in molten poly(ethylene terephthalate), ECCE2-Second European Congress of Chemical Engineering Montpellier, October ,1999.
9. Rieckmann T. and Volker S., Micro-kinetics and mass transfer in poly(ethylene terephthalate) synthesis, Chem. Eng. Sci., 56, 945-953, 2001.
10. Kim J. Y., Kim H. Y. and Yeo Y. K., Identification of Kinetics of Direct Esterification Reactions for PET Synthesis Based on a Genetic Algorithm, Korean J. Chem. Eng., 18(4), 432-441, 2001.
11. Zhu Y., Wang Y., Sha L., Zhao J. and Li X., Design of antibacterial polyethylene terephthalate masterbatch functionalized by modified nano-Mg(OH)2, J. Appl. Polym. Sci., 135(46): 46755, 2018.
12. Koyuncu M. and Alwazeer D., Determination of trace elements, heavy metals, and antimony in polyethylene terephthalate–bottled local raw cow milk of Iğdır region in Turkey, Environ Monit Assess, 191, 666, 2019.
13. Mecozzi M. and Nisini L., The differentiation of biodegradable and non-biodegradable polyethylene terephthalate (PET) samples by FTIR spectroscopy: A potential support for the structural differentiation of PET in environmental analysis, Infrared Physics and Technology, 101, 119–126, 2019.
14. Hosen M. A. and Hussain M. A., Optimization and control of polystyrene batch reactor using hybrid based model, Proceedings of the 11th International Symposium on Process Systems Engineering, Singapore, 15-19 July, 760-764, 2012.
15. Ibrehem A. S., Hussain M. A. and Ghasem N. M., Decentralized Advanced Model Predictive Controller of Fluidized-Bed for Polymerization Process, Iran. J. Chem. Chem. Eng., 31(4), 91-117, 2012.
16. Ghugare S. B. and Tambe S. S., Development of Genetic Programming based Softsensor Model for Styrene Polymerization Process and its Application in Model based Control, Indian Control Conference (ICC), Hyderabad, India, January 4-6, 238-244, 2016.
17. Wang K., Lv X. and Zhang G., The application of rough set in polymerization reaction temperature control, 2010 International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering (CMCE), Changchun, China, 24-26 August, 360-363, 2010.
18. Lima N. M. N., Linan L. Z., Filho R. M. and Maciel M. R. W., Modeling and Predictive Control Using Fuzzy Logic: Application for a Polymerization System, AIChE J., 56(4), 965-978,2010.
19. Precup R. E. and Hellendoorn H., A survey on industrial applications of fuzzy control, Computers in Industry, 62, 213–226, 2011.
20. Kumar V., Nakara B. C. and Mittal A. P., A review on classical and fuzzy PID controllers, Intern. J. Intelligent Control and Systems, 16(3), 170-181, 2011.
21. Sohrabi A. and Rafizadeh M., Condenser Temperature Control of an Ethylene Terephthalate Polymerization Reactor Using Fuzzy-logic and Classic Control Methods, 3rd International Conference on Control, Instrumentation, and Automation (ICCIA 2013), Tehran, Iran, December 28-30, 192-199, 2013,
22. Hosen M. A., Khosravi A., Nahavandi S. and Creighton D., Control of Polystyrene Batch Reactor Using Fuzzy Logic Controller, 2013 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Washington DC, USA, October 13, 4516-4523, 2013.
23. Sanchez-Arrieta N., de Ilarduya A. M., Alla A., Munoz-Guerra S., Poly(ethylene terephthalate) copolymers containing 1,4-cyclohexane dicarboxylate units, European Polymer J., 41, 1493–1501, 2005.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما