بخشی از مقاله
خلاصه
هدف اصلی در این کار، ارائه یک سیستم کنترل مقاوم در برابر اغتشاشات ناشی از ترکیب درصد خوراک برای برج تقطیر سیستم دوجزئی آب و متانول %40 - مولی - است. باوجود عملکرد بهتر ساختار کنترل تک دمایی مبتنی بر نسبت برگشت به خوراک ثابت در مقایسه با ساختار مبتنی بر نسبت برگشت ثابت برای این سیستم، ولی این عملکرد قابلقبول نیست. بنابراین، برای بهبود عملکرد سیستم تک دمایی، غلظت متانول خوراک بهصورت یک متغیر تصادفی گاوسی با میانگین و انحراف استاندارد مشخص فرض میشود.
چنین فرضی منجر به بازنویسی مسئله بهینهسازی اولیه در قالب یک مسئله بهینهسازی تصادفی میشود که به کمک نگرش شانس محدود و استفاده از تبدیل غیرملموس و با در نظر گرفتن نقاط مقرر کنترلرهای تناسبی- انتگرالی در مجموعه متغیرهای تصمیمگیری، ساختار کنترل تک دمایی اصلاحشده را نتیجه میدهد که این ساختار در برابر اغتشاشات ناشی از ترکیب درصد خوراک عملکرد مطلوبی از خود نشان میدهد.
.1 مقدمه
ازآنجاییکه استفاده از روش تقطیر، اصلیترین روش جداسازی در صنایع شیمیایی و پتروشیمی است، کارهای تحقیقاتی انجامشده در زمینه کنترل برج تقطیر بسیار گسترده است .[1] انواع مختلفی از برجهای تقطیر و نیز ساختارهای کنترل برای این واحد عملیاتی وجود دارد که پارامترهایی نظیر نوع و فراریت مواد، درجه خلوص محصولات، نسبت برگشتی، فشار عملیاتی برج، هزینههای مرتبط باانرژی مصرفی، اندازه برج و ترکیب درصد خوراک در انتخاب بهترین ساختار کنترل تأثیرگذار میباشند. ترکیب درصد خوراک علاوه بر تأثیری که میتواند در انتخاب ساختار کنترل بهینه داشته باشد بهعنوان یکی از اغتشاشات متداول در صنعت است که نیاز به ارزیابی عملکرد سیستم کنترل در مواجهه با این خانواده از اغتشاشات را دوچندان میکند .[2]
هدف اصلی ما در این کار نشان دادن این نکته است که چگونه میتوان با در نظر گرفتن ترکیب درصد اجزای تشکیلدهنده خوراک یک برج تقطیر از جنس پارامترهایی تصادفی گاوسی، عملکرد سیستم کنترل برج تقطیر را در رویارویی با اغتشاشات ناشی از ترکیب درصد خوراک بهبود داد. جداسازی یک سیستم دوجزئی غیر ایده آل شامل مخلوط آب و متانول با %40 مولی متانول - بهعنوان شرایط اسمی - به اجزای تشکیلدهنده آن با درجه خلوص بالا به روش تقطیر بهعنوان مطالعه موردی انتخابشده است.
هدف نهایی نیز رسیدن به یک سیستم کنترل برای این سیستم است که عملکرد آن در برای اغتشاشات خوراک در بازه 30 الی 50 درصد مولی متانول به نحوی باشد که خلوص محصولات بالا و پایین برج زیر %99,9 مولی افت نکند. ابتدا مسئله طراحی در قالب یک مسئله بهینهسازی قطعی حل میشود که بر اساس آن در مورد ساختار کنترل تصمیمگیری میشود.
ولی همانطوری که نشان داده خواهد شد این سیستم عملکرد مطلوبی نداشته و نیاز به راهحل جایگزین است. بر این اساس، غلظت متانول بهعنوان یک متغیر گاوسی با میانگین و انحراف استاندارد مشخصی فرض میشود که منجر به بازنویسی مسئله بهینهسازی اولیه در قالب یک مسئله بهینهسازی تصادفی شده که به کمک نگرش برنامهریزی شانس محدود و استفاده از غیرملموس* و با در نظر گرفت نقاط مقرر کنترلرها در مجموعه متغیرهای تصمیمگیری، ساختار کنترل با ویژگیهای مدنظر را نتیجه میدهد.
.2 طرح مسئله
تقطیر دوجزئی مخلوط %40 مولی متانول و %60 مولی آب بهعنوان شرایط اسمی خوراک برای مطالعه موردی در این کار موردبررسی قرار میگیرد، ولی لازم به ذکر است که الگوریتم ارائهشده را میتوان در مسائل دیگر تقطیر دوجزئی نیز به کاربرد. شبیهسازیها با استفاده از مدلهای غیرخطی و دقیق در نرمافزار شبیهساز Aspen Plus و نیز Aspen Dynamic انجامشده است که مدل RadFrac برای شبیهسازی برج تقطیر استفادهشده و شمارهگذاری پیشفرض نرمافزار، بهصورت مخزن جریان بازگشتی معادل مرحله 1 و جوش آور معادل مرحله نهایی رعایت شده است.
از بسته ویژگیهای فیزیکی ون لار به خاطر توانایی آن در پیشبینی دادههای تعادلی مخلوط آب و متانول استفادهشده است. فشار عملیاتی برج برابر با یک اتمسفر بوده و دبی جریان خوراک 23,63 کیلوگرم بر ثانیه - معادل با 1 کیلو مول بر ثانیه - است که به دو محصول با درجه خلوص 99,9٪ مولی بهصورت متانول در بالای برج و آب در پایین برج تبدیل میشود.
برای طراحی بهینه برج تقطیر، یک مسئله بهینهسازی قطعی تعریف میگردد که متغیرهای تصمیمگیری آن - شامل متغیرهای تصمیمگیری طراحی و عملیاتی - عبارتاند از تعداد سینیهای بالای سینی ورود خوراک، تعداد سینیهای پایین سینی ورود خوراک، نسبت برگشت، دبی جریان محصول بالای برج و نیز قطر برج تقطیر. بهمنظور مطمئن شدن از اینکه محصولات نهایی قابلاستفاده مجدد هستند، دو قید در مورد حداقل خلوص محصولات در نظر گرفته میشود.
بنابراین، خلوص محصول متانول در محصول بالای برج و نیز آب در محصول پایین باید بیشتر از %99,9 مولی باشد. برای جلوگیری از جوشش فیلمی، جوش آورها نیز طوری طراحی میشوند که شار حرارتی آنها کمتر از شار حرارتی بحرانی 32 - کیلووات بر مترمربع - باشد. تابع هدف اقتصادی، حداقل سازی هزینههای سالانه کل است که برای مبنای هزینههای عملیاتی سالانه - انرژی مصرفی در جوش آور - و هزینههای سرمایهگذاری سالانه - مجموع هزینههای مبدلها و پوسته برج - با 3 سال دوره بازگشت سرمایه و 8000 ساعت عملیاتی در طول سال محاسبه میگردد.
هدف اصلی این کار پیدا کردن یک ساختار کنترل است که بتواند خلوص مدنظر برای هر دو جریان محصول را زمانی که اغتشاشی در ترکیب خوراک در بازه %30 الی %50 مولی متانول رخ میدهد حفظ نماید. در اولین قدم، دما، فشار و نرخ جریان خوراک ثابت فرض شده و از طریق یک مسئله بهینهسازی قطعی، پارامترهای طراحی برج تقطیر برای خوراک با غلظتهای 30، 40 و 50 درصد مولی متانول در جدول 1 ارائهشده است. فشار عملیاتی برج منجر به دمای تقریبی 338 کلوین در بالای برج میشود که استفاده از آب خنک کن را ممکن میسازد.
بهینهسازی این فرایند بهمنظور طراحی پایای برج تقطیر با معیار اقتصادی هزینههای سالانه کل برای ترکیب درصد خوراک 30، 40 و 50 درصد مولی، منجر به ستونهایی با تعداد سینیهای متفاوت، سینی خوراک متفاوت، نسبت برگشت متفاوت و نیز بار حرارتی جوش آور/چگالنده متفاوتی میشود. بررسی نتایج بهدستآمده از بهینهسازی پایای این فرایند میتواند در طراحی ساختار کنترل آن نیز راه گشا باشد که در بخش بعد موردبحث قرار خواهد گرفت.
.3 ساختار کنترل
هنگامیکه تنها یک دما در برج تقطیر کنترل شود دو ساختار کنترل رایج وجود دارد که شامل نسبت برگشت ثابت و نسبت جریان برگشتی به خوراک ثابت است که هر دو ساختار میتوانند اغتشاشات ناشی از تغییرات جریان خوراک را بهطور مؤثری کنترل کنند زیرا که تمامی جریانها به نسبت دبی جریان خوراک، افزایش و یا کاهش پیدا میکنند. بااینوجود، عملکرد آنها در رویارویی با اغتشاشات ناشی از ترکیب درصد خوراک تفاوتهای محسوسی ممکن است داشته باشد و برای یک سیستم خاص باید موردبررسی قرار گیرد.
تفاوت بین این دو ساختار را میتوان بهصورت کمی و در قالب "تجزیهوتحلیل حساسیت خوراک" از طریق شبیهسازی پایا مورد ارزیابی قرارداد. به این صورت که در شبیهسازی انجامشده به ازای ترکیب درصد مشخصی از اجزای خوراک، با استفاده از قابلیت "Design-Spec/Vary" در نرمافزار، درجه خلوص محصول بالا و پایین برج بهوسیله تنظیم نسبت برگشت و نسبت جریان برگشتی به خوراک در مقدار مطلوب - به عبارتی شرایط طراحی - تنظیم میشوند. سپس به ازای مقادیر مختلفی از ترکیب درصد خوراک، شبیهسازی پایا اجرا میشود. درنهایت با بررسی تغییرات نسبت برگشت و نسبت جریان برگشتی به خوراک که درازای تغییرات ترکیب درصد خوراک برای حفظ درجه خلوص محصولات نیاز است، میتوان بر اساس متغیری که حداقل تغییرات را دارد ساختار مناسبتر را انتخاب کرد.
