Modelado, simulación y control de la temperatura de un reactor continuo de tanque agitado (CSTR) para un proceso exotérmico

Abstract

En el presente trabajo de tesis se lleva a cabo el modelado matemático, la simulación dinámica y el control de la temperatura de un reactor continuo tipo tanque agitado (CSTR), utilizando el programa y lenguaje de programación OCTAVE. El modelo dinámico se valida con el simulador de procesos UNISIM. El CSTR es inestable en lazo abierto, por lo tanto, el control de la temperatura es de vital importancia para la operación segura, estable y rentable del CSTR. El modelo dinámico y no lineal del CSTR se deduce a partir de las leyes fundamentales de conservación de la materia y energía. El modelo también es linealizado con el fin de analizar su estabilidad mediante el criterio de estabilidad de Nyquist. El proceso estudiado es la producción de propilenglicol a partir de la hidrólisis del óxido de propileno, cuya principal reacción es irreversible y exotérmica (libera calor). Para remover el calor generado y poder controlar la temperatura dentro del reactor se hace circular agua de enfriamiento a través de la camisa del reactor. El CSTR es un proceso con una dinámica compleja debido a su fuerte no linealidad, y por lo tanto, es difícil de controlador mediante el esquema de control convencional (un solo lazo). Por tal motivo, en esta tesis se propone una estrategia de control mejorada como el control en cascada (dos lazos de control: primario y secundario) para lograr el control preciso y eficaz de la temperatura del CSTR. Las simulaciones demuestran que el desempeño dinámico del control en cascada es superior al control convencional para perturbaciones en el sistema de enfriamiento con agua, específicamente en la temperatura de alimentación, con una respuesta más rápida, un menor sobreimpulso y esfuerzo en la válvula de control. Los parámetros del controlador PID en el esquema convencional se determinan a partir de la ganancia y periodo últimos obtenidos del diagrama de Nyquist y utilizando las reglas de sintonización de Tyreus-Luyben. En el control en cascada, los parámetros de los controladores primario y secundario (PID y PI, respectivamente) se calculan a partir de reglas de sintonización PID basadas en el método de Síntesis Directa (o equivalentemente el método de Control por Modelo Interno).

In the present thesis is carried out the mathematical modeling, the dynamic simulation and temperature control of a stirred tank continuous reactor (CSTR), using the program and programming language OCTAVE. The dynamic model is validated with the process simulator UNISIM. The CSTR is open-loop unstable, hence the control of the temperature is of vital importance for the safe, stable and profitable operation of the reactor. The dynamic and non-linear model of the CSTR is deduced from the fundamental laws of conservation of matter and energy. The model is also linearized in order to analyze its stability using the Nyquist Stability Criterion. The process studied is the production of propylene glycol from the hydrolysis of propylene oxide, which main reaction is irreversible and exothermic (releases heat). To remove the heat generated and to control the temperature inside the reactor, cooling water is circulated through the reactor jacket. The CSTR is a process with a complex dynamic due to its strong non-linearity, and therefore, it is difficult to control using the conventional control scheme (a single-loop). For this reason, this thesis proposes an enhanced control strategy such as cascade control (two control loops: primary and secondary) to achieve precise and effective control of the temperature of the CSTR. The simulations show that the dynamic performance of cascade control is superior to conventional control for disturbances in the cooling water system, specifically supply temperature, with a faster response, less overshoot and effort in the control valve. The parameters of the PID controller in the conventional scheme are determined from the ultimate gain and period obtained from the Nyquist diagram and using the Tyreus-Luyben tuning rules. In the cascade control, the parameters of the primary and secondary controllers (PID and PID, respectively) are calculated from PID tuning rules based on the Direct Synthesis method (or equivalently the Internal Model Control method).