ADVANCED STRATEGIES FOR COMPOSITION CONTROL IN SEMI-CONTINUOUS EMULSION POLYMERIZATION - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2000

ADVANCED STRATEGIES FOR COMPOSITION CONTROL IN SEMI-CONTINUOUS EMULSION POLYMERIZATION

Résumé

Advanced control is becoming imperative for various processes, and polymerization processes are absolutely no exception. The major objectives of on-line monitoring and control of polymerization processes are maintaining the process safety, manufacturing polymers with well-defined properties, and reducing costs.

Polymers are found in a large variety of products. It is a well accepted fact that a significant quantity of polymers are manufactured in emulsion polymerization, and that the economic importance of these products is beyond question. The reaction medium in emulsion polymerization involves the dispersion of one or more monomers (which are usually partially or totally hydrophobic) in a continuous aqueous phase* with a water soluble initiator and an emulsifier. The reaction therefore takes place under heterogeneous conditions, and the final product, called a latex, consists of suspended polymer particles in water, stabilized by the emulsifier.

Industrial emulsion polymerization processes can be classified into two groups according to the final use of the latex. In some emulsion polymerization processes the produced latex is an intermediate product, and it is coagulated after the fact to give the final bulk polymer (e.g. polyvinyl chloride, styrene butadiene rubber). In other processes, the produced polymer is used directly (or perhaps after some intermediate formulation steps) in the form of a latex. Polymers produced in this way are used as water-based paints (acrylics lattices), adhesives (polyvinyl acetate latex), and finishes for textiles, paper or leather (acrylic polymers).


* Of course not all emulsions use water as the continuous phase. Water-in-oil, or inverse processes also exist. However, we will limit our discussion to the more common oil-in-water processes.

The final latex properties depend on the polymer molecular weight distribution, particle size distribution, morphology, glass transition temperature, and composition (when several monomers are used). These properties are strongly determined by the amount and type of additives, initiator, emulsifier and chain transfer agent, the monomer addition policy, the reaction temperature and the reactor configuration. Hence, emulsion polymerization processes are characterized by a large number of manipulated variables, which means that, in order to describe the relationships between them, we would need highly complex process model.

In order to ensure the economical production of a polymer with the desired properties under safe conditions, important decisions must usually be made during plant operation, by means of automatic on-line control. In the context of control, the process is a dynamic system (described by a set of differential equations) with well-known inputs (that can usually be used as manipulated variables), process 'states' that are the variables representing the evolution of the process, and finally measured process outputs (which are usually a combination of the process states). Control of the process states is based on a suitable process model. It also requires some on-line state measurements. In spite of the importance of emulsion polymerization, process control is still a particularly difficult task. The difficulties in controlling emulsion polymerization are often associated with the lack of on-line measurements of several properties, the high reaction rate, the sensitivity of the reaction to small amounts of additives, and the highly complex reaction networks that result in a complex nonlinear model combined with a number of unknown variables.


One of the main control objectives in an emulsion polymerization process is to track polymer composition. This is of absolute importance in terms of final properties of the produced polymer-e.g. glass transition temperature, particle morphology, mechanical and chemical resistances. Controlling polymer composition is indispensable if several monomers with different reactivity ratios are involved in the reaction at a nonazeotropic monomer composition, which is the case of most industrial systems. If no control action is taken in this case, the polymer composition will vary during the reaction, and this will lead to a heterogeneity in the polymer properties (unless the polymer is made in a CSTR). Polymer composition can however be controlled by employing appropriate monomer feed flow rates. The most efficient monomer addition policy, in terms of composition control and simultaneous minimization of process time consists of applying a variable monomer feed flow rate of the more reactive monomer(s), that should be a function of the residual amount of monomer remaining in the reactor and their reactivity ratios. Therefore, controlling polymer composition requires on-line measurement of the polymer composition and the instantaneous quantity of residual monomers, an adequate mathematical model correlating the monomer feed flow rates with the produced polymer composition (inputs-outputs), and finally the use of a robust control technique.


On-line sensors developed for the direct monitoring of emulsion polymerization can be classified into two broad categories: sensors that require a sampling device or a circulating loop to perform the analysis (e.g. gas chromatography and densimetry), and in situ sensors (e.g. Spectroscopic and ultrasonic probes). The copolymer composition can be monitored by means of on-line gas chromatography (based on the analysis of the residual monomer), or by densimetry (if combined with an additional sensor). However, the measurements in these sensors present some difficulties related to the latex sampling and treatment, and sometimes, time delays caused by long analysis times. This is not to say that we cannot use these sensors, by rather we must be aware of their limitations. In the second category, the analysis is performed in the reactor, and therefore problems related to time delays and to plugging of the sampling loop are minimized. However, some sensors such as the infrared spectroscopy, while very promising, are still in the stage of development, and we are still faced with the problem of coagulation on the sensor. When these techniques become available, they will provide valuable information on the state of the reactor. Nevertheless, given the complicated nature of emulsion systems, we will still need to apply advanced control strategies such as those outlined in what follows.

Due to the difficulty of performing on-line measurements of all the states of the process, combined with a lack of accurate phenomenological models, estimation techniques have been developed to infer estimates of certain variables that are not available on-line, from auxiliary measurements. State observers, or software sensors, are designed based on the process model and on the process outputs. If the observability conditions are satisfied, the observer reconstructs some of the unmeasurable states of the model from the available measurements. Good state observers can overcome modeling uncertainties and measurement noise, and are therefore useful for process monitoring, control, fault detection, and are also used as filters of random effects associated to the measurements.

Despite the highly nonlinear behavior of the polymerization process, mainly due to the reaction rate, linear estimation (e.g. Kalman filter) techniques have usually been used to infer information about the evolution of several unmeasurable states of the process. Similarly, linear control techniques (PID, adaptive) have usually been applied to track several variables of the linearized nonlinear system. This is due to the difficulty of dealing with nonlinear systems and to the fact that nonlinear estimators are usually restricted to a class of nonlinear systems. However, linear estimation and control techniques are inadequate for highly nonlinear processes. Nowadays, recent developments in nonlinear theory allow us to implement nonlinear estimation (e.g. high gain observer) and control (e.g. geometric control) techniques to several classes of systems without extensive calculations.

The main objective of this research is to apply such nonlinear techniques to estimate and control the polymer composition, and to maximize the process productivity under safe reactor operation. The fundamental on-line information about the evolution of the process is obtained by calorimetry. Calorimetry is often useful in vinyl polymerization reactions, since they tend to be very exothermic. On an industrial level, the main use of calorimetry is currently reactor safety (by reactor temperature control), and the estimation of the rate of heat produced by the polymerization, which is proportional to the overall reaction rate.

In Chapter 2 we will review the theoretical nonlinear estimation and control techniques that will be used throughout this research. Calorimetry will be discussed in Chapter 3. The observer development to estimate the polymer composition in co- and terpolymerization processes is presented in Chapters 4 and 5. In Chapter 6, we develop a control strategy for polymer composition for both co- and terpolymerization processes. Finally, in Chapter 7, we treat the topic "Maximizing productivity under safe conditions", where the polymer composition is controlled and the reaction rate is simultaneously maintained at a predefined maximum limit.
La nécessité de produire des polymères avec des propriétés spécifiques et reproductibles, de minimiser le temps et les coûts et de contrôler la sécurité de l'expérience nous contraint à utiliser des méthodes avancées de contrôle de procédés de polymérisation.

Les polymères sont aujourd'hui utilisés dans des domaines différents. Une grande partie de ces polymères est produite en émulsion. La formulation de base d'une réaction de polymérisation en émulsion classique, contient de l'eau qui constitue la phase continue, et des monomères qui sont dispersés dans l'eau et stabilisés grâce à un agent émulsifiant. Les particules de polymère ainsi produites sont suspendues dans l'eau, grâce à l'émulsifiant. Le milieu résultant est donc appelé 'latex'.

Les propriétés du latex dépendent de beaucoup de paramètres, tels que la distribution de la masse molaire de polymère, la distribution des tailles de particules, la température de transition vitreuse, la morphologie, et la composition du polymère, si la réaction fait intervenir plusieurs monomères. Ces propriétés sont influencées par plusieurs variables, la nature et la quantité des additifs tels que, l'amorceur, le tensioactif les agents de transfert éventuels, la façon dont ces produits et les monomères sont introduits dans le réacteur, la température de la réaction, l'agitation, et le type de réacteur utilisé. Ces nombreuses variables sont alors nos variables de commande, que nous devons faire varier pour obtenir les propriétés désirées.

En réalité, afin d'obtenir des propriétés spécifiques, tout en assurant la sécurité du procédé, plusieurs paramètres sont fixés a priori, tels que la quantité initiale de réactifs et la température de la réaction. Ceci dit, plusieurs paramètres restent à faire varier en ligne, pendant la réaction, comme la température de la double enveloppe, pour maintenir la réaction à la température prévue, et le débit d'ajout des monomères, qui nous permettront de contrôler les propriétés du latex (la taille des particules et la composition du polymère). Ce genre d'intervention en ligne pour améliorer la qualité et la sécurité du procédé, le contrôle en ligne du procédé de polymérisation en émulsion, sont l'objet but principal de ce travail.

Du point de vue du contrôle, le procédé est un système dynamique (représenté par des équations différentielles) possédant des entrées, des états (les variables décrivant l'évolution du procédé), et finalement des sorties (qui sont les variables mesurées en ligne, et sont en général, une combinaison des états du système).

Pour contrôler un procédé, un modèle représentatif de ce procédé est nécessaire. Faute de trouver un modèle parfait du procédé, des informations en ligne provenant des sorties du système, s'avèrent nécessaires pour accomplir la stratégie de contrôle. En réalité, les raisons pour lesquelles, les méthodes de contrôle avancées n'ont pas été utilisées lors des procédés de polymérisation en émulsion sont le manque de capteurs en ligne capables de donner des mesures pour la plupart des propriétés des polymères, la rapidité de la réaction, la sensibilité de la réaction à la présence de petites quantités d'additifs, la nonlinéarité du modèle du procédé et le grand nombre de paramètres inconnus dans le modèle et l'interaction entre ces paramètres.

Une des propriétés intéressantes à contrôler lors des procédés de polymérisation en émulsion, est la composition du polymère, pour les procédés faisant intervenir plusieurs monomères à une composition non azéotropique. La composition du polymère intervient au niveau de la détermination de la température de transition vitreuse, des propriétés mécaniques, ainsi que de la morphologie du polymère. Il a été trouvé dans la littérature que l'ajout du monomère le plus réactif à des débits variables est la méthode la plus efficace pour contrôler la composition tout en assurant une vitesse de réaction relativement élevée. En utilisant une méthode avancée de contrôle, nous pouvons alors maintenir la composition à une valeur désirée. Ceci nécessite une connaissance approfondie du procédé ainsi que la mesure en ligne de la composition de polymère.

Les capteurs en ligne utilisés pour suivre les procédés de polymérisation en émulsion peuvent être divisés en deux catégories: des capteurs nécessitant une boucle de circulation externe, ou un système de prise d'échantillons afin d'effectuer l'analyse (Chromatographie en phase gazeuse, densimétrie); et des capteurs in situ qui effectuent les analyses dans le réacteur (Spectroscopie Infrarouge, sondes ultrasons). La chromatographie en phase gazeuse peut être utilisée pour mesurer, en ligne, la composition du mélange de monomère résiduel, si le réacteur est équipé d'un système automatique de prise d'échantillons, de dilution, dans certains cas, et d'injection dans le chromatogramme. La densimétrie a été également utilisée pour la mesure en ligne de la composition du polymère. Une boucle de circulation du latex dans l'appareil est donc indispensable pour effectuer l'analyse. Cependant ces deux méthodes présentent quelques difficultés expérimentales, telles que la floculation du latex dans les appareils et le retard des analyses, qui sont dues, pour partie, au transfert du latex. C'est pourquoi, les expériences sont préférablement suivies avec les capteurs in situ, où l'analyse est effectuée dans le réacteur. Cependant, ces capteurs, tels que l'infrarouge, l'ultrason et la spectroscopie Raman sont en phase de développement, et nous ne possédons pas encore de modèles complets liant ces mesures avec les propriétés du latex.

Le manque de capteurs en ligne qui donnent des mesures réelles des procédés est un problème fréquent dans plusieurs domaines. Dans les procédés de polymérisation en émulsion, ce manque est d'abord dû à la nature hétérogène et visqueuse du latex qui rend la mesure directe des propriétés du polymère souvent difficile. Ensuite, l'équipement d'un procédé avec plusieurs capteurs serait économiquement impossible. A cause du manque de capteurs, et du manque de modèles exacts des procédés, des efforts ont été faits dans le domaine de l'estimation logicielle des états, non mesurés expérimentalement, en se basant sur des mesures réelles et le modèle du procédé. Ces observateurs, ou estimateurs, ou encore capteurs logiciels, sont conçus à partir du modèle du procédé en utilisant les sorties réelles du procédé. Si le système est observable, l'observateur nous permettra d'obtenir des informations sur les états non mesurés du procédé. Les observateurs sont souvent utilisés pour le suivi des procédés, mais sont également très utiles pour le filtrage, la détection de panne et le contrôle des procédés.

Les méthodes d'estimation et de contrôle linéaire ont souvent été appliquées dans le domaine de la polymérisation en émulsion, et ce malgré la nonlinéarité des modèles représentant ces procédés. Ceci est dû premièrement à la difficulté de manipuler les outils non linéaires, au temps nécessaire à l'ordinateur pour résoudre ces observateurs et au fait que les observateurs non linéaires proposés dans la littérature étaient souvent limités à un groupe de systèmes non linéaires. Ces sujets ne posent aucune difficulté aujourd'hui, avec le développement de la théorie non linéaire, et l'évolution de la rapidité et de la capacité des ordinateurs.

L'objectif de ce travail est le contrôle de la composition des polymères, tout en assurant une vitesse de réaction élevée, ainsi que la sécurité de l'opération. Puisque les modèles représentant ce procédé sont nonlinéaires, nous allons utiliser des méthodes d'estimation et de contrôle nonlinéaires adaptées au procédé.

La stratégie d'estimation est constituée de trois parties. Dans la première partie, nous allons développer un capteur qui fournit des informations précises et rapides sur le procédé. La deuxième partie est constituée de l'estimation de la composition du polymère lors des procédés de co- et terpolymérisations en émulsion. La dernière étape est la construction de lois de commande adéquates qui nous permettent d'obtenir la composition et la vitesse de réaction désirées.

Dans le premier chapitre, une introduction générale du sujet ainsi que la stratégie de recherche sont proposées. Le deuxième chapitre contient les théories d'estimation et de contrôle nonlinéaires que nous allons utiliser tout au long de ce travail.

Le troisième chapitre traite des capteurs en ligne pour les procédés de polymérisation en émulsion. D'après certains critères , nous choisissons d'utiliser la calorimétrie pour suivre le procédé. Cependant, ce capteur ne nous donne pas directement une mesure de la vitesse de la réaction, car plusieurs paramètres dans le bilan thermique restent inconnus. Pour contourner ce problème, nous allons utiliser une méthode d'optimisation de la conversion globale du monomère, en corrigeant les paramètres inconnus. Pour ce faire, les mesures de la température du réacteur, de la double enveloppe, et quelques mesures expérimentales de la conversion sont nécessaires.

Dans le quatrième chapitre nous utilisons les informations obtenues par calorimétrie, pour estimer la composition du polymère lors des procédé de copolymérisation. Nous traitons le cas d'un observateur nonlinéaire à grand gain qui tient compte de la réaction dans la phase aqueuse et un autre où on néglige l'effet de la phase aqueuse. Il s'avère que, pour les monomères étudiés, la composition du polymère n'est pas sensible à la réaction dans la phase aqueuse. Ce phénomène est peut être dû au fait que la plupart des radicaux sont dans les particules, surtout pour un taux de solide élevé. La deuxième raison est que les monomères utilisés ici sont seulement partiellement solubles dans l'eau, ce qui fait que la quantité de monomère dans les particules est plus importante que dans la phase aqueuse.

Dans le cinquième chapitre, un observateur nonlinéaire à grand gain est construit pour suivre la composition du polymère lors des procédés de terpolymérisation. Puisque le quatrième chapitre montre clairement que nous n'avons pas besoin de tenir compte de la phase aqueuse pour l'estimation de la composition, un modèle de monomères hydrophobes est choisi pour construire l'observateur.

Le chapitre 6 expose les lois de commande développées pour maintenir la composition de co- et de terpolymères sur une trajectoire prédéfinie. Des lois de commande nonlinéaires avec une linéarisation entrée-sortie sont utilisées. Dans ce chapitre, nous établissons un contrôleur local de la pompe, qui assure l'exécution des débits envoyés par la commande de la composition.

Dans le dernier chapitre nous évoquons le concept de maximisation de productivité. Notre objectif est de maintenir la composition à une valeur prédéfinie, et en même temps maximiser la vitesse de la réaction. Les variables de commande sont les débits d'ajout de monomères. La variable contrôlée est la concentration de monomère dans les particules. Cependant, pendant le contrôle de la concentration de monomère dans les particules il faut faire attention à ce que la chaleur produite par la réaction soit inférieure à la chaleur maximale que la double enveloppe est capable d'évacuer.
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These_Nida_Sheibat_Othman.pdf (5.09 Mo) Télécharger le fichier

Dates et versions

tel-00366694 , version 1 (09-03-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00366694 , version 1

Citer

Nida Sheibat-Othman. ADVANCED STRATEGIES FOR COMPOSITION CONTROL IN SEMI-CONTINUOUS EMULSION POLYMERIZATION. Chemical and Process Engineering. Université Claude Bernard - Lyon I, 2000. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00366694⟩
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