دانشگاه اراک
دانشکده فني و مهندسي گروه مهندسي شيمي
پايان نامه دوره کارشناسي ارشد مهندسي شيمي
عنوان :
شبيه سازي ديناميکي واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني (ره) شازند طبق اصول کنترل جامع فرآيند جهت بهينه سازي فرآيند عنوان پايان نامه
استاد راهنما :
دکتر عليرضا فضلعلي
استاد مشاور :
مهندس مهدي طالب بيگي
پژوهشگر:
جمال توکلي آغچغلو
زمستان 1393
حمد و سپاس خداي را که توفيق کسب دانش و معرفت را به ما عطا فرمود. در اينجا بر خود لازم مي دانم از تمامي اساتيد بزرگوار، به ويژه اساتيد دوره ي کارشناسي ارشد که در طول ساليان گذشته مرا در تحصيل علم و معرفت و فضائل اخلاقي ياري نموده اند، تقدير و تشکر نمايم.
از استاد گرامي و بزرگوار جناب آقاي دکتر فضلعلي که راهنمايي اينجانب را در انجام تحقيق، پژوهش و نگارش اين پايان نامه تقبل نموده اند ، نهايت تشکر و سپاسگذاري را دارم.
از جناب آقاي مهندس طالب بيگي به عنوان مشاور دانشگاه و مهندس ماهرويي به عنوان مشاور صنعت که با راهنمايي خود مرا مورد لطف و مرحمت قرار دادند، کمال تشکر را دارم.
تقديم به :
ولي نعمتمان امام عصر (عج)
و
مظهر زيباترين گلواژه هاي زندگي پدر و مادر گرانقدرم
و
اساتيد عزيزي که ما را در راه کسب علم، معنويت و اخلاق حمايت کردند
چکيده
شبيه سازي ديناميکي واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني (ره) شازند طبق اصول کنترل جامع فرآيند، جهت بهينه سازي فرآيند
به کوشش:
جمال توکلي آغچغلو
فرآيند ايزومريزاسيون در صنعت پالايشي حال حاضر، با توجه به محدوديتي که از لحاظ زيست محيطي و تاثيرات زيان بار ترکيباتي همچون بنزن، آروماتيک ها و اولفين ها بر سلامتي، اهميت ويژه اي يافته است. اين فرآيند، عدد اکتان اجزاي نفتاي سبک را افزايش داده و همزمان ميزان ترکيبات آروماتيکي و بنزن را با فرآيند اشباع سازي، کاهش مي دهد. ايزومريزاسيون يک فرآيند ساده و مقرون به صرفه جهت افزايش عدد اکتان در مقايسه با ساير فرآيندهاي بهبود عدد اکتان مي باشد. محصول ايزومريت مقدار بسيار ناچيزي از گوگرد و بنزن را شامل مي شود که مي تواند به عنوان جزء مخلوط شونده ي ايده ال در مخازن بنزين پالايشگاه مورد استفاده قرار بگيرد. اهميت فرآيند ايزومريزاسيون از لحاظ زيست محيطي و کيفيت بنزين، انگيزه ي ما را در جهت بررسي سيستم کنترلي اين فرآيند در پالايشگاه امام خميني (ره) شازند قوت بخشيد. بهترين شيوه براي بررسي سيستم کنترلي واحد هاي صنعتي، در حال حاضر استفاده از نظريه کنترل جامع فرآيند مي باشد. اين نظريه که شامل نه مرحله مي باشد بهينه ترين حالت براي سيستم کنترلي يک واحد صنعتي را ايجاد مي کند. در اين نظريه علاوه بر کنترل يک تجهيز، اثرات متقابل تجهيزات و به فراخور آن، حلقه هاي کنترلي مورد مطالعه قرار مي گيرد. بررسي تاثيرات ناشي از به هم پيوستگي تجهيزات تنها با مطالعه ي ديناميکي فرآيند ممکن خواهد بود. بنابراين در اين پژوهش ابتدا اقدام به شبيه سازي ديناميکي واحد ايزومريزاسيون با نرم افزار Aspen Hysys شد و بعد تطابق اين مدل ديناميکي با اصول کنترل جامع فرآيند1 بررسي گرديد. نتايج حاصل از اين مدل ديناميکي حاکي از سازگاري اين فرايند با اصول کنترل جامع فرايند دارد. در پايان پيشنهاداتي جهت کنترل بهينه واحد ايزومريزاسيون آورده شده است که با اجراي آنها مي توان کيفيت محصول را تضمين کرده و نوسانات دمايي راکتور را کنترل نمود.
کلمات کليدي: ايزومريزاسيون، کنترل جامع فرآيند، مدلسازي ديناميکي، Aspen Hysys
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول1
مقدمه1
فصل دوم8
کنترل جامع فرآيند – مباني و مراحل طراحي8
2-1- مقدمه9
2-2- پيچيدگي هاي فرآيند و اثرات آن11
2-3- مفاهيم پايه اي کنترل جامع فرآيند15
2-3-1- آموزه هاي داگلاس15
2-3-2- اصول باکلي16
2-3-3- قانون ريچاردسون17
2-3-4- آموزه هاي داون17
2-3-5- قانون هاي لويبن18
2-4- طراحي سيستم هاي کنترلي به روش کنترل جامع فرآيند20
2-4-1- گام 1 : تعيين اهداف سيستم کنترلي20
2-4-2-گام 2 : يافتن درجه هاي آزادي کنترل20
2-4-3- گام 3 : ايجاد سيستم مديريت انرژي21
2-4-4- گام 4: يافتن نرخ توليد:22
2-4-5- گام 5 :کنترل کيفيت محصولات باتوجه به محدوديت هاي ايمني، عملياتي و زيست محيطي23
2-4-6- گام 6 : ثابت کردن جريان در حلقه جريان برگشتي و کنترل متغيرهاي درون اين حلقه24
2-4-7-گام 7: بررسي موازنه ترکيبات25
2-4-8-گام 8: کنترل مجزاي يک تجهيز25
2-4-9-گام 9: بهينه سازي اقتصادي يا بهبود بخشيدن کنترل ديناميکي26
2- 5- توجيه توالي مراحل27
فصل سوم29
معرفي واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني(ره) شازند29
3-1- فرآيند ايزومريزاسيون30
3-1-1- شيمي واکنش هاي ايزومريزاسيون :31
3-1-1-1- واكنش هاي ايزومريزاسيون C5/C6 :31
3-1-1-2- واکنش هاي هيدروکراکينگ :32
3-1-1-3- باز شدن حلقه (Ring Opening) :33
3-1-1-4- اشباع ترکيبات بنزني (Benzene Saturation) :33
3-1-2- ترموديناميک واکنش هاي ايزومريزاسيون :34
3-1-3- عملکرد فرآيند ايزومريزاسيون :35
3-1-4- کاتاليزور هاي ايزومريزاسيون :35
3-1-4-1- مزايا و معايب انواع کاتاليزور ها36
3-1-4-2- سموم کاتاليزور :38
3-1-5- پارامتر هاي فرآيند و شرايط عملياتي :38
3-1-6- معرفي فرايند ايزومريزاسيون نفتا با فناوري ايزومير39
3-2- شرح فرآيند ايزومريزاسيون پالايشگاه اراک41
3-3- شرح واحد ايزومريزاسيون45
3-3-1- قسمت واکنش (reaction section)46
3-3-2 بخش جداسازي (separation section)48
3-3-2-1- برج جداساز ايزوپنتان (Deisopentanizer)48
3-3-2-2- برج اتان زدا و برج تثبيت كننده (Stabilizer and Deethanizer)49
3-3-2-3- برج پنتان زدا و ايزوهگزان زدا (Depentanizer and Deisohexanizer)50
فصل چهارم54
شبيه سازي ديناميکي واحد ايزومريزاسيون54
-1-4مقدمه55
-2-4 مقدمات شبيه سازي56
– 1-2-4مشخصات خوراک و محصول57
-2-2-4 هيدروژن جبراني59
-3-2-4 گاز مايع ناپايدار59
-4-2-4 مشخصات محصولات61
1-4-4-2- ايزومريت62
Off-gas – 2-4-2-4 برج هاي استبيلايزر و دي اتانايزر62
-3-4-2-4 محصول گاز مايع63
4-3- شبيه سازي واکنش66
-4-4اضافه کردن جريان ها، شيرها و تجهيزات68
-1-4-4جريان ها و تجهيزات قبل از راکتور68
4-4-3- هيدروژن جبراني، جداکننده فشار بالا و گاز گردشي71
4-4-4 – فشار شکني و برج تثبيت کننده71
4-5- سايزينگ73
4-5-1- سايزينگ ظروف73
4-5-2- مشخصات مبدل ها74
4-4-3- سايزينگ شيرها75
4-5- انتقال به حالت ديناميکي76
فصل پنجم83
اجراي نظريه کنترل جامع فرآيند روي مدل ديناميکي واحد ايزومريزاسيون و نتايج حاصل از آن83
5-1- مقدمه84
5-2- گام 1: تعيين اهداف سيستم کنترلي84
5-3- گام 2 : يافتن درجه هاي آزادي کنترل88
5-4- گام 3: ايجاد سيستم مديريت انرژي88
5-5- گام 4 و 5 : تنظيم نرخ و كيفيت محصولات91
5-6- گام 6 : ثابت كردن جريان در حلقه جريان برگشتي92
5-7- گام هاي 7، 8 و 992
5- 8 – انتخاب کنترلر براي متغيرهاي باقيمانده با توجه به تحليل ديناميکي93
5-8-1- سطح برج دي ايزوپنتانايزر و دبي خوراک تازه94
5-9- بررسي سيستم کنترلي پيشنهادي99
5-9-1- دماي راکتور و محصولات خروجي از آن99
5-9-2- ظرف V-3301 و جريانهاي خوراک تازه و برگشتي102
5-9- 3- جداکننده ي فشار بالا، برج تثبيت، برج دي پنتانايزر103
5-9-4- ظرف دي ايزوهگزانايزر و دي اتانايزر105
5-10-2- قرار دادن آنالايزر بر روي ظروف V-3301 و V-3308 و V-3310109
5-10-2-2- آنالايزر برج دي پنتانايزر114
5-10-2-3- آنالايزر برج دي ايزوهگزانايزر116
فصل ششم119
نتيجه گيري و پيشنهادات119
6-1- نتيجه گيري120
6-2- پيشنهادات122
فصل هفتم123
منابع و مراجع123
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 2-1- ساختار کنترلي بر مبناي ماندگي ثابت درون راکتور13
شکل 2-2- ساختار کنترلي بر مبناي ماندگي متغير در راکتور13
شکل 2-3- ساختار کنترلي راکتور با دو سيستم خنک کننده24
شکل 3-1- واکنش هاي اصلي ايزومريزاسيون27
شکل 3-2- نمونه اي از واکنش هيدروکراکينگ30
شکل 3-3 – نمونه اي از واکنش شکست حلقه30
شکل 3-4- واکنش شکست حلقه ي بنزن34
شکل 3-5- شماتيک کلي فرايند ايزومريزاسيون در پالايشگاه امام خميني شازند40
شکل 6-3- نمودار جريان فرايند ايزومريزاسيون در پالايشگاه امام خميني ره شازند49
شکل4-1- جريان ها و تجهيزات قبل از راکتور64
شکل4-2- راکتور و مبدل هاي بعد آن71
شکل 4-3- تاييد رفتار ديناميکي مدل واحد ايزومريزاسيون71
شکل 4-4- نمودار فرآيند هيدروکراکر پس از شبيه سازي با نرم افزار Aspen Hysys73
شکل 5-1- وجود نوسان در دماي خروجي کوره و ورودي راکتور (عکس از اتاق کنترل واحدايزومريزاسيون)89
شکل 5-2- وجود نوسان در دماي خروجي مبدل پيش گرمکن E-3304 (عکس از اتاق کنترل واحد ايزومريزاسيون)80
شکل 5-3- وجود نوسان در شبيه سازي Aspen Hysys91
شکل 5-4- ايجاد مسير کنارگذر براي مبدل E-3304 جهت جلوگيري از نوسانات دمايي81
شکل 5-5- استرتژي کنترلي براي کنترل سطح V-330983
شکل 5-6- استرتژي کنترلي براي کنترل سطح V-331284
شکل 5-7- کنترل کننده ي جريان (FC ) براي جريان خوراک تازه85
شکل 5-8- کنترل کننده ي جريان (FC) براي جريان خروجي از پايين V-330186
شکل 5-9- کنترل سطح ظرف V-3301 به شکل آبشاري87
شکل 5-10- تغيير نقطه ي تنظيم همراه با تغيير استراتژي کنترلي88
شکل5-11- دماي ورودي و خروجي راکتور90
شکل5-12- رابطه ي دماي خروجي راکتور با غلظت بنزن خوراک90
شکل 5-13- دبي حجمي محصولات خروجي از راکتور در شرايط نرمال فرايند91
شکل 5-14- سطح مايع تعدادي از ظرف هاي فرآيند93
شکل 5-15- دبي تعدادي از جريان هاي فرآيند93
شکل 5-16- سطح مايع ظروف V-3306و V-331094
شکل 5-17- دبي جريان هاي مربوط به V-3310و V-330694
شکل 5-18- نوسان در حلقه ي کوره، راکتور و مبدل95
شکل 5-19- تاثير نوسان دماي راکتور در نرخ ايزوپنتان و ايزوهگزان به عنوان محصولات اصلي راکتور96
شکل 5-20- تاثير نوسان دماي راکتور در عدد اکتان خروجي راکتور107
شکل 5-21- تاثير مسير کنارگذر در کنترل نوسان دمايي در حلقه ي کوره راکتور و مبدل97
شکل 5-22- تاثير مسير کنارگذر در نوسان نرخ ايزوپنتان و ايزوهگزان به عنوان محصولات اصلي راکتور97
شکل 5-23- تاثير مسير کنار گذر در نوسان عدد اکتان خروجي راکتور98
شکل 5-24- وجود آنالايزر غلظت (CC) در برج دي ايزوبوتانايزر (DIB)99
شکل5-25- نمودار آنالايزر غلظت ايزوپنتان برج دي ايزوپنتانايزر در شرايط پايدار برج100
شکل5-26- تاثير کاهش غلظت ايزوپنتان خوراک در آنالايزر غلظت برج دي ايزوپنتانايزر100
شکل 5-27- نمودار کنترل آنالايزر غلظت ايزوپنتان برج دي ايزوپنتانايزر به وسيله دماي پايين برج101
شکل 5-28- نمودار کنترل آنالايزر غلظت ايزوپنتان برج دي ايزوپنتانايزر به وسيله فشار بالاي برج102
شکل 5-29- کنترل آنالايزر غلظتي ايزوپنتان با دماي پايين برج102
شکل 5-30- نمودار آنالايزر غلظت نرمال پنتان براي برج دي پنتانايزر در شرايط پايدار برج103
شکل 5-31- کنترل غلظت پنتان بالاي برج به وسيله ي دماي پايين برج104
شکل 5-32- کنترل غلظت پنتان بالاي برج به وسيله ي فشار بالاي برج104
شکل 5-33- استراتژي کنترلي براي آنالايزر غلظت نرمال پنتان105
شکل 5-34- نمودار آنالايزر غلظت ايزوهگزان براي برج دي ايزوهگزانايزر در شرايط پايدار برج106
شکل 5-35- کنترل غلظت ايزوهگزان بالاي برج به وسيله ي دماي پايين برج106
شکل 5-36- استراتژي کنترلي براي آنالايزر غلظت ايزوهگزان در برج دي ايزوهگزانايزر118
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 3-1- فهرست آلاينده هاي خوراک و سطح مقاومت انواع کاتاليزور……………………………………………. …….38
جدول 3-1- شرايط عملياتي مربوط به کاتاليزورهاي گوناگون فرآيند ايزومريزاسيون…………………………….. ………..39
جدول 3-3- نام پالايشگاه ها و ظرفيت مربوط به آن ها……………………………………………………………………. ………40
جدول 3-4- سموم موجود در خوراک براي کاتاليزور HYSOPAR…………………………………………………….40
جدول 3-5- ويژگي هاي کاتاليزور RISO واحد ايزومريزاسيون…………………………………………………………….. 45
جدول 4-1- ويژگي محصول فرايند ايزومريزاسيون…………………………………………………………………………………53 جدول 4-2- ويژگي خوراک فرايند ايزومريزاسيون……………………………………………………………………………….. 58
جدول 4-3- آناليز هيدروژن جبراني فرايند ايزومريزاسيون……………………………………………………………………….. 59
جدول 4-4- آناليز گاز مايع ناپايدار فرايند ايزومريزاسيون……………………………………………………………………….. 60
جدول 4-5- مشخصات تقطيري محصول ايزومريت فرايند ايزومريزاسيون…………………………………………………… 62
جدول 4-6- مشخصات Off-gas فرايند ايزومريزاسيون……………………………………………………………………….. 62
جدول 4-7- آناليز گاز مايع محصول فرايند ايزومريزاسيون……………………………………………………………………….. 63
جدول 4-8- دما و فشار جريان هاي ورودي……………………………………………………………………………………. 69
جدول 4-9- سايزينگ برج هاي تقطير واحد ايزومريزاسيون…………………………………………………….. ……………….. 73
جدول 4-10- سايزينگ ظروف واحد ايزومريزاسيون……………………………………………………………………………….. 74
جدول 4-11- سايزينگ راکتور……………………………………………………………………………………………………………….. 74
جدول 4-12- مشخصات مبدلهاي پوسته لوله……………………………………………………………………………………………. 75
جدول4-13- مشخصات کوره و کولرها……………………………………………………………………………………………………. 75
جدول 4-14- ضرايب شيرهاي شبيه سازي شده………………………………………………………………………………………… 76
جدول 4-15- مقايسه ي داده هاي شبيه سازي و صنعتي براي نرخ جريان هاي مهم واحد…………………………. 71
جدول 4-16- مقايسه ي داده هاي شبيه سازي و صنعتي براي پارامترهاي مهم واحد …………………………………71
جدول 4-17- مقايسه ي عدد اکتان خوراک و محصول براي داده هاي پالايشگاه و شبيه سازي………………… …72
جدول 4-18- مقايسه ي بين ميزان ترکيب درصد بنزن خوراک و محصول براي داده هاي پالايشگاه و شبيه سازي ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….72
جدول 5-1 – ليست کنترلرهاي دما، فشار و سطح مايع……………………………………………………………………………… 86
فصل اول
مقدمه
ايزومريزاسيون2 يکي از فرآيندهاي مهم و مقرون به صرفه جهت ارتقاء کيفيت بنزين به شمار مي رود. هدف اصلي در اين فرآيند افزايش عدد اکتان بنزين و حذف ترکيبات آروماتيکي و اولفين ها است. گرچه عدد اکتان مربوط به اين ترکيبات بالاست اما از لحاظ زيست محيطي مضرند و اثرات زيان باري بر سلامتي انسان مي گذارند. محصول ايزومريت مقدار بسيار کمي از گوگرد و بنزن را شامل مي شود که مي تواند به عنوان جزء مخلوط شونده ي ايده آل در مخازن پالايشگاه مورد استفاده قرار بگيرد.
اولين واحد ايزومريزاسيون توسط شرکت UOPدر سال 1953 ساخته شد. فرآيند ايزومريزاسيون از لحاظ خوراک به دو نوع تقسيم مي شود :
1- ايزومريزاسيون بوتان و تبديل آن به ايزوبوتان به عنوان خوراک واحدهاي آلکيلاسيون و متيل ترشيري بوتيل اتر
2- ايزومريزاسيون C5/C6 جهت افزايش عدد اکتان جريان نفتاي سبک
خوراک واحد ايزومريزاسيون معمولا حاوي ترکيبات آروماتيکي و بنزن مي باشد که طي فرآيند اشباع سازي? حذف مي گردند. گرچه مقدار گوگرد و آب در خوراک بسيار کم است ولي بايد توجه داشت که همين مقدار کم نيز مي تواند کاتاليزور را مسموم کند. بعضي از شرکت هاي داراي ليسانس فرآيند ايزومريزاسيون عبارتند از : شرکت يو ا پي با نام تجاري پنکس3? شرکت اگزنس4 با نام تجاري ايپزورب و هگزورب? شرکت بي پي5 (شرکت نفتي بريتانيا) شرکت شل6 با نام تجاري هايزومر.
واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني (ره) شازند تحت ليسانس پژوهشگاه صنعت نفت RIPI مي باشد. طراحي پايه ي آن توسط شرکت JGCو جزئيات طراحي و ساختار آن توسط کنسرسيوم SEI و ODCC انجام شده است. فرآيند ايزومريزاسيون نفتا براي عمليات رويBPSD 8500 از نفتاي سبک واحد NHT2 طراحي شده است. هدف از طراحي واحد ايزومريزاسيون? بهبود عدد اکتان نفتاي سبک تصفيه شده مي باشد که از برج تفکيک کننده ي واحد NHT2دريافت مي شود. واحدهاي ايزومريزاسيون C5/C6 عمدتا شبيه واحدهاي هيدروتريتينگ7 هستند. در اين واحد واکنش هاي ايزومريزاسيون پارافيني C5/C6صورت مي گيرد که با اضافه کردن هيدروژن در حضور کاتاليست? تبديل نرمال پنتان به ايزوپنتان و نرمال هگزان به متيل پنتان و دي متيل بوتان انجام مي شود. اين واکنش درون راکتور بستر ثابت انجام مي شود. خروجي از راکتور به بخش جداسازي منتقل مي شود که در آن جا محصولات اصلي و جانبي از هم جدا مي شوند. محصولات واحد شامل ايزومريت و گاز مايع تثبيت شده است.
سيستم کنترلي واحد ايزومريزاسيون به علت وجود راکتور گرمازا، جريان هاي سرد و گرم و کنار گذر، جريان هاي برگشتي، تجهيزات زياد و متنوع ( پمپ ها، کمپرسورها، ظرف هاي نوسان گير، جداکننده ها و برج تقطير) و گستره وسيع از شرايط عملياتي، بسيار پيچيده مي باشد. علاوه بر پيچيدگي، حلقه هاي کنترلي اين سيستم به يکديگر وابسته بوده و از هم تاثير مي گيرند.
تاکنون تلاش هاي زيادي جهت طراحي سيستم هاي کنترلي فرآيندهاي پيچيده صورت پذيرفته است و دانشمندان بسياري در اين زمينه به نگارش کتب و مقالات پرداخته اند. لويبن و همکارانش در سال 1997 با جمع آوري نظريه هاي دانشمندان در زمينه کنترل فرآيندهاي پيچيده، و ارائه طرح هاي خود، نظريه اي را با نام (( کنترل جامع فرآيند8 )) مطرح کرده اند[1]. در اين نظريه سعي شده که تمامي جنبه هاي يک فرآيند پيچيده مورد تحليل و بررسي قرار بگيريد و بهترين راه جهت کنترل فرآيند پيشنهاد داده شود. نظريه کنترل جامع فرآيند براي اولين بار بر روي فرآيند هيدروآلکلاسيون تولوئن9 اجرا و نتايج رضايت بخش آن سبب گرديد که از اين نظريه براي طراحي سيستم کنترلي بسياري از فرآيندها استفاده شود.
فرآيندي که سيستم کنترلي آن مطابق با اين نظريه طراحي مي شود، فرآيندي پيچيده همراه با تجهيزات زياد و جريان برگشتي مي باشد که به سادگي و با اصول عادي کنترل فرآيند نمي توان در مورد حلقه هاي کنترلي آن اظهار نظر کرد. معمولا طراحي سيستم کنترلي فرآيندهايي که داراي قسمت واکنش و جداسازي باشند و اين دو قسمت توسط جريان برگشتي به هم مرتبط شوند، کار دشواري بوده و کنترل آنها معمولا با نوسانات زيادي همراه است.
نظريه کنترل جامع فرآيند شامل 9 گام بوده که در طي آن متغيرهاي اساسي فرآيند شناسايي شده و جهت کنترل آنها کنترلر مناسب پيشنهاد داده مي شود. جهت مشخص شدن بهترين کنترلر براي يک متغير، نياز است که عملکرد هر يک از کنترلرها روي فرآيند بررسي شده و در نهايت دقيق ترين آنها انتخاب شود. به همين منظور بايد از فرآيند مورد نظر يک شبيه سازي ديناميکي تهيه شده و نتايج 9 گام بر روي آن پياده سازي شود.
هدف از انجام اين پروژه اين است که با شبيه سازي دقيق ديناميکي واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني شازند (ره)، يک سيستم کنترلي مبتني بر نظريه کنترل جامع فرآيند براي اين واحد پيشنهاد داده شود که بتواند با کمترين نوسان ممکن، يک کنترل ايمن و اقتصادي براي اين واحد فراهم آورد. ضمن اينکه اين شبيه سازي، مي تواند ما را در بهينه سازي فرايند از نظر کيفيت محصول و افزايش ظرفيت واحد کمک کند. براي اين کار کافي است اقدام به تغييرات قابل قبول از نظر فرآيندي در مدل ديناميکي، انجام داد و خروجي هاي واحد را بررسي نمود. در اين جا لازم است به نکاتي پيرامون سيستم کنترلي واحد ايزومريزاسيون اشاره شود.
واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني (ره) شازند تقريبا مدت 3 است که راه اندازي شده است. سيستم کنترلي اين واحد در اين مدت ايراداتي از خود بروز داده است. يکي از اين اشکالات، اغتشاشات دمايي راکتور مي باشد که بعضا دمايي خروجي راکتور را به شدت و به ميزان زيادي افزايش مي دهد و تمهيدات کنترلي براي آن در نظر گرفته نشده است. قطعا اين نوسانات دمايي شديد، هم عملکرد راکتور را از لحاظ افت فعاليت کاتاليزور و آسيب رسيدن به بدنه ي راکتور مختل مي کند و هم کيفيت محصول ايزومريت را با بحران مواجه مي کند و اين از نظر اقتصادي براي پالايشگاه مقرون به صرفه نيست.
ايراد ديگر سيستم کنترلي واحد ايزومريزاسيون عدم وجود آنالايزر غلظتي براي برج هاي مهم واحد ( برج دي ايزوپنتانايزر، دي پنتانايزر و دي ايزوهگزانايزر) مي باشد که ممکن است در شرايط نا مطلوب کيفيت محصول را به شدت تحت تاثير قرار دهد. منابع کنترل فرآيند وجود اين آنالايزرها را در برج ها ضروري مي شمارند[1]. خوراک ورودي در فرآيندهاي شيميايي به هر دليلي مي تواند از لحاظ نرخ جريان و غلظت مواد تشکيل دهنده ي آن تغيير نمايد. بنابراين بايد تمهيدي انديشيده شود تا در اين تغييرات، خلوص مواد با ارزش برج ها که گاها به عنوان محصول فرآيند هستند، تحت تاثير قرار نگيرد. بديهي است که ايجاد آنالايزر خلوص و کيفيت محصولات برج ها را به بهترين وجه کنترل نموده و اين از لحاظ اقتصادي هم به نفع پالايشگاه است.
سيستم کنترلي پيشنهادي که با توجه به اصول نه گانه ي کنترل جامع فرآيند استخراج شده است، قطعا با سيستم کنترلي موجود مشترکات زيادي دارد. چون تنها يک راه براي کنترل بسياري از متغيرها در فرآيند وجود دارد. اما به دليل اينکه فرآيند ايزومريزاسيون يک فرآيند پيچيده بوده و حلقه هاي کنترلي روي هم تاثير مي گذارند، مي توان کنترلرهاي جديدي براي تعدادي از متغيرها پيشنهاد داد.
فصل هاي اين پايان نامه عبارتند از :
فصل اول مقدمه
در فصل دوم به اصول نظريه کنترل جامع فرآيند و گام هاي اجراي آن مي پردازيم. در اين فصل نظريه هاي دانشمنداني را که در زمينه کنترل فرآيندهاي پيچيده تلاش کرده اند، آورده ايم و با ذکر مثالهايي، اثرات حلقه هاي کنترلي روي يکديگر بيان مي شود. سپس 9 گام نظريه کنترل جامع فرآيند شرح داده مي شود.
در فصل سوم به شرح فرآيند ايزومريزاسيون و معرفي واحد ايزومريزاسيون پالايشگاه امام خميني(ره) شازند مي پردازيم. شرکتهاي صاحب دانش فني فرآيند ايزومريزاسيون در اين فصل معرفي مي شوند و سپس به بيان واکنشهاي ايزومريزاسيون پرداخته و شرايط راکتور و کاتاليست شرح داده مي شود.
فصل چهارم شامل شبيه سازي ديناميکي واحد ايزومريزاسيون مي باشد. در اين فصل با استفاده از داده هاي صنعتي و تئوري واحد ايزومريزاسيون و با استفاده از نرم افزار Aspen Hysys V7.3 مدل ديناميکي تهيه شده است. مهمترين بخش در تهيه مدل ديناميکي، بخش واکنش شيميايي ايزومريزاسيون مي باشد. در شبيه سازي واکنش از آناليز خوراک و محصولات واحد که از آزمايشگاه گرفته شده، و با توجه به دستورالعمل بهره برداري واحد، استفاده نموده ايم. تطابق مدل ديناميکي با شرايط واحد جهت پياده سازي اصول کنترل جامع فرايند مهم و ضروري است.
فصل پنجم مهمترين فصل بوده و به اجراي نظريه کنترل جامع فرآيند روي مدل ديناميکي واحد ايزومريزاسيون خواهد پرداخت. در اين فصل 9 گام طراحي سيستم هاي کنترلي به روش کنترل جامع فرآيند روي مدل ديناميکي پياده سازي شده و با توجه به نتايج اين مدل کنترلرهاي مناسب هر متغير انتخاب مي شود.
در فصل ششم به نتايج و پيشنهادات پرداخته ايم.
در فصل هفتم نيز منابع ومراجع مورد استفاده در پايان نامه آمده است.
اميد است که نتايج موجود در اين پروژه بتواند جهت بهره برداري هر چه بهتر از واحد ايزومريزاسيون و واحدهاي مشابه آن، به کار رفته و بستر مناسبي جهت طراحي سيستم هاي کنترلي فراهم آورد.

فصل دوم
کنترل جامع فرآيند – مباني و مراحل طراحي
2-1- مقدمه
در طول چند دهه ي گذشته محققان و کارشناسان کنترل فرآيند، گام هايي در جهت توسعه ي يک برنامه ي موثر کنترلي براي بسياري از فرآيندهاي شيميايي و نفتي متشکل از عمليات واحد هاي گوناگون، برداشته اند. يکي از رايج ترين، مهم ترين و چالش برانگيزترين مسائل مربوط به کنترل فرايند که مهندسان شيمي با آن مواجه بوده اند اين است که : حلقه هاي کنترلي را چگونه طراحي نماييم تا فرآيند بهترين عملکرد را داشته باشد؟ البته سوالات جزئي ديگري نيز در اين زمينه مطرح است : 1- کدام متغيرها بايد کنترل شوند؟ 2- کدام متغيرها بايد اندازه گيري شوند؟ 3- کدام ورودي بايد اعمال شود و کدام روش ارتباطي بين متغيرها بايد در نظر گرفته شود؟ 4- رفتار ديناميکي واحدهاي مرتبط با هم در مقايسه با تجهيزات منفرد چگونه است؟
در يک محيط صنعتي، طرح کنترلي بايد داراي استراتژي مفهومي ساده اي داشته باشد. پيچيده ترين بخش در يک پروژه داشتن ساده ترين و مرغوب ترين استراتژي کنترل است.
نظريه ي کنترل جامع فرآيند شامل استراتژي هاي مورد نياز جهت کنترل کارآمد يک واحد شيميايي متشکل از تجهيزات و عمليات واحدهاي فراوان و مرتبط به هم مي باشد. اساسا مسائل کنترلي در فرآيند بدين صورت مطرح مي شود که چگونه حلقه هاي کنترلي مورد نياز جهت عمليات مناسب را توسعه بخشد و اهداف طراحي را تامين کند. اکثر واحدهاي صنعتي شامل يک نمودار جريان پيچيده همراه با چندين جريان برگشتي10، تجميع انرژي11 و بسياري از تجهيزات مختلف همچون برج هاي تقطير، برج هاي جذب، راکتورها در انواع مختلف، مبدل هاي حرارتي، پمپ ها، کمپرسورها و… مي باشد[1].
وجود جريان هاي برگشتي، ادغام انرژي و آرايش متوالي تجهيزات گوناگون باعث مي شود که اغتشاشات به سادگي از واحدهاي بالادستي به واحدهاي پايين دست منتقل شود. لذا با توجه به پيچيدگي و به هم پيوستگي فرآيند، تاثير جريان برگشتي و تجميع انرژي، بايد تدابير کنترلي و ابزاردقيقي مناسبي را جهت عمليات ايمن و پايدار و رسيدن به اهداف طراحي اتخاذ نماييم.
روش کنترل جامع فرآيند که حاصل سالها کار عملي بر روي مشکلات طرحهاي کنترلي است، ساده ترين و کارامدترين طرح کنترلي را براي برآورده ساختن اهداف طراحي ايجاد مي کند [1]. اهداف تاثيرگذار بر کنترل جامع فرآيند عبارتند از :
1- عمليات ايمن و پايدار در فرآيند
2- کنترل مطلوب کيفيت محصولات در مواجهه با اغتشاشات
3- اجتناب از شرايط ناايمن فرآيندي
4- کنترل سيستم به صورت اتوماتيک که کمترين توجه اپراتور را نياز داشته باشد.
5- تغيير کيفيت محصولات در کمترين زمان ممکن
6- عدم ايجاد خطر براي محيط
قطعا جهت کنترل پارامترهاي فرآيند، روش ها و طرح هاي مختلفي وجود دارد اما مهم اين است که از ميان راه کارهاي مختلف چگونه درست ترين را انتخاب نماييم. مثلا چرا جهت کنترل موجودي مايع از جريان خوراک تازه ي واکنشگر استفاده کنيم؟ در چه مواردي ترکيبات خروجي از راکتور را آناليز مي کنيم؟ چرا نگران يک اغتشاش مستقيم در نرخ محصولات بوده ايم[1]؟
راه کارهاي گوناگوني طي چندين سال توسط دانشمندان و طراحان کنترل ارائه شده است. لويبن و همکارانش درسال 1997 نتيجه تحقيقات اين دانشمندان و نظريه هايي که حاصل تحقيقاتي در زمينه کنترل جامع بوده است، جمع آوري کرده و به روش کنترل جامع فرآيند را بنا نهاده اند.
2-2- پيچيدگي هاي فرآيند و اثرات آن
فرآيندهايي که تجهيزات و عمليات واحدهاي آن به صورت پشت سر هم قرار دارند و به گونه اي عملکردشان بر روي هم موثر است. به خاطر تاثيرات جريان هاي برگشتي، تاثير ادغام انرژي و موازنه ي مواد، مستعد مواجهه با اغتشاشات هستند که اين اغتشاشات کنترل فرآيند را دچار بحران مي کند.
دليل اصلي براي استفاده از تجميع انرژي، بهبود بازده ترموديناميکي فرآيند است. اين موضوع باعث کاهش در هزينه هاي کلي مي شود و براي فرآيندهاي با انرژي بالا، ذخيره ي انرژي بسيار قابل توجه است. در صنايع پالايش نفت واکنش هاي موجود معمولا گرمازا هستند. جريان خروجي از راکتور داراي حرارت بالايي است و از طرفي مي خواهيم دماي جريان ورودي به راکتور را بالا ببريم. با استفاده از مبدل حرارتي خوراک- سيال خروجي مي توان مقداري از انرژي را بازيابي نمود و از طغيان حرارتي جلوگيري کرد. اين امر مي تواند مقدار سوخت مورد نياز کوره براي حرارت دهي واکنشگر و هزينه ي تجهيزات لازم براي خنک نمودن جريان خروجي راکتور را کاهش مي دهد.
درنظريه کنترل جامع فرآيند بيشترين موضوعي که مورد توجه قرار مي گيرد تأثيرات جريان هاي برگشتي است[4-1]. وجود جريان برگشتي مواد در فرآيندهاي صنعتي شش دليل عمده و مهم دارد: افزايش تبديل، بهينه سازي اقتصادي، بهبود بازده واکنش، جلوگيري از اتلاف حرارتي، جلوگيري از واکنش هاي جانبي و کنترل خصوصيات محصول. تأثيري که جريان برگشتي برکنترل فرآيند خواهد گذاشت پيچيده، تدريجي و بسيار حائز اهميت است. جريان برگشتي در يک فرآيند مي تواند موجب اثر گلوله برفي غلتان12 شود. دليل اينکه اين اثر را اثر گلوله برفي غلتان نامگذاري کرده اند از اين جهت است که هنگامي که يک گلوله برفي را از يک شيب به پايين بغلتانيم با جمع کردن برف ها به دور خود بزرگ و بزرگ ترشده و چون وزنش افزايش مي يابد برف هاي بيشتري را به دور خود جمع کرده و با سرعت بيشتري نسبت به شرايط ابتدايي بزرگ تر مي شود. اين مثال در مورد جريان برگشتي کاملا صادق است. اگر در جريان برگشتي اغتشاشي ايجاد شود، با يک بار چرخش در فرآيند اين اغتشاش تشديد شده و بزرگ تر مي شود و اين روند به مرور زمان ادامه مي يابد تا جايي که سيستم از کنترل خارج مي گردد. براي فهم اين اثر به يک مثال نگاه مي کنيم. قوانين حاکم براين مثال در مراحل طراحي تعميم داده شده اند.
جريان F0 که حاوي ماده A است، طبق واکنش درجه اول A?B در رآکتور به B تبديل مي شود. ماده B به عنوان محصول از انتهاي برج تقطير خارج شده و ماده A واکنش نداده، با جريان D به رآکتور باز مي گردد. سيستم کنترلي که در شکل 2-1 نشان داده شده شامل 7 کنترلر است.
شکل 2-1- ساختار کنترلي بر مبناي ماندگي ثابت درون راکتور[1]
1- کنترل جريان ورودي به راکتور
2- کنترل سطح راکتور به وسيله جريان خروجي از آن
3- کنترل خلوص محصول خروجي توسط بارحرارتي ريبويلر
4- کنترل خلوص بالاي برج توسط جريان رفلاکس
5- کنترل سطح مايع رفلاکس درام توسط محصول مقطر ( که در اينجا همان جريان برگشتي است)
6- کنترل سطح مايع برج تقطير توسط دبي جريان خروجي از پايين برج
7- کنترل فشاربرج توسط بارحرارتي کندانسور
هدف از سيستم کنترلي که در شکل نشان داده شده است، کنترل جريان واکنش دهنده تازه (A) به منظور تنظيم نرخ محصول (B) است. حال اگر اغتشاشي به ميزان %25 در جريان خوراک تازه ايجاد شود، سوال اين است که در جريان برگشتي چند درصد تغييرايجاد مي گردد؟ با شبيه سازي فرآيند مشاهده مي گردد که %94 در جريان برگشتي تغيير ايجاد خواهد شد. علت اين امر فقط و فقط به نوع ساختارکنترلي باز مي گردد. هنگامي که F0 را زياد کنيم سطح مايع درون راکتور بالا مي آيد و چون کنترل سطح راکتور توسط جريان ورودي به قسمت جداسازي است باعث اغتشاش در اين قسمت مي شود و مشاهده مي گردد که با %25 تغييرات در جريان خوراک تازه، تغييري به مراتب بزرگتر(%94) در جريان برگشتي خواهيم داشت که نمايانگر اثر گلوله برفي غلتان است. بدين مفهوم که تغيير مورد نظر به علت عدم کنترل صحيح در سيستم تشديد شده است. حال استراتژي کنترلي را به حالت شکل 2-2 تغيير مي دهيم[1].
شکل 2-2- ساختار کنترلي بر مبناي ماندگي متغير در راکتور [1]
دومورد تغيير نسبت به حالت قبل مشاهده مي شود :
1- سطح مايع درون راکتور با توجه به جريان ورودي تنظيم مي گردد
2- جريان ورودي به قسمت جداسازي کنترل مي شود
بقيه حلقه هاي کنترلي همانند ساختار قبلي هستند. در اين ساختار مي بينيم که تغيير در دبي محصول B با جريان خوراک تازه امکان پذير نمي باشد، بلکه جريان خوراک تازه با توجه به سطح راکتور کنترل مي گردد و با تغيير در نقطه تنظيم کنترل کننده سطح مايع راکتور مي توان نرخ محصولات خروجي را تنظيم کرد.
حال با تغيير %45 در ماندگي راکتور (که معادل %25 تغيير در جريان محصول ورودي است) به % 18 تغيير در دبي جريان برگشتي مي انجامد. در حالي که در ساختار کنترلي قبلي اين تغيير معادل %94 بوده است. علت اين امر اين است که در ساختار کنترلي شکل 2-1 سيستم کنترلي تلاش مي کند که محتويات هرظرف را با تغيير در جرياني که به سمت پايين دستش مي رود کنترل نمايد. بنابراين هر اغتشاشي که گرايش به افزايش محتويات فرآيند داشته باشد (همانند افزايش خوراک تازه) باعث افزايش در حلقه جريان برگشتي مي شود[1].
2-3- مفاهيم پايه اي کنترل جامع فرآيند
3-2-1- آموزه هاي داگلاس [5]
جيم داگلاس13 درسال 1988 از دانشگاه ماساچوست، رويکرد تدريجي به طراحي مفهومي در نمودار فرآيند را ابداع کرد. او تعداد بسيار مفيدي از مفاهيم را گسترش داد که شامل مفاهيم کنترلي بودند. داگلاس به اين نکته اشاره مي کند انواع طرح هاي شيميايي شامل موادخام و محصولات با ارزشي هستند که انرژي زيادي جهت تبديل موادخام به محصولات مصرف مي شود. اين گفته وي به دو اصل منتهي مي شود.
1- کمترين هدررفت واکنش دهنده ها و محصولات
2- بيشترين مقدار دبي در طول سيستم هاي برگشت گاز
2-3-2- اصول باکلي [6]
پيج باکلي14 به همراه دوپوينت15 درزمينه کنترل فرآيند جزء پيشگامان بودند و براي نخستين بار در زمينه کنترل فرآيند نظريه جداسازي مسائل کنترل جامع فرآيند را دردو بخش پيشنهاد کردند:
1- کنترل موازنه مواد
2- کنترل کيفيت محصولات
او پيشنهاد کرد در ابتدا به دبي مواد در طول سيستم توجه شود، چون حلقه هاي کنترلي فشار و سطح مايع از دبي گازها و مايعات جهت کنترل استفاده مي کنند. سپس او حلقه کنترل کيفيت محصولات را مطرح کرد که به وسيله متغيرهاي مهم در فرآيند شناسايي و شيوه مناسب براي کنترل آنها انتخاب شود. سپس ثابت هاي زماني حلقه هاي کنترل کيفيت تخمين زده شود. پس از بررسي حلقه هاي کنترل کيفيت مجدداً پايداري را مورد بررسي قرار دادند و اينگونه مطرح کردند که سطح مايع ظروف بايد توسط حلقه هايي از نوع تناسبي کنترل بشود. اولين اصل دلالت براين موضوع دارد که ما نياز به سيستم کنترلي داريم که از اتلاف واکنش دهنده ها و محصولات جلوگيري کند و دومين اصل نشان دهنده اين است که بازده با ارزش تر از انرژي است. درواقع جريان برگشتي براي بهبود بخشيدن بازده در تعداد زيادي از فرآيندها استفاده مي شود. بازده اقتصادي بهبوديافته گاهي اوقات مهمتر از ارزش انرژي اضافي که براي انتقال جريان برگشت گاز درکمپرسور مصرف مي شود (تلف مي شود). مفهوم ساختارکنترلي براي اصل فوق اين است که دبي گاز برگشتي بيشينه شود حتي اگر مقدار زيادي انرژي صرف اين کار شود.
2-3-3- قانون ريچاردسون [2]
باب ريچاردسون16 از اتحاديه کاربيد17 اين نظريه را پيشنهاد کرد که جرياني که بيشترين دبي را دارد براي کنترل سطح مايع درمخزن انتخاب شود. اين امر موجب مي شود سريعتر به هدف مطلوب برسيم.
2-3-4- آموزه هاي داون [7]
درسال 1992، جيم داون18 از کمپاني شيميايي شرق دريافت که موازنه اجزاي شيميايي حول نقطه شروع و نرمال، براي تمام فرآيند و تجهيزات بررسي شود. مفاهيم موازنه جزء اولين اصول مهندسي شيمي است اما به نحوي اين اساس در پروژه هاي بزرگ اغلب فراموش شده يا ناديده گرفته شده اند. در کارهاي طراحي معمولا کار به چند بخش تقسيم بندي مي شود. به عنوان مثال شخصي که مي خواهد يک راکتور و سيستم کنترلي و قسمت جدا کننده آن را طراحي کند، بايد توجه ويژه اي به اصول موازنه داشته باشد چون اين دو قسمت عملياتي به طور موثري با هم کار مي کنند.
نظريه داون اين گونه بيان مي کند که بايد مطمئن شد که تمام اجزا ( واکنش دهنده ها، محصولات و مواد خنثي ) راهي براي خروج دارند يا در داخل فرآيند مصرف مي شوند. مثلا مواد سنگين خنثي مي توانند سيستم را از طريق خروجي محصولات در پايين برج ترک کنند. مواد خنثي سبک نيز از طريق جريان گاز يا از طريق کندانسور جزئي که در برج تعبيه شده است، پاکسازي مي شوند. بيشتر مسائل به طور عمده در مورد واکنش دهنده ها است، مخصوصا زماني که تعداد زيادي از انواع مواد شيميايي موجود باشند. تمام واکنش دهنده هاي ورودي به سيستم بايد در فرآيند مصرف شده يا آن را ترک کنند حتي اگر به صورت ناخالص در جريان خروجي باشند.
2-3-5- قانون هاي لويبن19 [3و1]
سه مورد از قانون هايي که به صورت نتيجه بررسي يک پديده مورد مطالعه در بين تعداد زيادي از سيستم ها توسعه پيدا کرده، به اين شرح است :
1- دبي جريان برگشتي بايد توسط يک حلقه کنترل شود. اين امر سبب جلوگيري از اثر گلوله برفي غلتان مي شود.
2- يک جريان تازه خوراک از واکنش دهنده ها توسط کنترل دبي نبايد کنترل شود مگر اينکه اساسا يک تبديل يک بار گذر در واکنش دهند ها وجود داشته باشد. در سيستم هايي با واکنش هاي پي در پي شبيه {?(A+B?M+C@M+B?D+C)? خوراک هاي تازه امکان کنترل به وسيله جريان کنترلي را دارند زيرا هر عدم تعادلي در نسبت واکنش دهنده ها با تغيير در مقدار محصولات (M و D) تطابق پيدا مي کند.
مازاد ماده A با توليد بيشتر M و کمتر D نتيجه مي دهد. مازاد ماده B با توليد بيشتر D و توليد کمترM نتيجه مي دهد.
3- اگر محصول نهايي يک فرآيند از قسمت بالاي برج تقطير خارج شود، خوراک برج بايد مايع باشد و اگر محصول نهايي از پايين برج خارج شود خوراک ورودي به برج بايد بخار باشد.
اگر خوراک مايع اشباع باشد تغييرات در مقدار دبي خوراک يا ترکيبات خوراک، از نظر ديناميکي تاثيرات کمي بر ترکيبات محصول مقطر نسبت به انجام اين تغييرات برترکيبات پايين برج دارد.براي مواردي که خوراک بخار اشباع باشد، برگشت مواد به برج مي تواند موثر باشد و جريان پايين برج نسبت به بالاي برج تاثير کمتري از مواد بالا نسبت به اين برگشت مي پذيرد. اگر هدف اوليه ما رسيدن به کنترل کيفيت دقيق باشد، اساس طراحي ستون هاي برج بر اساس مفاهيم ديناميکي حرارتي خوراک مطرح مي شود، حتي اگر از نظر اقتصادي يک جريان خوراک مايع به نفع باشد، سود آوري طرح عملياتي با يک محصول خروجي از پايين برج نسبت به اينکه خوراک برج مايع باشد، بهتر است.
نظريه ها و قوانيني که به بيان آن ها پرداخته شد سنگ بناي روش کنترل جامع فرآيند محسوب مي شوند. اما مي توان شکل گيري اين نظريه را حاصل کار لويبن و همکاران دانست. لويين در سال 1997 تمامي نظريه هاي فوق را طبق اصول کنترل فرآيند بررسي و اصلاح و با ارائه قوانين و نظريه هاي خود، نظريه اي را به نام (( کنترل جامع فرآيند )) مطرح کرد.
اين نظريه شامل 9 گام در طراحي سيستم هاي کنترلي است. پس از ارائه اين نظريه و ثابت شدن جامع و کامل بودن آن در طراحي سيستم هاي کنترلي از آن استفاده هاي زيادي مي شود که حجم مقالات چاپ شده در اين زمينه تائيدي براين ادعاست.
2-4- طراحي سيستم



قیمت: تومان


پاسخ دهید