Hur man på ett säkert och effektivt sätt reglerar kemiska
reaktioner i en plattreaktor
Staffan Haugwitz, Reglerteknik, LTH
En populärvetenskaplig sammanfattning av doktorsavhandlingen 1
Modeling, Control and Optimization of a Plate Reactor, oktober 2007
En ny typ av kemisk reaktor utvecklas för närvarande av Alfa Laval AB. I den kan man producera
kemikalier eller läkemedel på ett mycket mer effektivt
sätt än tidigare. För att kunna utnyttja den nya
reaktorns fulla potential krävs även bra reglering.
Med reglering menas här ett datorprogram som kan
styra tryck, flöden och temperaturer inuti reaktorn
så att produkten får hög kvalité och att produktionen
blir säker och effektiv.
PLATTREAKTORN –
DET NYA SÄTTET ATT TILLVERKA
KEMIKALIER OCH LÄKEMEDEL
Tillverkningen av finkemikalier eller läkemedel görs
idag ofta i stora satsreaktorer (tankar), där man
satsvis blandar kemikalierna till färdig produkt, ungefär som när man bakar hemma. En del av reaktionerna är exoterma, d.v.s. de avger värme när
kemikalierna reagerar. De snabbaste och kraftigaste
reaktionerna kan nästan liknas med den förbränning som sker i en bilmotor. Reaktorns prestanda är
då ofta begränsad av hur snabbt värmen kan kylas
bort. En helt ny typ av kemiska reaktorer är under
utveckling vid Alfa Laval AB, en ledande tillverkare
av värmeväxlare. Den nya plattreaktorn, se figur 1,
är en vidareutvecklig av en plattvärmeväxlare, där
merparten av arbetet har gått ut på att kombinera hög
värmeöverföring och bra blandning av kemikalierna,
vilket tidigare har varit en stor stötesten. Plattreaktorn har därmed en mycket högre kapacitet att kyla
eller värma kemikalierna än dagens satsreaktorer
och man har därmed bättre möjlighet till att styra
temperaturen och därmed reaktionen med mycket stor
noggrannhet. Man kan då bland annnat använda
kemikalier med högre koncentration, vilket ökar reaktorns effektivitet och man kan producera mera för en
mindre kostnad. Andra fördelar är energibesparingar
och mindre miljönpåverkan.
Anta att vi har en reaktion som avger värme som
biprodukt, en så kallad exoterm reaktion.
A + B → C + D + värme
De två kemiska ämnena, A och B, reagerar och då
bildas de nya ämnena C och D samt värme. För hög
1 Avhandlingen kan laddas ner från http://www.control.lth.se/
publications/
Fig. 1. En liten version, PR37, av plattreaktorn, som används för
att testa nya reaktioner eller för tillverkning av läkemedel. Foto:
Alfa Laval AB
temperatur i reaktorn kan orsaka stor skada, t.ex.
sämre kvalité, slitage på material eller till och med
mindre explosioner, vilket gör det viktigt att kunna
kontrollera temperaturen noga. För att kunna kyla
bort värmen och utnyttja hela reaktorns längd injicerar man ämne B in i ämnet A på ett flertal ställen
längs reaktorn, se figur 2. Ett antal termometrar, i
bilden markerade med Y1 och Y2 , rapporterar varje
sekund till styrsystemet om tillståndet inne i reaktorn. Kanalerna som kemikalierna flödar igenom är
noggrant utvecklade för att få så bra blandning och
värmeöverföring som möjligt.
En stor fördel med den nya reaktortypen är ökad
flexibilitet. Den kan liknas vid en stor legobyggsats
där man plockar ihop de delar som behövs för att
enkelt justera plattreaktorn så att den passar en specifik kemisk reaktion. Man kan ändra antalet plattor,
kyleffekt, injektionspunkter och placering av temperaturgivare. Det går därför fort att komma igång med
försöksexperiment och det tar sedan kortare tid att
komma igång med serietillverkning. Inom framför allt
läkemedelsindustrin är det viktigt att reducera tiden
för produktframtagning, för att därmed kunna hinna
producera så mycket som möjligt innan patenten löper
ut.
Det är viktigt att redan under utvecklingen av reaktorn fundera på hur den ska regleras. Det är lätt hänt
Fig. 2. Vänster bild: En skiss på ett par rader inuti plattreaktorn. Reaktant A injiceras överst till vänster och reaktant B injiceras på två
olika ställen längs med reaktorn. Y1 och Y2 är interna temperaturmätare som används för reglering och övervakning. Kylvattnet flödar
från toppen och nedåt i separata kylplattor. Höger bild: En pilotversion av plattreaktorn sedd från sidan med tre plattor som är kopplade
i serie.
att reaktor i teorin ska uppnå mycket bra prestanda,
men den visar sig vara mycket känslig för störningar
eller saknar bra möjligheter för datorprogrammet att
styra temperaturen.
MATEMATISKA
MODELLER
–
ANVÄNDBARA VERKTYG
Forskningen börjar ofta med papper och penna och
lite tankearbete. För att hjälpa till och få en känsla
för hur reaktorn fungerar kan man ta fram matematiska modeller. Genom att härleda fysikaliska lagar
om massa och energi, får man en rad differentialekvationer som beskriver samspelet mellan inflöden,
utflöden och det som händer inne i reaktorn. Modellen
visar sekund för sekund hur en ändring i till exempel
inloppstemperaturen påverkar utloppstemperaturen.
Genom att studera modellen får man en känsla för
reaktorns dynamik, d.v.s. hur reaktorn uppför sig över
tiden, vilket är viktigt för att kunna programmera
ett effektivt styrsystem. Vissa kemiska reaktioner har
väldigt snabb dynamik, nästan som en sorts förbränning, sedan finns det även långsam dynamik, så som
när värmen från reaktionen sakta sprider sig genom
metallen i apparaten.
Med en matematisk modell kan man sedan enkelt
analysera de mest lämpliga sätten att påverkar reaktorn. Till exempel, temperaturen i början av reaktorn
påverkas mest av inloppstemperaturen av ämne A,
medan temperaturen i mitten och slutet på reaktorn
påverkas mest av kyltemperaturen på vattnet. En
annan viktig faktor är hur mycket av ämne B som man
sprutar in de olika hålen längs reaktorn.
REGLERING
AV REAKTORN MED ÅTERKOPPLING
Den viktigaste principen inom reglertekniken är den
så kallade återkopplingsprincipen, se figur 3, där det
engelska uttrycket “feedback” även används mer och
mer i det svenska språket. Idén är att först mäta något, i detta fall t.ex. reaktortemperaturen, jämföra med
den önskade temperaturen och baserat på detta göra
lämpliga ändringar i de tillgängliga styrsignalerna.
Ett enkelt exempel är uppvärmning av ett hus. Temperaturen i huset mäts och jämförs med den önskade
temperaturen. Om den är lägre, så försöker man höja
temperaturen genom att elda mer i vedpannan. Om
däremot temperaturen i huset redan är för hög, så
försöker man elda mindre. Målet med reglerteknik är
att skapa ett datorprogram som eldar lagom mycket.
Reglerteknikens kärna är alltså att konstruera datorprogrammen så att deras automatiska beslut blir
så bra som möjligt och ger hög effektivitet, kvalité
och säkerhet. Med dagens komplicerade processer, där
flera hundratals beslut fattas varje sekund och där ett
beslut kan få stora konsekvenser flera timmar senare,
är det svårt för mänskliga operatörer att få samma
överblick som en dator. Å andra sidan blir aldrig datorn bättre än den som har programmerat den, och det
är därför det är så viktigt att samarbeta med experter
inom branschen när man utvecklar regulatorn.
Regulatorns huvuduppgift i denna avhandling är att
se till så att temperaturen inne i reaktorn hålls under säkerhetsnivån. Den andra uppgiften är att styra
reaktionen så att effektiviteten d.v.s. verkningsgraden,
blir så hög som möjligt. En tredje uppgift kan vara
att maximera produktiviteten, hur många kilogram
läkemedel man kan tillverka per timme.
I avhandlingen analyseras två olika reglermetoder:
decentraliserad reglering och centraliserad reglering.
Decentraliserad reglering är den vanligast förekommande metoden i processindustrin. Tanken är att man
för varje temperatur eller flöde man vill styra, har
en separat dator, som varje sekund justerar någon
lämplig ventil eller pump för att få rätt temperatur
Temperaturer
Önskad Temperatur
Ventiler/pumpar
Dator/Regulator
Reaktor
Kylvattentemp. [○ C]
Reaktortemp. [○ C]
Fig. 3.
Denna skiss illustrerar en reglerloop och principen om återkoppling. Temperaturerna mäts inuti reaktorn och skickas till
datorn tillsammans med den önskade temperaturen. Inuti datorn finns en regulator i form av ett datorprogram. Den beräknar
matematiskt lämpliga ändringar i alla styrsignaler samtidigt, t.ex. kyltemperatur, inloppstemperatur, injektionsflöde i första och andra
injektionspunkten, så att den uppmätta temperaturerna rättar in sig till den önskade temperaturen.
92.5
92
91.5
91
90.5
90
89.5
150
155
160
165
170
155
160
165
170
175
180
185
190
195
200
175
180
185
190
195
200
31
30.5
30
29.5
29
28.5
28
150
Tid [s]
Fig. 4.
Ett exempel på hur regulatorn hanterar en oväntad
värmeutveckling från reaktionen. Den övre bilden visar reaktortemperaturen och den undre visar styrsignalen, kylvattentemperaturen.
eller flöde, se skissen på en reglerkrets i figur 3. Varje
dator styr bara en sak (t.ex. temperatur eller flöde)
och det finns oftast ingen kommunikation till de andra
datorerna som styr andra saker. I ett pappersbruk kan
det finnas upp emot 1000-5000 individuella reglerkretsar. Fördelen är att man enkelt ser hur varje krets
fungerar och att man kan trimma en krets i taget. I
varje dator används oftast en så kallad PID-regulator,
som är mycket enkel att programmera.
Figur 4 visar ett exempel på temperaturreglering.
Man mäter temperaturen i mitten på reaktorn och
vid tiden t = 160 s ökar värmeutvecklingen från
reaktionen med 100 W. Om inget görs så kommer
temperaturen att snabbt öka till 93○ C. Regulatorn
upptäcker att temperaturen ökar över den önskade
nivån på 90○ C. Genom att sänka kylvattentempera-
turen så kyls reaktorn bättre och reaktortemperaturen
går inom 15 sekunder tillbaka till 90○ C.
Ett problem för decentraliserad reglering är då de
olika reglerkretsarna påverkar varandra, vilket kallas
ett kopplat system. Ett typiskt exempel på kopplat
system är en dusch. Duschen har två styrsignaler,
flödet av varmt respektive kallt vatten, och två utsignaler, totala flödet och temperaturen på vattnet. Om
ett av flödena ändras, så kommer både det totala
flödet och temperaturen att påverkas. Ifall detta inte
uppmärksammas kan de olika reglerkretsarna börja
störa eller rentav motarbeta varandra. Nya duschar
har dock oftast en termostatisk blandningsventil, så
att man kan ändra flöde och temperatur oberoende av
varandra. Detta är ett exempel på hur bra processdesign förenklar regleringen.
Centraliserad reglering baseras som namnet antyder på att alla individuella kretsar kopplas till en
och samma dator, så att datorn kan ta hänsyn till
eventuella kopplingar mellan kretsarna, vilket kan
vara en stor fördel. Denna uppgift kan formuleras som
ett optimeringsproblem, t.ex. i så kallad modellprediktiv reglering. Det går ut på att styrsystemet försöker,
med hjälp av en matematisk modell av plattreaktorn, beräkna hur temperaturer och koncentrationer
kommer att bli i framtiden, givet att vi gör en viss
styråtgärd. Resultatet från många olika styråtgärder
jämförs och styrsystemet väljer ut den åtgärd som
maximerar effektiviteten. Åtgärder som leder till för
höga temperaturer sållas bort direkt. Därefter utförs
den framräknade åtgärden, vilket kan vara ändringar
i kyltemperatur, inloppstemperatur och/eller injektionsflödena av ämne B. Dessa beräkningar upprepas
varje sekund för att snabbt kunna reagera på oväntade
störningar. Regleringen blir ofta bättre då alla beslut
fattas centralt. Nackdelen är att beräkningarna blir
svårare och mer tidskrävande och man blir känslig för
eventuella fel i den matematiska modellen.
I avhandlingen visas hur plattreaktorn kan regleras
av decentraliserad och centraliserad reglering och i
vilka fall den ena respektive den andra är mest lämpad. En punkt man inte får glömma är att utformningen av reaktorn kan ha stor betydelse för ifall man
kan klara sig med den enklare decentraliserade regleringen eller man måste ta till den mer komplicerade
centraliserade metoden.
UPPSTART –
HUR SÄTTER MAN IGÅNG DEN?
Den mesta delen av tiden ligger reaktorn i normal drift med styrsystemet ständigt övervakande processen, ungefär som ett flygplan på rak kurs med
autopiloten inkopplad. Start och landning anses ofta
vara bland de farligaste momenten för ett flygplan och
det stämmer även för plattreaktorn.
För att på ett effektivt sätt få igång den kemiska
reaktionen används även här matematiska modeller.
Med optimering kan man beräkna lämpliga styrsignaler som pumpar in kemikalierna, höjer inloppstemperaturen och därmed startar reaktionen. Utmaningen ligger i att ta fram en säker styrsekvens där
startförloppet inte är så känsligt för modellfel. Om
man baserar sina styrbeslut på felaktig information
kan man till exempel spruta in kemikalierna för tidigt
och ingenting händer. Och när väl reaktionen sätter
igång så händer allt på en gång och temperaturen
ökar alarmerande snabbt. Det uppstår en klassisk
avvägning mellan snabbhet och robusthet. Ju bättre
vi känner vår reaktor, desto snabbare kan vi öka
produktionen, men om vi har dåligt beslutsunderlag
måste vi ta det försiktigt och öka långsamt. En enkel
liknelse är att köra bil på en väl upplyst motorväg
respektive på en slingrig bergsväg i dimma.
I avhandlingen föreslås två olika metoder för att
beräkna uppstartsvägar och uppnå robusthet. Den
första metoden bygger på att man i beräkningarna
begränsar den mängd av kemikalie B som får finns
inne reaktorn varje sekund. Så länge det inte finns
för mycket B oreagerat i reaktorn, finns det knappt
någon risk att reaktionen skenar iväg och frigör för
mycket energi.
Den andra metoden bygger på att man startar en
injektionspunkt i taget. Innan man får lov till att
börja insprutningen, måste temperaturen inne i reaktorn vara så hög att de kemikalier som sprutas in
också konsumeras. Därefter får man starta injektion
nummer två, men först efter att man kontrollerat en
extra gång att det som sprutats in tidigare verkligen
har konsumerats. Den stora skillnaden mellan de två
metoderna är hur man genomför optimeringen och hur
uppstarten går till rent sekvensmässigt.
EXPERIMENT
PÅ ETT KYLSYSTEM
I detta kapitel demonstreras ett kylsystem, som ska
förse plattreaktorn med kylvatten av lämplig temperatur och flödeshastighet. Experimenten har gjorts på
Fig. 5. Försöksuppställningen hos Alfa Laval i Lund. Plattreaktorn
är till vänster i bild och kylsystemet är de rör, ventiler och pumpar
som syns till höger.
Alfa Laval i Lund och i Tumba. Målet med försöken var
att utvärdera kylsystemet och ta fram ett reglersystem
som kan se till att kylvattnet får önskad temperatur.
Kylsystemet kan liknas vid en stor blandningsventil
där man återför varmt kylvatten som kommer direkt
från reaktorn och kallt kylvatten som kommer från
reaktorn men som först kylts av i ett sorts kylelement
innan det blandas med det varma vattnet. Med denna
utformning kan kylsystemet med stor noggrannhet
leverera vatten med exakt temperatur. Då man återanvänder det kylvatten som har passerat reaktorn sparar
man energi jämfört med ifall man hade släppt ut det
i t.ex. en flod. Men det gör också kylsystemet svårare
att reglera, då de olika kretsarna i systemet får större
inverkan på varandra.
SLUTSATS
Plattreaktorn kommer att revolutionera sättet man
tillverkar vissa sorters kemikalier och läkemedel. Men
för att få ut bästa möjliga prestanda och kunna dra
nytta av reaktorns nya egenskaper behöver man också
bättre reglering. I avhandlingen beskrivs olika sätt
att ta fram regulatorerna, d.v.s. de datorprogram som
styr ventilerna och pumparna så att temperaturer och
flöden blir rätt. En viktig slutsats är att utformningen
av reaktorn kan ha stor inverkan på hur enkelt det
är att reglera den. Därför bör dimensioneringen och
utformningen av reaktorn göras parallellt med att
man tar fram ett styrsystem, istället för att man först
tar fram designen, och sen lämnar över den färdiga
apparaten till de som utvecklar reglersystemet, vilket
är vanligt idag. Detta blir ännu viktigare när man
försöker pressa kostnaderna, t.ex. genom att återanvända kemikalier eller värme från reaktionen.
