Para concluir lo presentado en este capítulo, se realiza una comparación entre los resultados presentados en la sección 4.5 y 4.7, con el fin de observar las diferencias en las respuestas obtenidas tanto en un controlador PID como en un MPC. Si bien ambas estrategias han presentado un buen comportamiento frente a perturbaciones de cualquier variable de entrada, existen diferencias tanto en la magnitud del cambio, como en su offset.
La Figura 4-13 muestra la comparación de las estrategias MPC y PID para el perfil óptimo del capítulo anterior. Se puede establecer, para el caso del MPC que la etapa de calentamiento se realiza más rápido por lo que en un momento supera la condición de operación. No obstante, la respuesta del reactor para reducir la temperatura hasta la deseada es igual de rápida a la obtenida mediante el PID.
Figura 0-13. Comparación de respuestas de controladores MPC y PID y su adaptación al perfil
óptimo.
Por otra parte, si se analiza el cambio del fluido de intercambio para diferentes condiciones de temperatura dentro del reactor, las diferencias entre estrategias de control son más evidentes. A diferencia del caso de PID, el MPC realiza un calentamiento más pronunciado hasta alcanzar la temperatura de reacción, este rápido aumento se debe a la disminución de fluido de enfriamiento en la primera hora de proceso, lo que permite un calentamiento exclusivo mediante el calor de polimerización.
Cabe resaltar que para el caso del MPC el sistema reduce su error en la etapa final de formación de polímero, contrario a lo que se presenta con el controlador PID. Esta respuesta puede deberse a dos factores: Primero, el tiempo de respuesta que hay entre un cambio de apertura de válvula hasta el instante que hay un cambio real en la variable de control. Segunda, debido a la sensibilidad paramétrica del sistema de reacción, por la cual un mínimo cambio del flujo de alimentación puede hacer que la energía retirada en ese instante de tiempo no sea suficiente para mantener el perfil de temperatura.
En este capítulo se trató el control de una reacción de polimerización en emulsión mediante dos estrategias PID y MPC. La primera realiza su actuación sobre una variable manipulada a partir del error que tiene la variable de control con respecto a una condición preestablecida. Mientras que el MPC determina la acción de la variable manipulada a través de una predicción en un tiempo futuro de la variable de control. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 1 2 3 4 5 6 7 8 T em perat ura ( C) Tiempo (h) Optimización PID MPC 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Flujo Fluid o Inter ca m bio (m 3/h ) Tiempo (h) Optimización PID MPC
Para establecer los parámetros de un controlador PID es necesario conocer los puntos de estabilidad del proceso. Para ello, se buscaron las raíces imaginarias que hacen al sistema de reacción inestable. Basados en la ubicación de dichas raíces, se realizó la determinación de los parámetros PID, los cuales para un reactor de alimentación continua deben variar debido a la inexistencia de un estado estable, lo que permite una adaptación del sistema al momento del proceso.
Por la inexistencia de un estado estable se evalúa el desempeño de un control bajo un modelo predictivo, en donde se determina la acción de control de la variable manipulada a partir del modelo de proceso y su afectación en un tiempo futuro.
Se encontró una buena adaptación del sistema de polimerización a las estrategias de control tanto PID como MPC, siendo la de MPC la que mejor esboza el comportamiento óptimo de la temperatura obtenido en el capítulo 3. Sin embargo, el buen comportamiento de una estrategia tipo PID mantiene su vigencia en cualquier proceso, ya que tiene menor grado de complejidad para una implementación industrial, y en el caso específico de la polimerización en emulsión de acetato de vinilo, esta estrategia genera un error aceptable, pues evita que el sistema se aleje de los puntos de operación.
CAPÍTULO 5.
VALIDACIÓN EXPERIMENTAL PROCESO
DE POLIMERIZACIÓN EN REACTOR
PILOTO
La polimerización en emulsión es un proceso que exhibe una complejidad elevada, generada por la exotermicidad de la reacción, los fenómenos de transporte de sustancias entre las diferentes fases de reacción, el mecanismo de reacción y los cambios en la viscosidad de la mezcla reaccionante, entre otros. Todo esto hace que el estudio de este tipo de sistemas no pueda limitar su alcance a etapas meramente conceptuales; por el contrario, se requiere de un trabajo experimental y en condiciones cercanas a las industriales (nivel piloto) para poner en evidencia la complejidad del sistema y las múltiples interacciones fisicoquímicas que se presentan. El objetivo principal, es poder contrastar los resultados obtenidos vía simulación, a través de modelos matemáticos del sistema, en los que se plantean opciones de mejora y optimización de la operación.
En este capítulo se describe en detalle la validación experimental de la polimerización en emulsión de acetato de vinilo. Para ello, se adaptó un reactor a escala piloto en el Laboratorio de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Colombia el cuál se operó de acuerdo con los resultados de simulación obtenidos previamente y con las condiciones de operación establecidas a partir de la experiencia de la compañía Preflex S.A.
El reactor cuenta con dos sistemas de alimentación, uno para el monómero y otro para el iniciador; un condensador para el retorno del monómero volatilizado, un sistema de agitación con variador de velocidad y un espacio de alimentación en la chaqueta para el agua y para el vapor, dependiendo de la etapa de reacción en la que se encuentre. De igual manera, se cuenta con un sistema de control adecuado a un PLC Siemens S7-1200