Sviluppo di un modello per il controllo di temperatura in un reattore batch industriale

L’azienda Master Builders Solutions, con sede a Treviso, sintetizza additivi chimici destinati al settore edilizio in grado di migliorare le prestazioni del calcestruzzo. In particolare, il processo di sintesi dell’additivo PAE 96 richiede l’impiego di più unità operative e, tra queste, il reattore batch R101, che ospita la reazione esotermica di policondensazione. Il controllo della temperatura all’interno del reattore, che attualmente avviene manualmente tramite l’apertura delle valvole del vapore e dell’acqua industriale, è la problematica principale del processo. Tale gestione della temperatura tramite l’immissione dei fluidi di servizio all’interno della camicia del reattore risulta complicata non solo a causa delle caratteristiche chimico-fisiche della miscela, ma anche per il fatto che il trasporto del calore è limitato dalla presenza di uno strato vetroso a bassa conducibilità. Pertanto, l’obiettivo dello studio consiste nello sviluppo di un modello rappresentativo dell’efficienza dello scambio termico sia per la fase iniziale di riscaldamento che per quella finale di raffreddamento, al fine di progettare un sistema di controllo automatico della temperatura. A tal proposito, data la dipendenza tra lo scambio termico e i fenomeni turbolenti, si svolge una simulazione fluidodinamica con lo scopo di verificare l’assunzione di perfetta miscelazione all’interno del reattore. In seguito, tramite l’utilizzo delle espressioni rappresentative dei coefficienti individuali di scambio termico, si sviluppano i modelli che vengono successivamente verificati sfruttando i dati sperimentali raccolti dai sensori di temperatura. Lo studio si conclude con l’analisi della sensitività e la determinazione dei parametri della legge di controllo utilizzando rispettivamente i software Minitab e LoopPro. I risultati della ricerca confermano l’efficienza della miscelazione nel reattore mentre, tra i modelli proposti, solamente quello relativo alla fase di riscaldamento fornisce un valore del coefficiente globale di scambio termico paragonabile ai valori presenti in letteratura. Inoltre, si propone un controllo split-range basato su una legge di controllo di tipo proporzionale-integrale come possibile configurazione per gestire in maniera coordinata i fluidi si servizio. In base ai risultati ottenuti, ulteriori studi dovrebbero concentrarsi principalmente nel processo di identificazione delle caratteristiche chimico-fisiche della miscela, dello spessore della parete smaltata e della cinetica della reazione. Inoltre, occorrerebbe sviluppare ad hoc l’espressione del coefficiente individuale di scambio termico per la camicia del reattore. Infine, successive ricerche dovrebbero verificare la robustezza della legge di controllo della temperatura tramite la sua implementazione all’interno dell’impianto.