بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش فرایند دوغابی تولید پلی اتیلن سنگین با استفاده از برنامه نویسی در محیط نرم افزار متلب-سیمیولینک به صورت دینامیک شبیه سازی شده است. مدلسازی بر اساس محاسبات انباشت و انتقال جرم و حرارت و سینتیک واکنشهای زنجیرهای پلیمریزاسیون در یک راکتور همزده پیوسته - CSTR - با در نظر گرفتن تغییرات دما، فشار و حجم گاز و دوغاب انجام شده است. به منظور افزودن آثار محدودیتهای انتقال جرم بین فاز گاز و مایع، مقاومت فیلمی به شبیه سازی اضافه شده است. ضرایب انتقال جرم از روابط تجربی محاسبه و سپس به همراه ثوابت سینتیکی با توجه به دادههای صنعتی اصلاح شدند. در نتیجه مدل شامل 24 معادله دیفرانسیل و تعدادی معادله جبری میباشد.
به منظور بیان تعادل گاز-مایع از معادله چائو -سیدر - Chao-Seader - استفاده شده بدین شکل که دادههای حاصل از نرم افزار اسپن هایسیس در 12000 نقطه کاری بر روی یک شبکه عصبی مصنوعی پیشرو پیاده سازی شده است. در حالت دینامیک کنترل کنندههای مناسب به صورت مداربسته بر روی فرایند پیاده سازی شده و عملکرد مجموعه آنها برای تعقیب مقدار مقرر مورد مطالعه قرار گرفت. شبیه سازی انجام شده در عین حال که قابلیت خوبی در پیش بینی خصوصیات فرایند واقعی را دارد، از سرعت بالایی نیز برخوردار است. همچنین این مطالعه نشان داد که با افزودن دو حلقه کنترلی جدید بهبود قابل توجهی در عملکرد مجموعه حلقههای کنترلی از نظر سرعت پاسخ و کاهش نوسانات حاصل میشود.
.1 مقدمه
امروزه پلیمرها جایگاه ویژهای را در صنعت و زندگی روزمره به خود اختصاص دادهاند، یکی از مهمترین و پرمصرفترین پلیمرها، پلی اتیلن میباشد به صورتی که از مجموع 269 میلیون تن تقاضا برای محصولات مختلف پلیمری در سال 2015، 86,1 میلیون تن 32 - درصد - به پلی اتیلن اختصاص داشته است .[1] یکی از پرکاربردترین پلی اتیلنها، پلی اتیلن سنگین - HDPE - 1 میباشد که پلیمری سخت، بلورین، مقاوم در برابر مواد شیمیایی، با زنجیره مولکولی خطی و بدون شاخه و فشرده و در نتیجه دارای چگالی بالا، انعطاف پذیری و نیز مقاومت ضربهای کم است.
محیط واکنشهای پلیمریزاسیون مجموعه بسیار پیچیدهای از اجزاء دخیل در واکنش و همچنین مواد بی اثر نسبت به واکنشهای پلیمریزاسیون است. گروه اول که در واکنش دخالت داشته توجه اصلی را در مدلسازی به خود اختصاص میدهند. اما از سوی دیگر سایر اجزاء نیز در ترمودینامیک مسئله دخالت دارند که توسط آن تعادل بین فازها و همچنین خواص فیزیکی فازها بخصوص دانسیته، ویسکوزیته، گرمای ویژه و غیره تعیین میگردد.
بر این اساس همچون اغلب مسائل شبیه سازی در مهندسی شیمی، بنیاد مدلسازی فرایندهای پلیمری بر سه بخش اصلی موازنه جرم و انرژی، ترمودینامیک و سینتیک استوار است. همچنین لازم به ذکر است که به منظور تعیین خصوصیات پلیمر تولیدی و به طور خاص طول و توزیع اندازه زنجیرههای پلیمری به اطلاعاتی افزون بر غلظت اجزاء واقعی نیاز است که در این تحقیق از روش ممانها2 برای تشریح خصوصیات پلیمر تولیدی استفاده شده است.
در تحقیق حاضر به منظور دستیابی به یک مدل دینامیکی دقیق و سریع که برای اهداف کنترلی مناسب باشد، از روشهای مدلسازی و شبیه سازی کارآمد استفاده شده است که میتوان مجموعه فعالیتها را به سه بخش پیاده سازی موتور ترمودینامیکی، حل مجموعه معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم و اعمال حلقههای کنترلی تقسیم کرد.
معادلات ترمودینامیکی حاکم جبری و شدیدا غیر خطی هستند. از سوی دیگر معادلات دیفرانسیل حاکم بر سیستم از نوع مقدار اولیه و عادی3 و غیر خطی هستند که به دلیل ساختار مسئله ممکن است به حالت سخت4 درآیند. مدل تهیه شده در محیط نرم افزار متلب5 و زیر مجموعه آن سیمیولینک6 شبیه سازی شده است. فرضیات و روش تحقیق به تفصیل در ادامه بیان خواهد شد.
.2 شرح فرایند
در فرایند دوغابی مد نظر جهت هموپلیمریزاسیون اتیلن - C2 H4 - ، گاز اتیلن پس از خالص سازی، به عنوان مونومر و گاز هیدروژن به عنوان کنترل کننده جرم مولکولی یا طول زنجیرهها میباشد، که به صورت گاز وارد راکتور همزده میشوند. کاتالیست زیگلر-ناتا تتراکلرید تیتانیوم - - TiCl4 و کوکاتالیست تری اتیل آلومینیوم - - Al - C2 H5 - 3 به عنوان فعال کننده کاتالیست و از بین برنده سموم، همراه با حلال نرمال هگزان - - C6 H14 در فاز مایع وارد راکتور همزده میگردند که شماتیک فرایند در شکل 1 نشان داده شده است. واکنش پلیمریزاسیون بسیار گرامازاست. لذا گرمای آزاد شده به سه طریق - - 1 انتقال حرارت با آب خنک کننده در گردش در ژاکت راکتور، - 2 - سیرکولاسیون خارجی دوغاب و انتقال حرارت با آب خنک کننده در مبدلهای حرارتی خارجی و - 3 - تبخیر حلال - هگزان - از محیط واکنش خارج میشود.
.3 کنترل فرایند
اگرچه کنترل فرایندهای پلیمریزاسیون به دلیل غیرخطی بودن فرایند امری دشوار است [3-2]، اما در فرایندهای صنعتی داخل کشور ساختار زیربنایی کنترل همچنان در حالت سنتی باقی مانده است. در این بخش ابتدا به سیستم کنترلی متداول که در واحدهای تولیدی پلی اتیلن دوغابی همچون پتروشیمی بندر امام موجود است اشاره و سپس اصلاحات پیشنهادی خود را ارائه مینماییم. عملکرد دو سیستم در بخش نتایج با هم مقایسه شدهاند.
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، در روش متدوال، سطح مایع درون راکتور اساسا از طریق تنظیم شدت جریان دوغاب خروجی کنترل میشود - کنترل کننده . - LC-1 به طور مشابه فشار راکتور توسط تنظیم شدت جریان گاز خروجی کنترل میگردد - کنترل کننده . - PC-1 جریانهای ورودی اصلی یعنی حلال هگزان، کاتالیست و کوکاتالیست، مونومر - اتیلن - گازی و هیدروژن مجهز به کنترل کنندههای جریان - به ترتیب FC-1 تا - FC-4 بوده که نقش آنها صرفا ثابت نگه داشتن مقادیر مربوطه است و به دلیل سرعت بالا دینامیک آنها در مقایسه با سایر حلقهها قابل صرفنظر است.
اما مهمترین حلقه کنترلی مربوط به کنترل دمای راکتور میباشد که از طریق تنظیم دو جریان آب سرد یکی در گردش در ژاکت راکتور - کنترل کننده TC- - 1 و دیگری در بخش پوسته مبدلهای حرارتی خارجی - کنترل کننده - TC-2 عمل مینماید. با توجه به گرمای بسیار بالای آزاد شده طی واکنش پلیمریزاسیون و خطر خروج واکنش از محدوده ایمن در اثر افزایش دما، این کنترل کنندهها میبایست بدقت و در محدوده وسیع کاری عمل نمایند.
همانطور که در بخش نتایج خواهیم دید چهار حلقه کنترلی اصلی عملکرد چندان مؤثری در اعمال تغییر در شرایط عملیاتی - دما، فشار و سطح - معادلا حجم - مایع - ندارند. لذا در این تحقیق دو کنترل کننده جدید، یکی برای سطح LC- - - 2 و دیگری برای فشار - PC-2 - به مجموعه کنترل کنندهها افزوده شدهاند. کنترل کننده LC-2 با اعمال تغییرات در میزان هگزان ورودی سعی در بهبود کنترل سطح راکتور دارد.
همچنین کنترل کننده PC-2 با اعمال تغییرات در میزان مونومر ورودی کنترل فشار را بهبود میبخشد. کلیه این کنترل کنندهها در شکل 1 نشان داده شدهاند. ساختار همه این کنترل کنندهها از نوع تناسبی-انتگرالی -مشتقی - PID - 1 است که البته بر اساس شرایط ممکن است فقط بعضی از این حالات مورد استفاده قرار بگیرند. میزان اثر هریک از این حالات میبایست توسط روشهای تنظیم2 کنترل کنندههای PID مشخص شود زیرا که این آثار نقش مهمی در پایداری فرایند و عمکلرد کنترل کنندهها دارند.
