بخشی از مقاله
چکیده
گاز حاصل از منابع و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی شامل گاز ترش و ماده بسیار سمی و خورندهی H2S میباشد. تبدیل H2S به گوگرد و بازیابی گوگرد موجود در گاز ترش، فرآیند مهمی به شمار میآید. اصول تمامی فرآیندهای بازیابی گوگرد، فرآیند کلاوس میباشد که کنترل سرعت آن تاثیر به سزایی در بازدهی فرآیند دارد.
در این مقاله از کنترل کننده نرو-فازی به منظور کنترل سرعت واکنش در بستر کاتالیستی فرآیند کلاوس استفاده شده است. همچنین با استفاده از نرم افزار MATLAB شبیهسازی این فرآیند انجام شده و مقایسهای میان نتایج حاصل از کنترل کننده پیشنهادی نرو-فازی و کنترل کننده کلاسیک PID صورت گرفته است. نتایج شبیهسازی بیانگر عملکرد مناسب کنترلکننده پیشنهادی میباشد.
.1 مقدمه
گاز حاصل از صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، شامل مقادیری از گاز CO2 و H2S میباشد که گاز ترش نامیده میشود. H2S گازی بسیار سمی و خورنده است و هنگام سوختن مادهای سمی و خورنده به نام SO2 تولید میکند. نیاز روزافزون صنایع به گوگرد و قوانین زیست محیطی به منظور حذف آلایندهها باعث شده است که به واحدهای بازیافت گوگرد در این صنایع توجه بیشتری گردد تا بتوان راندمان واحدهای فوق را به حداکثر رساند
جذب روی جامدات، تبدیل مستقیم و جذب برگشتپذیر، از جمله روشهای بازیابی گوگرد میباشند که در حذف H2S از جریان گاز ترش به کار می روند 4]، .[5 روش کلاوس، یکی از روشهای پرکاربرد است و در سال 1883 شناسایی گردید. به طور کلی، اصول تمامی فرآیندهای بازیابی گوگرد، فرآیند کلاوس است؛ با این تفاوت که در هر یک از روشها از تدابیر خاصی برای افزایش بازدهی استفاده میشود. برای رسیدن به بازدهی بیشتر در این فرآیند، بخش احتراق یا حرارتی آن، با یک یا چند مرحله واکنشی کاتالیستی همراه میگردد
کنترل سرعت واکنش در بستر کاتالیستی کلاوس، به تولید گوگرد در زمان کوتاهتری کمک خواهد کرد. به این ترتیب در یک بازه زمانی مشخص، میزان گوگرد بیشتری میتوان تولید نمود و آلایندههای موجود را سریعتر حذف کرد.
کنترل فازی یکی از روشهای کنترلی مبتنی بر دانش افراد خبره میباشد. کنترلکنندههای منطق فازی مزیتهایی بر کنترل کنندههای کلاسیک دارند؛ توسعه آنها ارزانتر است و با توجه به آن که به صورت زبانی بیان میگردند، درک آنها قابل فهمتر است. با توجه به آن که کنترلکنندههای فازی، بازه وسیعی از شرایط کاری را پوشش می دهند، مقاومتر از کنترلکنندههای PID میباشند. کنترل فازی، کاربردهای وسیعی دارد
روش نرو-فازی یکی دیگر از روشهای کنترلی میباشد که ترکیبی از شبکههای عصبی مصنوعی1 و سیستم استنتاج فازی2 است. در این کنترلکننده از قابلیت آموزش در شبکههای عصبی و استفاده از زبان محاورهای در فازی توأمان بهره گرفته میشود. سیستم استنتاج فازی مبتنی بر شبکه تطبیقی3، یک روش نرو-فازی مب باشد
در این مقاله با استفاده از روش نروفازی به کنترل فرآیند کلاوس پرداخته شده است. در بخش 2، فرآیند دو مرحلهای بستر کاتالیستی کلاوس شرح داده میشود. توضیح مختصری از کنترل کنندههای PID و نرو-فازی به ترتیب در بخشهای 3 و 4 بیان میگردد. در بخش 5 این دو روش کنترلی با استفاده از نرمافزار MATLAB بر روی مدل یک بستر کاتالیستی کلاوس شبیهسازی شده و مقایسهای میان آنها صورت میپذیرد. در نهایت، نتیجهگیری در بخش 6 ارایه میشود.
.2 فرآیند کلاوس
واکنشی که در فرآیند کلاوس رخ میدهد، یک واکنش تعادلی است. از اینرو فرآیند کلاوس نمیتواند با استفاده از این واکنش به بازده کامل برسد و تمام گوگرد موجود در جریان ورودی را بازیابی کند. بنابر این نیاز به دو مرحله یا بیشتر است که متوالی بعد از کوره واکنش قرار گیرند و با استفاده از این مراحل بتوان به بازیابی بیشتری دست یافت. در این مراحل از کاتالیستهایی استفاده میشود. تعداد مراحل کاتالیستی به سطح بازیابی مورد نیاز بستگی دارد. هر مرحله کاتالیستی قادر است نصف تا دو سوم گوگرد موجود در جریان ورودی را بازیابی کند
دو واکنش در فرآیند کلاوس رخ میدهد:
- 1 - SO2+H2O O2 H2S+
- 2 - Sn+2H2O 2H2S+ SO2
در کوره واکنش SO2 تولید شده از واکنش 1، با باقیماندهی H2S واکنشی گرماگیر می دهد - واکنش - 2 و S2 تولید می شود.
رابطه 3، رابطهی تعادلی و محدود واکنش کلاوس را نمایش میدهد. کاهش دما باعث افزایش این ثابت تعادل و افزایش تبدیل میشود. دمای گوگرد تعیین کنندهی حد پایین دما برای این رابطه است.
مدلسازی بستر کاتالیستی شامل دو بخش موازنه جرم و موازنه انرژی است .[17] برای موازنه جرم و انرژی از نرخ واکنش 2 استفاده میشود. روابط و شبیهسازیهای انجام شده برای بستر کاتالیستی اول در نظر گرفته شده است.
برای موازنه مولی در بستر کاتالیستی ، فرض میشود که بستر به صورت شکل 1 است. سرعت جریان مولی هر ماده در هر نقطه طولی از بستر به صورتuCis در نظر گرفته می شود. u متوسط سرعت سیال در بستر و s سطح مقطع بستر کاتالیستی است.
