Modeling, Control and Optimization of a Plate Reactor

Abstract: Popular Abstract in Swedish En ny typ av reaktor för kemikalie och läkemedelsproduktion är under utveckling av Alfa Laval AB, ett svenskt företag som är en världsledande tillverkare av värmeväxlare. Den nya reaktortypen, som kallas för plattreaktor, kombinerar den höga värmeöverföringsförmågan från plattvärmeväxlaren med den effektiva mikro-mixningen av kemikalier som är typisk för en mikro-reaktor, därav namnet plattreaktor. Med detta nya rektorkoncept kan man hantera kraftigt exoterma reaktioner med högre koncentrationer och få en noggrannare temperaturreglering. Detta kommer att korta reaktionstiden och behovet av separering, vilket sparar energi, tid och miljö. Målet med avhandlingen är att utveckla och tillämpa reglermetoder för att kunna utnyttja den potential som det nya reaktorkonceptet erbjuder. En olinjär fysikalisk modell av plattreaktorn har tagits fram, vilken har använts till systemanalys och modellbaserad reglering. Baserat på modellen har olika styrsignaler undersökts och hur processdesignen och val av styrsignaler påverkar reglerdesignen. Två reglerkoncept har undersökts, decentraliserad reglering med PID-regulatorer och centraliserad reglering med modellpredikterande reglering. Dessa två koncept har utvärderats och jämförts ifråga om designmetodik, prestanda och praktisk tillämpbarhet. Ett kylsystem har designats och utvärderats i experiment, där en mitthållningsregulatorstruktur har implementerats för att utöka användningsområdet för den befintliga utrustningen. Uppstartsreglering är ett svårt problem på grund av modellosäkerhet, kraftiga olinjäriteter samt begränsningar i styrsignaler och temperaturer. Dynamiken och begränsningarna kan enkelt beskrivas med en modell, den stora frågan är hur man ska representera och hantera osäkerheten i processen. I avhandlingen uppnås robusthet mot osäkerhet genom att införa tillståndsbegränsningar i optimeringsformuleringen, vilket reducerar känsligheten av den optimal lösningen. Två olika metoder för att få robust uppstart har utvecklats, en tidsstyrd kontinuerlig metod och en tillståndsstyrd hybrid metod. Vissa av resultaten i denna avhandling är specifika för plattreaktorn, men många delar kan generaliseras till andra tillämpningar, till exempel design av decentraliserad respektive centraliserad reglering, design av uppstartsreglering och hur man på olika sätt använder en mitthållningsregulator för att reglera system med två insignaler och en utsignal.