Modeling and Control of Quality Indexes of a High-Polymerizer in a PET Production Plant

Polyethylene terephthalate (PET) is one of the most used thermoplastics in different fields of applications such as the textile and the food industry, and medical applications. The importance of quality indexes has become very popular among researchers and pushed them toward investigating different production technology in order to improve final product characteristics, meanwhile maintaining other production properties. The focus of this work is understanding the best way to configure the process control variables to obtain optimal quality indices of the polyethylene terephthalate final oligomer of a large PET production train. Consequently, once the correct configuration is found it's possible to avoid some undesired behaviour in order to increase the efficiency and the quality of the product. So the estimation of the key process variables and chemical parameters has an extremely huge importance to enforce the efficiency of the plant. In particular, we focus on a real case study of a PET production train consisting of four chemical reactors in series. This thesis work is principally based on the last reactor of the plant, it is the most complex reactor and it is the most important because it do the last operations on the polymer, working with very high temperatures and with very low pressures. In this work we have to deal with the big complexity of the reactor and we have to find a way to properly tune an analytical reference model for this reactor. The quality of the model is validated by an intense sensitivity analysis based on simulation. We also had the challenge to obtain a good control algorithm in order to ensure different chemical characteristics of the product. The final results showed that different optimalities in chemical parameters could be achieved, moreover could also be chosen the parameters to mainly emphasize in terms of maximization or minimization. In fact is possible to maximize the intrinsic viscosity of the product or improve its colour quality index.

Il polietilene tereftalato è uno dei termoplastici più utilizzati in diversi campi di applicazione, per esempio nell'industria tessile, per applicazioni mediche e per il confezionamento di cibo. L'importanza degli indici di qualità è diventata molto popolare tra i ricercatori e li ha motivati ad investigare diverse tecnologie di produzione in modo da ottenere migliori caratteristiche del prodotto finito, allo stesso tempo mantenendo altre proprietà della produzione. L'obiettivo di questo lavoro è capire il modo migliore per configurare le variabili di controllo di processo per ottenere ottimi indici di qualità del prodotto finale del polietilene tereftalato di un grande impianto di produzione di PET. Conseguentemente, una volta che la configurazione corretta è stata trovata è possibile evitare comportamenti indesiderati favorendo l'efficienza e la qualità del prodotto. Per questo motivo la stima delle variabili chiave di processo e dei parametri chimici ha un'enorme importanza per rafforzare l'efficienza dell'impianto. In particolare, ci siamo concentrati sullo studio di un caso reale di impianto di produzione di PET costituito da 4 reattori chimici in serie. Questo lavoro di tesi è principalmente è principalmente incentrato sull'ultimo reattore dell'impianto, è il reattore più complesso e il più importante perché esegue le ultime operazioni sul polimero, lavorando ad temperature molto alte e pressioni molto basse. In questo lavoro abbiamo dovuto gestire la grande complessità del reattore e abbiamo dovuto trovare un modo per regolare in modo corretto un modello analitico di riferimento per questo reattore. La qualità del modello è stata validata da un'intensa analisi di sensitività basata su simulazione. I risultati finali mostrano che possono essere raggiunte diverse ottimalità nei parametri chimici, in oltre può anche essere scelto il parameto da enfatizzare maggiormente in termini sia di massimizzazione che minimizzazione. Infatti è possibile massimizzare la viscosità intrinseca del prodotto o migliorare il suo indice di qualità del colore.