Modeling, Control and Optimization of a Plate Reactor

Abstract

A new chemical reactor, the Alfa Laval Plate Reactor, is being developed by Alfa Laval, a Swedish world-leading heat exchanger company. The plate reactor combines the high-heat-transfer capabilities of plate heat exchangers with the efficient mixing and reaction control typical of microreactors. With this new concept, highly exothermic reactions can be produced using more concentrated reactants and more accurate temperature control. This will reduce the reaction time and the need for downstream separation, thus saving energy and reducing the impact on the environment.



The focus of this thesis is to develop and apply control methods to take advantage of the full potential of the novel plate reactor concept. A nonlinear model of the reactor is derived based on first principles to conduct a system analysis and enable model-based control. The physical model allows a detailed investigation of the potential control inputs and how the process design and choice of inputs may affect the control design. Two control concepts are examined, decentralized control using multi-loop PID controllers and centralized control using Model Predictive Control. The concepts are evaluated and compared in terms of design methods, performance and practical aspects. A cooling system is designed and experimentally verified, where a mid-ranging control structure is implemented to increase the operating range of the hydraulic equipment.



The start-up control problem is challenging due to process uncertainty, highly nonlinear dynamics and input and temperature constraints. The dynamics and the constraints are easily captured by the process model in the optimization problem. The open question is how to address the process uncertainty. Here, robustness to uncertainty is achieved by introducing state-space constraints in the optimization formulation, which decrease the sensitivity of the optimal solution. The start-up control problem has been approached from two sides, a time-driven continuous approach and an event-driven hybrid approach.



Some of the results are specific for the plate reactor, but many parts may be generalized to other applications, for example the decentralized and centralized control design, the start-up/transition control design and use of mid-ranging control to handle two-input one-output systems.

Abstract (Swedish)

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.

• author: Haugwitz, Staffan
• supervisor: Per Hagander
• opponent: Professor Hoo, Karlene, Texas Tech University, USA
• organization: Department of Automatic Control
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Control Engineering
• keywords: mid-ranging control, transition control, start-up, exothermic reaction, chemical reactor, modeling, process control, optimization, Automation, robotics, control engineering, Automatiska system, robotteknik, reglerteknik
• in: PhD Thesis TFRT-1080
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2007-10-12 10:15:00
• ISSN: 0280-5316
• ISSN: 0280-5316
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2afac599-c7e1-414c-8f2d-9e1bf7095b81 (old id 598960)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:01:04
• date last changed: 2019-05-23 15:58:52