بخشی از مقاله
چکیده –
در پروژه حاضر به منظور تسریع در تولید بیوگاز، یک سیستم رآکتور بی هوازی ABR به عملگرهایی نظیر همزن در مخزن خوراک برای غنی سازی مواد قبل از ورود به رآکتور و پمپ تزریق با دبی مشخص برای پیوسته کردن سیکل پروسه و تنظیم سطح مؤثر رآکتور جهت دستیابی به زمان ماند هیدرولیکی - HRT - مطلوب، مجهز گردید. برای کنترل شرایط خوراک در سیکل پیوسته، سنسور دما و آنالایزر PH وضعیت سیستم را مورد سنجش قرار داده اند.
در خروجی رآکتور آنالایزرهایی برای تشخیص مقدار گاز استحصال شده تعبیه شد. پروسه توسط سیستم کنترلی PLC- delta بصورت یکپارچه تحت کنترل قرار گرفت. به منظور تعیین دقیق ضرایب کنترل کننده PID که در این پروسه مد نظر بوده است، داده های بدست آمده در identification نرم افزار متلب، برای پیاده سازی تابع کلی پروسه مورد تجزیه و تحلیل قرار داده شد و در نهایت تابع کلی پروسه در شبیه ساز متلب طراحی و نمودارهای جبران شده آن دریافت گردید. بنابراین با کنترل مناسب دما در حد مطلوب 37 C و شناسایی ضرایب برای جبران سازی مقدار 7/2 PH که تحت تأثیر عملگر همزن بوده است، افزایش سرعت در سیکل تولید بیوگاز در حجم قابل قبول در مدت زمان 12 -7 روز مشاهده شد.
مقدمه
رآکتور بیوگاز، از مهم ترین تجهیزات ساختاری یک سیستم بیوگاز است که در واقع واکنش های شیمیایی بر روی پساب ها و فاضلاب ها، در آن انجام می شود. انجام واکنش های شیمیایی بعلاوه فاکتور زمان منجر به تولید بیوگاز، آب و باقیمانده جامد در یک رآکتور می شود؛ اما از آنجاییکه آزمایش همزمان ورودی ها - فاضلاب ها و کاتالیزورها - ، حجم آن ها، میزان گاز تولیدی نسبت به گنجایش و شرایط ساختاری رآکتور، بایددائماً تحت کنترل باشد، لذا باید در یک رآکتور بیوگاز از آنالایزرهای سنجنده مناسب با پارامترهای مد نظر، استفاده گردد.
آنالایزر می بایست بتواند کاهش یا افزایش مقادیر مورد سنجش را نشان داده و مقادیر مطلوب را به منظور تولید بهتر و دفع خطرات احتمالی - نظیر نشت بیوگاز از رآکتور و همچنین انفجار در رآکتور به علت افزایش مقدار O2 در آن - را برای سیستم، تعیین کند. طی سال های اخیر کارها و پروژه های متعددی در زمینه کنترل آنالایزرهای رآکتورهای بیوگاز انجام شده که هدف نهایی این پروژه ها غالباً جداسازی بیوگاز برای استحصال گاز متان بوده
است.
لذا در این پژوهش سعی شده با تکیه بر کارهای پیشین و شناخت نقاط ابهام آن ها، در جهت بهبود عملکرد رآکتورهای بیوگاز با تنظیم پارامترهای ورودی به رآکتور - پساب، دما و PH - ، پارامترهای خروجی از رآکتور - گازهای CH4، H2S و - CO2 و انتخاب کنترل کننده تطبیقی مناسب PID - ، فازی و... - ، شرایط تسریع در تولید و بهره وری اقتصادی هر چه بیشتر از تولیدات یک سیستم بیوگاز، فراهم گردد. اما در همین راستا انتخاب نوع کنترل کننده منوط به شناخت دقیق از عملکرد پروسه بیوگاز می باشد.
بنابر این ابزار تجزیه تحلیل و شناسایی سیستم راهکار مؤثری در رسیدن به کنترل کننده مناسب برای سیستم می باشد. بهره گیری صحیح از فن آورینسبتاً جدید ABR در محیط آزمایشگاهی بانضمام استفاده از سیستم های کنترلی مجزا برای سنجش دما و اسیدیته و ارتباط آن ها با عملگرهای مورد نظر از جمله راهکارهای این پژوهش برای دستیابی به تولید سریع تر در حجم مناسب می باشد.
لذا با توجه به مقاومت رآکتور ABR در برابر شوک های هیدرولیکی و تغییرات ناگهانی بار آلی ورودی و همچنین قابلیت جداسازی باکتری های اسیدساز و متان ساز [1] به عنوان یک ویژگی های منحصر به فرد، چنانچه این نوع از رآکتور به سیستم کنترلی مناسب برای سنجش پارامترهای اصلی و تأثیر گذار در روند تولید بیوگاز، نیز مجهز گردد، می تواند نقش مؤثری در بهبود و تسریع در تولید حجم مناسبی از بیوگاز را داشته باشد.
رآکتور چند محفظه ای بی هوازی - ABR -
این نوع رآکتور نخستین بار توسط مک کارتی و همکارانش در سال 1981 مورد استفاده قرار گرفت .[2] رآکتور ABR در واقع یک رآکتور بی هوازی با رژیم جریان لوله ای است که به چندین اتاقک تقسیم می شود. هر اتاقک نیز شامل دو بخش جریان پایین رو و بالارو می باشد
فاضلاب از بخش اول وارد اتاقک شده و از بخش دوم که سطح مقطع آن معمولاً چند برابر بخش اول است صعود کرده و سپس به بخش اول اتاقک بعدی سرریز می کند. این نوع خاص از رژیم هیدرولیکی، توده زیستی را برای مدت طولانی درون رآکتور نگه داشته و موجب می شود لایه ای از باکتری های بی هوازی در کف رآکتور تشکیل شوند. فاضلاب چندین مرتبه از میان این لایه از توده زیستی عبور کرده و به این ترتیب عمل تصفیه صورت می پذیرد. از خصوصیات منحصر به فرد ABR می توان به قابلیت جداسازی فعالیت باکتری های متان زا و اسید زا اشاره کرد که در واقع باعث افزایش فعالیت های باکتری های متان زا و اسید زا به میزان 4 برابر می شود.
شکل :1 نمایی از یک رآکتور ABR
با این عمل باکتری های اسید زا در فاز اول جمع شده و باکتری های متان زا، فرآیند متان زایی را در فاز بعدی انجام می دهند. این رآکتور در مقایسه با سایر رآکتور ها دارای فضای مرده ی کمتری است و به دلیل دارا بودن زمان ماند بالای سلولی، شوک های آلی را به خوبی تحمل می کند و تغییرات در توده ی میکروبی هنگام عبور از یک حالت پایا به حالت دیگر، کم است.
از مزایای دیگر این رآکتور می توان به تولید گاز متان و عدم نیاز به منبع انرژی خارجی، عدم وجود قطعات متحرک در رآکتور، عدم نیاز به نیروی کار ماهر و هزینه های اندک بهره برداری اشاره کرد
طراحی و ساخت سیستم کنترلی رآکتور ABR
در این پروژه سعی شده تا با تحت کنترل قرار دادن شرایط رآکتور ABR، خواص ذکر شده آن تحت کنترل قرار داده شود که این رآکتور به دلیل داشتن اتاقک های پیوسته، رژیم هیدرولیکی هاضم را فراهم می کند؛ و از طرفی ضمن تسریع در تولید، فرآیند قابلیت تفکیک و حذف گازهای اسیدی را نیز دارا می باشد - شکل. - 2
شکل :2 نمای کلی از تأسیسات تولید بیوگاز
راه اندازی سیستم و کنترل پروسه و استخراج نتایج سه عامل اصلی در این پروسه به صورت پیوسته قابل اندازه گیری بود که به ترتیب عبارتند از PH، دما و سطح موثر رآکتور بنابراین در این پروژه مقادیر گازهای خروجی به عنوان محصول نهایی مورد اندازه گیری در نظر گرفته شد. ابتدا قبل از شروع به کار رآکتور مقدار PH خوراک مورد سنجش قرار گرفت که مقدار تقریبی به دست آمده آن 7/49 بود، این مقدار برای راه اندازی پروسه زیست توده مقدار نسبتا مطلوبی محسوب می شود .[4] پس از سنجش عامل فوق تمام تجهیزات به صورت سیکل مرتب به یکدیگر مرتبط شدند.
بمنظور راه اندازی این پروسه از پی ال سی دلتا بهره گیری شد که برنامه نویسی آن نیز بر اساس عملکرد پروسه نوشته شد. پس از به کار انداختن سیستم کنترل منطقی و تنظیم پمپ تزریق خوراک سیستم شروع به کار کرد. بر اساس شرایط حاکم بر پروسه، کنترل کننده PD برای گرمایش حوزچه آب گرم، کنترل کننده PI برای کنترل سطح و PH در نظر گرفته شد . ضرایب تناسبی انتگرالی و مشتقگیر بر اساس پروسه متغیر بود و مقادیر ثابتی در نظر گرفته نشد
بمنظور تعیین شرایط عملگر های پمپ خوراک و میکسر از سنسورهای دما، PH و سطح با دقت یکدهم اعشار در استفاده شد.
ابتدا ولتاژ میکسر روی 7 ولت و سرعت RPM 419/9 در نظر گرفته شد و از سوی دیگر مقدار دبی ورودی خوراک به رآکتور 9 لیتر بر ساعت در نظر گرفته شد، اما این کار اشتباهی بود چرا که طبق روابط 1و 2، اگر مدت زمان عادی استحصال گاز از کود الف - دمای رآکتور: این شاخصه در این پروژه به دقت تحت گاوی 20 روز باشد آنگاه میزان دبی ورودی به بر اساس حجم کنترل قرار گرفت و مقادیر آن در رنج مشخص با کمترین نوسان مؤثر رآکتور در 20 روز، حدود 0/44 پیش بینی شد.حفظ شد
با توجه به رابطه فوق گام را فراتر نهادیم و مقدار دبی را بین 1الی 3 لیتر بر ساعت تنظیم کردیم. این روند در طول یک هفته پیگیری شد ولی سرعت میکسر برای تغییر نزدیکی داده ها به مقدار اصلی کاهش یافت. بنابراین جدول 1 مقایسه تغییرات دمای مخزن خوراک و PH مواد را نشان می دهد.
شکل :3 نمودار تغییرات دمای رآکتور نسبت به زمان
جدول :1 مقایسه تغییرات دمای مخزن خوراک و PH مواد
تجزیه تحلیل داده ها و نتایج در نرم افزار متلب تجزیه تحلیل داده ها در نرم افزار متلب شرایطی را فراهم می کند تا بتوانیم ضمن شناسایی نوع کنترل کننده و اثر گذاری آن روی پروسه رابطه ریاضی مناسبی را در خصوص پروسه عملی کشف نمود. از آنجایکه در پروسه عملی می توان شاخصه هایی از کنترل کننده را فعال و از آن بهره برداری کرد، ولی ضرایب و مقادیر تغییر یافته در پروسه برای جبران سازی به دقت قابل مشاهده و اثبات نیستند. بنابراین استفاده از نرم افزار متلب باعث میشود تا بتوانیم کلیه ضرایب سیستمی و تغییرات پروسه را شناسایی کنیم
شناسایی سیستم در آیدنت متلب یکی از مهمترین تول باکس های نرم افزار متلب بمنظور شناسایی مدل ریاضی پروسه قسمت شناسایی سیستم یا همان آیدنت می باشد. این قالب به ما کمک می کند تا به تابع تبدیل سیستم به منظور آنالیز داده ها دست یابیم. در این پروژه سه عامل تحت کنترل قرار گرفت که بترتیب عبارتند از:
ب - سطح رآکتور: این معیار به دلیل کمبود تجهیزات و دقیق نبودن نرخ دبی به دقت قابل پیشبینی نبود. به خاطر شرایط تزریق پمپ که محدوده آن بین 1الی 3 لیتر بوده، در آزمایشات عملی نیاز به توقف های متعددی برای دستیابی به زمان مورد نظر پر شدن سطح موثر رآکتور لازم داشتیم - شکل. - 4 بنابراین این مورد در پیشنهادات بررسی خواهد شد.
شکل :4 نمودار تغییرات سطح خوراک در رآکتور نسبت به زمان
ج - : PH این عامل به دقت مورد بررسی قرار گرفت و شاخصه های آن روزانه ثبت گردید. با وجود اینکه اختلاف کم مقادیر بدست آمده نسبت به مطالعات مشابه مشهود بوده از طرفی مقدار مطلوب پارامتر نیز شناسایی شده و مد نظر است و با توجه به اینکه پارامتر ذکر شده در حالت کلی تمایل به اسیدی شدن نشان می دهد - شکل. - 5 بنابراین آنالیزر اصلی و تحت کنترل ما در متلب PH می باشد.
