بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی و کنترل فازی پالایش گاز
چکیده :
فرایند پالایش گاز طبیعی فرایندی کنترلشده است که میبایست با حداکثر راندمان و با بیشترین کیفیت صورت پذیرد. در این تحقیق سعی شده است شیرین سازی و جداسازی گاز سولفید هیدروژن توسط دی-اتانولآمین در یک برج جذب سینیدار با استفاده از نرمافزار MATLABشبیهسازی گردد. همچنین، بدلیل پیچیدگی و شرایط غیرخطی فرایند، در این تحقیق سعی شده است با استفاده از کنترلکننده هوشمند فازی کنترل شود. در این شبیهسازی میزان جذب، گرمازایی واکنش نیز لحاظ شده است. کنترلکننده هوشمند فازی پیشنهادی، بگونهای طراحی شده تا با استفاده از کنترل نرخ و دمای آمین ورودی و نرخ گاز ورودی، حداکثر میزان جذب و فرآوری را در برج نتیجه دهد. نتایج شبیهسازی، عملکرد مناسب این کنترلکننده را نشان میدهد.
کلمات کلیدی: پالایش گاز،کنترلکننده فازی،شبیهسازی، میزان جذب
-1 مقدمه
درصورتیکه غلظت سولفید هیدروژن در گازطبیعی بیشتر از 4ppm گردد، گاز اسیدی خواهد شد. سولفید هیدروژن موجود در گاز ترش علاوه بر اینکه موجب خوردگی تجهیزات صنعتی و کاهش ارزش اقتصادی گاز میگردد، باعث آلودگی محیطزیست شده و استشمام آن سبب مسمومیت ، و در غلظتهای نسبتا" پایین اثرکشندگی خواهد داشت، بنابراین لازم است از گازترش جدا شود.برای جداسازی گازهای اسیدی مثل سولفیدهیدروژن از گاز طبیعی در صنایع گاز، از برجهای سینیدار و محلولهایی مانند آمینها استفاده میشود. جذب سولفیدهیدروژن همراه با واکنش شیمیایی بوده و این واکنش دو اثر مثبت بر روی شدت جذب دارد ، اول اینکه با کاهش فشار جزئی تعادلی باعث افزایش سرعت جذب میشود و دوم اینکه ضریب انتقال جرم را افزایش داده و این عامل نیز شدت جذب را بالا میبرد.مدلهای مختلفی برای مدلسازی فرآیندهای جذب واکنشدار ارائه شده است. اسمیت و جاسون Smith) و(jaswonاولین مدل دینامیکی برجهای جذب گاز را ارائه دادند.[2]مدل دینامیکی که اسمیت و همکارانش بدست آورده بودند معادلات ریاضی پیچیدهای داشت که توسط توماسی و رایس Rice) و ( Tommasi مورد تحلیل و ارزیابی قرارگرفت و برای شرایط مرزی نامعلوم معادلات پیچیده آنها، راه حل جدیدی پیشنهاد نمودند.[3]برای غلبه بر سرعت کم همگرایی روش اسمیت و جاسون Smith) و(jaswon،مکاویولیاپس(Liapisو(macavy یک روش خطیسازی ارائه دادند.[4] باردلی و آندره((Bradley,Andre یک مدل دینامیکی دیگری برای برج جذبکننده گاز ارائه دادند که در آن مدل از یک روش ویژهای برای محاسبه میزان انتقالجرم استفاده شده است.[5]پوتر و لاکشمانان (Lakshmanan,Potter)یک مدل دینامیکی در بعد زمان برای سیستمهای با جریانهای مختلف الجهت ارائه دادند و برای مدلسازی برجهای پرشده جذب مورد استفاده قرارگرفت.[6]رحیم پور(Rahimpour شبیه سازی و بهینه سازی گاز برگشتی به راکتور متانول مورد مطالعه قرارداده است.[7] قادر (Ghader)مقادیر بهینهای برای دمای(نقطه کار)خوراک ورودی به راکتور متانولی که شبیه سازی کرده بود ارائه کرده است.[8]لویک (Løvik) علاوه بر شبیه سازی راکتور سنتز متانول مقدار بهینه برای دمای آب خنک کن و مقدار گاز بازگشتی به راکتور را بدست آورد.[9]کردآبادی KordAbadi)یک راکتور دو مرحلهای بهینه به همراه پروفیل بهینه دمایی ارائه داده استDoyle.[10]وهمکاران برای برج تقطیر واکنشی اتیل استات یک کنترل کننده مبتنی برمدل غیرخطی ارائه دادند.[12] کومار و دوتیدیس(Kumar و (Daoutidisبرای کنترل برج تقطیر واکنشی پیوسته یک چهارچوب معادلات دیفرانسیل جبری ارائه دادند.[13] خضرایی و همکارانش یک کنترلکننده فازی عصبی برای کنترل محصول بالای برج تقطیر ارائه دادند و نتایج آن را با کنترلکننده PIDمقایسه کردند.[1]فاتیما بارسلو ریکو و همکارانشFatima Barcelo Ricoیک تکنیک کنترل فازی برای کنترل برج تقطیر پیوسته استفاده کردند.[14]جن لین و همکارانش(Jeen Linمنطق فازی پیوسته و کنترل کننده شبکه عصبی برای سیستمهای با ورودی و خروجی متعدد ارائه کردند.[15]هارون تاسکین و همکارانش HarunTaskin برای بهبود عملیات دینامیکی واحد کراکینگ کاتالیستس یک کنترل منطق فازی ارائه دادند.[16]اگرچه در زمینه مباحث ترمودینامیک و سنتیک برجهای جذب واکنشی کارهای بسیاری صورتپذیرفته، اما به جزء کار Mohamed MAS Mahmoud تحقیق دیگری در زمینه کنترل همزمان فازی برج جذب انجام نشده است.[11]در کار Mohamed MAS Mahmoudبرج جذب بدون واکنش شیمایی در شرایط دما و فشار ثابت در نظر گرفته شد و فقط غلظت گاز خروجی از برج را کنترل کرده است.
در این تحقیق برج جذب واکنشی با لحاظ سرعت و گرمای واکنش در محیط MATLABشبیهسازی و توسط کنترل-کنندههای فازی علاوه بر غلظت گاز ، دما و غلظت آمین ورودی و همچنین دبی آمین و گاز ورودی نیز کنترل شده است.
-2 مدلسازی برج جذب فعال:
فرضیات زیر برای موازنه جرم و انرژی برای ساده کردن معادلات مدل و بدست آوردن معادلات حالت در برج جذب واکنشی مختلف الجهت انجام شده است.
(1 جریان گاز و مایع در طول برج بصورت غیرهمسو و به شکل جریان ستونی است .
(2 فرآیند جذب در برج آدیاباتیک بوده و از ظرفیت حرارتی برج صرفنظر شده است.
(3 ماندگی مولی مایع ثابت فرض میشود.
(4 رابطه تعادلی بین غلظت سازندهها در دو فاز از قانون هنری پیروی میکند .
(2-5) با استفاده از فرض تعادلی و رابطه تعادلی
(3-5) با مشتقگیری از رابطه (2-5) داریم
باجایگذاری رابطه (3-5) در طرف چپ رابطه (1-5) خواهیم داشت:
با فرض تجمع خیلی کم گاز در مقابل مایع روی سینی، از ترم در مقابل صرفنظر شده است بنابراین
حال با جایگذاری رابطه (2-5) در رابطه (7-5) نتیجه میشود:
با مرتب کردن معادله (8-5) عبارت زیر حاصل میشود: حال رابطه (9-5) را برای هر کدام از شش سینی و جایگذاری, a = L/m , b =-((L+Vk))/m , c = Vk /m بصورت زیر بدست می آید:
dt
-3 معادله تغییرات دمایی سینیها:
پس از بالانس گرفتن انرژی برای یک سینی وبا این فرض که مقدار آمین روی سینی خیلی کم است از تغییرات دبی آمین نسبت به طول سینی صرفنظر و تغییرات را در یک نقطه در نظر گرفته شده و سپس برای کل سینی تعمیم داد میشود. بنابراین معادله انرژی به صورت زیر حاصل می شود :
که در این معادله از جداول آنتالپی کتاب مادوکس ،∆H گرمای واکنش بدست آمده است[17] ، سرعت واکنش((mol/ft3.s، P ظرفیت گرمایی آمین اختلاف دمای آمین ورودی و خروجی هرسینی℉،Lدبی آمین،(V(f3حجم سینی غلظت آمین(mol/ft3 است.
مقدار گرمای انتقال یافته توسط گاز با استفاده از روابط استوکیومتری و نسبتهای جرمی و با این فرض که گاز انتقال یافته به بالای برج گاز متان (گاز شیرین) است[17]، 0,19 بدست آمده است که با ضرب 0,81 در∆ در طراحی لحاظ شده است.
-4 طراحی کنترل کننده فازی
رفتارطبیعی انسانها در برخورد با مشکلات و حل آنها اساس طراحی کنترلکنندههای فازی میباشد. که بصورت یکسری قوانین منطق زبانی قابل ارائه است. این کنترلکنندهها از سه قسمت عمده تشکیل شدهاند. در بخش فازی سازی، سیستم ورودیهای حقیقی را به متغیرهای معنایی فازی تبدیل میکند و درجه عضویت آنها را مشخص مینماید. در قسمت قوانین فازی و موتور استنتاج ، متغیرهای خروخی بر اساس قوانین بصورت معنایی محاسبه میشوند. غیرفازیسازی،خروجیهای معنایی فازی را و به خروجی حقیقی قابل اعمال به سیستم تبدیل میکند.
-5 شبیه سازی برج جذب:
برج جذب به همراه سه کنترل کننده فازی و محل نصب آنها در شکل (1) نشان داده شده است هر کدام از این کنترلکنندهها دارای دو ورودی و یک خروجی هستند. این برج جذب واکنشی که دارای شش سینی است در محیط Matlab به کمک معادلات حالت جرم((10-5تا (15-5)و معادله انرژی((19-5 شبیهسازی شده است شکل(.(2 در این برج دبی آمین ورودی 80 مول بر دقیقه و دبی گاز ورودی 100 مول بر دقیقه و ماندگی مولی 200 مول بر دقیقه در نظر گرفته شده است.[11]پساز شبیهسازی برج ، سه کنترلکننده فازی در بالا و پایین برج به کمک تعدادی قوانین فازی طراحی میشود شکل .(2)
شکل (1) برج جذب با نصب سه کنترلکننده فازی
(1-5)قوانین کنترلکننده شماره 1 در بالای برج جدول(:(1
در کنترل کننده شماره 1یکی از ورودی کنترل کننده دمای آمین ورودی به برج است و ورودی دیگر غلظت گاز در آمین بالای برج است و خروجی کنترل کننده، دمای آمین ورودی به برج است.
قوانین کنترل کننده شماره 3 جدول2:
یکی از ورودیهای کنترل کننده دمای آمین ورودی به برج است و ورودی دیگر میزان جذب گاز ترش در پایین برج است و خروجی کنترل کننده دبی امین ورودی از بالای برج است
