Modeling and simulation of a lab-scale polymerization reactor

Dissertação de mestrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra The main goal of this work is to study the thermal dynamics of a lab-scale vessel that can be used for polymerization experiments. It involves a study of the thermal dynamics of a 250 mL jacketed lab-scale glass reactor intended to be used in the future for batch polymerization reaction experiments. A mathematical model is developed and is used to simulate the thermal dynamics of the system. The mathematical model available in the literature for methyl methacrylate (MMA) solution free-radical polymerization is also considered in this simulation study. The numerical implementation of the models has been made in the MATLAB programming language. The simulation results of the lab-scale reactor show the heating and cooling performance, and a feedback control scheme using a split-range control strategy is tested as well to simulate the temperature setpoint tracking of the MMA polymerization mixture in the lab-scale reactor. Neste trabalho é efectuado um estudo térmico de um reactor laboratorial em vidro, dotado de uma camisa de arrefecimento/aquecimento e com uma capacidade de 250 mL. Prentende-se no futuro utilizar este reactor para realizar ensaios experimentais de polimerização. É formulado um modelo matemático do reactor e é simulado numericamente o seu comportamento dinâmico. O estudo desenvolvido inclui também o modelo matemático para a polimerização de metacrilato de metilo (MMA) em solução em modeo descontínuo, disponibilizado na literatura cientÃfica. A implementação numérica dos modelos matemáticos é efectuada com recurso à linguagem de programação MATLAB. Os resultados de simulação demonstram o desempenho térmico do reactor, nomeadamente a sua capacidade de resposta quando é aquecido ou arrefecido. É também apresentado um estudo do reactor sob controlo por realimentação da temperatura da mistura do sistema de polimerização de MMA, em que é adoptada uma estratégia de controlo do tipo split-range.