CAPÍTULO I I. EL PROBLEMA. El proceso de polimerización de estireno, específicamente el de

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1 CAPÍTULO I I. EL PROBLEMA 1. Planteamiento del Problema El proceso de polimerización de estireno, específicamente el de polimerización de poliestireno cristal data desde los años 1930 y 1940, donde las empresas BASF (empresa alemana) y Dow Chemical (empresa estadounidense) fueron las primeras en producir en forma comercial el poliestireno. En los años siguientes se incorporaron otras empresas en el área de producción, pero sus aportes en el proceso productivo fueron de poca relevancia. Los sistemas de control utilizados en ese momento eran controladores PID neumáticos, y específicamente en el proceso de polimerización del poliestireno cristal, la estrategia de control utilizada era la de colocar dos controladores PID neumáticos en cascada para el control de temperatura, cuya variable manipulada es el flujo de agua fría o caliente de entrada a la chaqueta del reactor de polimerización. En el ámbito petroquímico nacional, en el Complejo Petroquímico El Tablazo perteneciente a PEQUIVEN filial de PDVSA, por medio de la 3

2 4 empresa Estireno del Zulia, C.A. se inician las operaciones de producción de poliestireno cristal o de uso general, poliestireno de alto impacto y poliestireno expandible en el año 1973, empleando tecnología licenciada Dow Chemical, con una capacidad instalada de toneladas métricas anuales. Actualmente la planta cuenta con una capacidad instalada de toneladas métricas anuales para la producción de poliestireno cristal y de alto impacto. En cuanto a los sistemas de control y automatización se evidencia que, debido a la naturaleza licenciataria de los procesos de polimerización, entre otros factores, el avance tecnológico de dichos sistemas no ha sido considerable, ya que aunque no sean los más óptimos, obtienen resultados aceptables pero con el elemento adicional de la intervención humana en el proceso de control, ocasionando que el producto tenga variaciones en sus propiedades finales, pudiendo sacar el lote o bach de las especificaciones de calidad necesarias para la venta del producto, debido a la variabilidad del factor humano. En la actualidad los controladores PID clásicos no son los adecuados para el control de procesos donde los cambios en la velocidad de reacción y en la dinámica del proceso son variados. En la etapa de polimerización, la temperatura es uno de los factores más importantes a controlar, pues la velocidad de reacción y la distribución de los pesos moleculares dependen de la misma, siendo esta última (pesos

3 5 moleculares) una de las propiedades más importantes a obtener en el producto final. El sistema de control actual (controladores PID), se encarga de controlar la temperatura durante la etapa de polimerización (la cual consta de dos niveles de calentamiento), al igual que controla la temperatura durante el cargado del reactor y durante el enfriamiento de la carga una vez polimerizada. Dicho sistema consiste en dos controladores PID colocados en cascada, los cuales tienen como entrada las señales de la temperatura del producto y la temperatura del agua de la chaqueta; la señal de salida de la cascada, maneja un juego de cuatro válvulas que se encuentran dispuestas en gama partida, éstas manipulan distintos flujos de agua con diferentes temperaturas, cuyo destino es la chaqueta del reactor de polimerización. En el control del proceso de polimerización estudiado (PID en cascada) existe la necesidad de las intervenciones manuales de los operadores para mantener el proceso dentro de los valores requeridos, ya que ante cambios grandes de la rata de calentamiento, el sistema no responde igual que en procesos isotérmicos (temperatura constante), y por lo tanto, la cascada de control no puede ajustarse para cumplir con las exigencias de todos los escenarios Formulación del Problema Por lo anteriormente expuesto se presenta la necesidad de saber:

4 6 Será posible diseñar un sistema de control óptimo de temperatura para el proceso de polimerización del poliestireno cristal? 2. Objetivos de la Investigación 2.1. Objetivo General Diseñar un sistema de control óptimo de temperatura para el proceso de polimerización del poliestireno cristal Objetivos Específicos Describir el proceso de polimerización en el reactor de procesamiento de poliestireno cristal. Identificar el comportamiento de la temperatura en el proceso de polimerización del poliestireno cristal. Determinar un modelo matemático que describa el proceso de polimerización de poliestireno cristal. Desarrollar un control óptimo de temperatura para el proceso de polimerización de poliestireno cristal. Validar el control óptimo propuesto.

5 7 3. Justificación de la Investigación Los polímeros son un material imprescindible en nuestras vidas, ya que se encuentra presente en un sin fin de objetos cotidianos. Por sus características y su bajo costo, es considerado como un material irremplazable, del cual difícilmente se podría prescindir. La producción de polímeros, entre ellos el poliestireno, en la actualidad presenta un índice de crecimiento que supera de gran manera a otros materiales y actividades, por lo tanto cualquier innovación y mejora en la producción y/o manufactura de este material afecta de manera dramática los beneficios económicos obtenidos en la producción de dicho material tan utilizado en la actualidad. En el ámbito industrial actual, existen una gran variedad de estrategias de control y tipos de controladores, algunos están basados en el control clásico y otros en control moderno y dependiendo de la dificultad del proceso a controlar, estas estrategias de control funcionan eficientemente. Con el avance de la tecnología, los procesos industriales han aumentado su complejidad y es en este momento en donde las estrategias de control clásicas no son tan efectivas y comienzan a ganar terreno las estrategias de control moderno basado en controladores digitales. Un sistema que requiere ser estudiado, basado en la problemática planteada, es el sistema de control de temperatura que se desarrolla en un reactor de polimerización para la producción de poliestireno cristal, ya que la

6 8 estrategia de control utilizada para este proceso ha sido la misma desde que se inició la producción, y desde entonces se realizan esfuerzos adicionales (intervenciones manuales de operadores) para lograr los objetivos de control. Desde el punto de vista práctico, esta investigación se justifica ya que planteo una solución a las intervenciones manuales en el proceso de control de la temperatura por medio de la aplicación de una estrategia de control óptimo, la cual, una vez implantada, podría permitir eliminar o disminuir las continuas intervenciones manuales (que aumentan la posibilidad de errores humanos), disminuir los esfuerzos de los operadores en el control de la producción y aumentar la confiabilidad en el proceso, lo que se traduce en mejoras en el proceso productivo, que repercuten tanto económicamente como en la calidad del producto final. Adicionalmente, el estudio se justifica por su carácter metodológico, por cuanto la creación de una metodología y el uso de normas y estrategias para el análisis del sistema de control de temperatura del reactor de polimerización de poliestireno cristal permitirán, a otros investigadores, continuar con esta línea de investigación tan específica. Por otra parte, desde el carácter teórico, los aspectos conceptuales desarrollados y el planteamiento del control óptimo para el control de temperatura en el proceso de polimerización del poliestireno, manejando solo una variable de control, permitió profundizar en el área de control de proceso, haciendo especial énfasis en la línea de control óptimo, generando

7 9 antecedentes y bases para futuros trabajos relacionados con esta línea de investigación. 4. Delimitación El estudio se desarrolló en el área de teorías de control, específicamente en la línea de investigación de control óptimo. Esta investigación se desarrolló en la maestría de ingeniería de control y automatización de procesos, de la Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín, en la ciudad de Maracaibo, estado Zulia. El período de duración de la misma estuvo comprendido en el lapso desde el mes de Mayo de 2010 hasta el mes de Mayo de 2012.