۹۷
به روش مرجع [۳۳] ۹۸
چکیده
با توجه به مصرف بالای محصولات پتروشیمی در جهان امروز و پتانسیل بالای ایران برای توسعه و تامین خوراک پتروشیمی‌ها، مجتمع‌های پتروشیمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. از اینرو یکی از واکنش‌های مهم به نام هیدروژناسیون استیلن در یکی از واحدهای مادر پتروشیمی، یعنی واحد الفین بررسی و کنترل شده است. در این پژوهش پس از بررسی کتب علمی مرجع، مقالات علمی و رساله‌های موجود در این زمینه، در ابتدا یک سیستم راکتور هیدروژناسیون استیلن غیرخطی که در صنعت پتروشیمی جنوب کشور در حال استفاده است، انتخاب شده و با بهره گرفتن از معادلات موازنه‌ی جرم و انرژی بوسیله‌ی برنامه‌ی تخصصی MATLAB شبیه‌سازی شده است. سپس سعی شده با بهره گرفتن از اعمال تغییرات یک مقدار پله در معادلات دمای راکتور، آن را با یک تابع تبدیل مناسب، با خطای بسیار کم تقریب زده و مدل‌سازی شود. همچنین با بهره گرفتن از پاسخ پله‌ی سیستم تقریب زده شده، در ابتدا کنترل‌کننده‌های کلاسیک و سپس کنترل کننده‌ی فازی طراحی شود و در ادامه با نشان دادن این که هیچ یک از کنترل کننده‌ها بطور مناسب برای کنترل دمای خروجی راکتور در فرایند هیدروژناسیون استیلن مناسب نیستند، طراحی کنترل کننده‌ی فازی PI_Smith با شرایط گفته شده در فصل چهارم پیشنهاد ‌می‌شود. در نهایت با مقایسه‌ی نتایج حاصل از طراحی‌ کنترل کننده‌های متفاوت برای سیستم مذکور، این نتیجه حاصل می‌شود که کنترل کننده‌ی فازی PI_Smith می‌تواند کنترل کننده‌ی مناسب‌تری برای سیستم‌های دارای تاخیر باشد.

کلید واژه
طراحی کنترل کننده‌ی فازی، طراحی کنترل کننده‌‌های کلاسیک، مدل‌سازی راکتور هیدروژناسیون استیلن
فصل اول
مقدمه
۱-۱- پیشگفتار
در صنایع شیمیایی به منظور کاهش هزینه‌های عملیاتی و توسعه‌ی بازارهای جدید، همواره توجه خاصی به بهبود کیفیت محصول و کاهش ضایعات تولید وجود دارد. برای رسیدن به این اهداف استفاده از سیستم‌های کنترل بسیار ضروری است. همواره در صنعت فرآیندهای غیرخطی بسیاری وجود دارند که توسط روش‌های کلاسیک قابل کنترل نیستند، همچنین اگر بر روی ورودی‌ها و خروجی‌های یک فرایند نیز قیودی وجود داشته باشد، استفاده از کنترل کننده‌های کلاسیک نیز به مراتب مشکل‌تر خواهد شد [۱]. در این میان کنترل کننده‌ی فازی که دارای یک رفتار غیرخطی می‌باشد یک روش کنترلی در حال توسعه و بسیار سودمند در مورد فرآیندهای غیرخطی است .که علاوه بر دارا بودن کارایی بسیار بالا، رفتارهای بسیار مناسب‌تری در برخورد با محدودیت‌ها بر روی متغیرهای کنترل‌کننده، کنترل‌شونده و دیگر خصوصیات مسئله از خود نشان می‌دهد و برای سیستم‌های دارای تاخیر یا به عبارت دیگر دارای دینامیک‌های کند نیز مناسب است.
۱-۲- بیان مسئله
تولید اتیلن^[۱] یکی از شاخص‌های اصلی رشد در صنعت پتروشیمی هر کشوری می‌باشد که مصرف عمده آن در صنایع پلیمری بخصوص تولید پلی‌اتیلن است. واحدهای الفین در صنعت پتروشیمی که در آن‌ها اتیلن تولید می‌شود از جمله فازهای مادر، بشمار می‌آیند. شرایط فرایند تهیه گاز اتیلن ایجاب می‌کند که در طی واکنش، فرایند عاری از هرگونه ناخالصی‌ها، بخصوص گاز استیلن^[۲] با نماد ، گاز اتان^[۳] با نماد  و گاز منواکسیدکربن^[۴] با نماد  باشد. برای مثال، مقدار ناچیزی از ناخالصی استیلن، سبب غیرفعال شدن کاتالیزور واکنش و در نتیجه متوقف شدن فرایند تهیه اتیلن می‌شود. بنابراین با روشی مشخص و مطمئن باید این ناخالصی‌ها جدا شوند. جداسازی استیلن از اتیلن بوسیله‌ی فرایندی به نام هیدروژناسیون^[۵] در راکتور هیدروژناسیون صورت می‌پذیرد. از آن جایی که این فرایند بسیار حساس به تغییرات دما می‌باشد، بنابراین می‌بایست دمای مواد ورودی راکتور هیدروژناسیون بنحوی مطلوب در جهت افزایش بازده تولید گاز اتیلن خالص خروجی، کنترل شود. از جمله مشکلات متداول این راکتور، تاخیر زمانی بسیار طولانی آن (در مقیاس ساعت) و رفتار غیرخطی آن می‌باشد. از اینرو، انتظار می‌رود با در نظر گرفتن شرایط انجام فرایند هیدروژناسیون استیلن، با طراحی کنترل کننده‌ای مناسب جهت کنترل دمای مواد ورودی راکتور هیدروژناسیون استیلن، واکنشی با کیفیت به همراه نرخ تولید مشخص از محصول مطلوب گاز اتیلن در شرایط اقتصادی بهینه، ایجاد شود [۲].
۱-۳- ضرورت و اهمیّت پژوهش
از آنجایی که با توجه با اهمیّت اتیلن، می‌دانیم که به عنوان خوراک برای واحدهای دیگر پتروشیمی استفاده می‌شود، بنابراین با افزایش بازده تولید گاز اتیلن خروجی از راکتور هیدروژناسیون، افزایش کیفیت مواد مورد استفاده در صنایع پتروشیمی را سبب می‌شود. از اینرو با تلاش در جهت افزایش بازده تولید اتیلن بوسیله‌ی طراحی کنترل کننده‌های مناسب بر روی راکتور هیدروژناسیون استیلن، می‌توانیم به این هدف فائق آییم. همچنین از دیگر موارد ضرورت این پژوهش، می‌توان به برداشتن یک گام مثبت در جهت بدست گرفتن کنترل فرآیندهای مهم صنعتی کشور به دست متخصصین ایرانی با بهره گرفتن از علوم نوین کنترلی، همچون منطق فازی اشاره نمود.
۱-۴- اهداف پژوهش
اهداف انجام پژوهش‌هایی از این قبیل، که در زمینه‌های کاربردی صنعتی انتخاب و انجام می‌پذیرند را می‌توان بصورت زیر خلاصه کرد.
به عنوان هدف علمی، می‌توان به بالا بردن سطح دانش محققین و متخصصین در زمینه طراحی و کنترل یک سیستم غیرخطی دارای تاخیر، مهم و پر کاربرد در صنایع کشور بر اساس منطق فازی اشاره کرد.
از لحاظ هدف کاربردی، می‌توان به بهبود و ارتقاء روش‌های کنترلی کلاسیک مرسوم مورد استفاده در فرآیندهای مهم هیدروژناسیون صنعتی موجود در پتروشیمی‌های کشور اشاره نمود.
پیشنهاد روش‌ کنترلی جدید، در راستای کاهش تلفات اتیلن و افزایش بازدهی محصولات راکتور هیدروژناسیون و همچنین در نظر گرفتن شرایط واقعی موجود در راکتور هیدروژناسیون، به جهت نزدیک‌تر شدن به شرایط واقعی کاری موجود در واحدهای پتروشیمی کشور.
طراحی کنترل کننده‌ای مدرن، که منجر به کاهش زمان پاسخ‌دهی سیستم‌های صنعتی دارای تاخیر بخصوص راکتور هیدروژناسیون استیلن و افزایش سرعت عمل در حذف اغتشاش ورودی به سیستم، بدون داشتن تلفات.
۱-۵- محدودیت‌های موجود در انجام پژوهش
همانطور که می‌دانیم راکتور هیدروژناسیون استیلن غیرخطی می‌باشد و بدلیل وجود پارامترهای متفاوت در واکنش هیدروژناسیون استیلن که در راکتور رخ می‌دهد، دارای پیچیده‌گی در مدل راکتور است. این امر سبب شده که نتوان به صورت روش‌های معمول، با جمع‌ آوری داده‌های ورودی و خروجی راکتور، مدل آن را شناسایی کرد. از اینرو همانطور که در فصل سوم به شرح کامل مدل‌سازی راکتور هیدروژناسیون پرداخته خواهد شد، می‌بایست مدل راکتور را از روی حل معادلات موازنه‌ی جرم و انرژی تقریب زد. این تقریب در مدل، سبب می‌شود که همواره نتوان به مدل دقیقی از راکتور جهت طراحی کنترل کننده دست یافت. این موضوع در نوع خود به عنوان یک محدودیت بزرگ در رسیدن به مدل دینامیکی راکتور و طراحی کنترل کننده تلقّی می‌گردد. همچنین از دیگر محدودیت‌های انجام این پژوهش، می‌توان به عدم دستیابی به اطلاعات دقیق راکتورهای شیمیایی موجود در صنعت به دلیل حفاظت اطلاعات، اشاره کرد.
۱-۶- روش انجام پژوهش
روش کار در این پژوهش به این صورت خواهد بود که ابتدا به بررسی کتب علمی مرجع، مقالات علمی و رساله‌های موجود در این زمینه پرداخته و سعی خواهد شد که رفتار دینامیکی حلقه باز راکتور هیدروژناسیون، بررسی گردد. سپس مدل مناسب انتخاب و با کمک برنامه­ی تخصصی MATLAB، تحلیل شده و به شبیه­سازی رفتار فرایند پرداخته شود. در ادامه کنترل کننده‌های مناسب طراحی شده و به سیستم اعمال گشته است. در پایان نیز پس از تحلیل نتایج بدست آمده در این پژوهش، به مقایسه آنها با نتایج حاصل از روش‌های استفاده شده در مطالعات گذشته پرداخته خواهد شد. شرح کامل روش انجام پژوهش بصورت زیر خواهد بود [۳۴-۱].
در این پژوهش، در فصل دوم به مطالعه مختصری از مفاهیم اولیه واکنش‌های شیمیایی و راکتورهای شیمیایی به سبب بدست آوردن دیدگاهی از مهندسی شیمی، پرداخته شده است. در فصل سوم نیز به عنوان بررسی موردی، با هدف آشنایی با رفتار دینامیکی راکتور فرایند هیدروژناسیون استیلن مورد استفاده در یکی از پتروشیمی‌های جنوب کشور، به توصیفی از فرایند هیدروژناسیون استیلن به همراه بررسی معادلات جرم و انرژی حاکم بر آن و مدل‌سازی راکتور این فرایند از روی تقریب حل معادلات موازنه‌ی جرم و انرژی اختصاص داده شده است. همچنین در این فصل به تاریخچه‌ای از مطالعات تاکنون انجام شده درباره‌ی فرایند هیدروژناسیون استیلن و مدل‌سازی آن در واحدهای الفین پتروشیمی‌ها، اشاره شده است. فصل چهارم نیز به بررسی تاریخچه‌ کنترل کننده‌های طراحی شده برای فرایند مورد نظر، به جهت دستیابی به بازدهی تولید بیشتر و کاهش تلفات محصول مطلوب گاز اتیلن که بوسیله‌ی هیدروژناسیون گاز استیلن تولید می‌شود، به طراحی کنترل کننده‌های این فرایند اختصاص داده شده که ابتدا به طراحی کنترل کننده‌‌های کلاسیک، از قبیل PI، IMC و پیش‌بین اسمیت و سپس به طراحی کنترل کننده‌ی فازی بصورت ترکیب با کنترل کننده‌های PI و پیش‌بین اسمیت، برای فرایند مورد نظر پرداخته خواهد شد. در نهایت، در فصل پنجم نیز با تحلیل نتایج بدست آمده از طراحی کنترل کننده‌های متفاوت و جمع‌بندی آن‌ها در یک جدول بر اساس معیارهای انتگرالی خطای هر یک از کنترل کننده‌های طراحی شده و همچنین زمان صعود و نشست پاسخ پله‌ی بدست آمده در هر طراحی، به نتیجه‌گیری درباره‌ی کنترل کننده‌ها و پیشنهاد مناسب‌ترین کنترل کننده برای راکتور فرایند هیدروژناسیون استیلن، اختصاص داده شده است. همچنین در ادامه‌ی فصل پنجم، با مقایسه مطالعات انجام شده پیشنهاداتی برای انجام پژوهش‌‌های آتی، ارائه شده است.
فصل دوم
واکنش شیمیایی و راکتور شیمیایی
۲-۱- مقدمه
برای بررسی صنایع شیمیایی، پتروشیمی و پالایشگاه‌ها، ابتدا می‌بایست با مفاهیم اولیه واکنش‌های شیمیایی و اجزای مورد استفاده در آن‌ها، آشنا شد. از آنجایی که در فصل سوم این پژوهش بطور کامل به مطالعه یکی از فرایندهای مهم در صنعت پتروشیمی پرداخته شده؛ از اینرو، در این فصل بطور مختصر به آشنایی با انواع واکنش‌های شیمیایی و انواع راکتورهای شیمیایی، پرداخته خواهد شد.
واکنش‌های شیمیایی از نظر نوع و سینتیک^[۶] گونه‌‌های زیادی را شامل می شوند، ولی چیزی که برای اهداف مهندس شیمی، در زمینه‌ی طراحی تجهیزات و طراحی سیستم کنترل مهم است، این است که واکنش‌های درون راکتورها، جزء کدام یک از دسته‌بندی واکنش‌ها می‌باشند. در ادامه، از آن جایی که برای تولید مواد شیمیایی با حجم بالا، معمولاً از راکتورهای پیوسته‌ی پلاگ استفاده می‌شود، توجه خود را بر روی این نوع راکتورها به جهت استفاده در فصل سوم به عنوان بررسی موردی، جلب می‌کنیم. راکتورهای پیوسته بطور مداوم کار می‌کنند. یعنی در حالت پایدار، واکنش کننده‌ها بطور مداوم وارد ظرف راکتور می‌شوند و محصول‌ها نیز بطور مداوم از آن خارج می‌گردند. مداوم بودن راکتورهای پیوسته در مقایسه با عمل دوره‌ای راکتورهای ناپیوسته موجب تولید بالاتر و بهره‌وری اقتصادی بیشتری می‌شود.
۲-۲- تعریف واکنش شیمیایی
واکنش شیمیایی به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن ساختار ذره‌های تشکیل دهنده‌ی مواد اولیه‌ی واکنش دچار تغییر می‌شوند؛ یعنی طی آن یک یا چند ماده شیمیایی به یک یا چند ماده شیمیایی دیگر تبدیل می‌گردد. همچنین مهندسی واکنش شیمیایی را می‌توان به عنوان یک فعالیت مهندسی در راستای شناخت واکنش‌های شیمیایی و بهره‌برداری مناسب از آن‌ها تعریف کرد که هدف اصلی آن طراحی و بهینه‌سازی و بهره‌‌برداری از راکتورهای شیمیایی است [۳].
۲-۳- انواع واکنش‌های شیمیایی
راه‌های متعددی برای تقسیم‌بندی واکنش‌های شیمیایی از نظر نوع و سینتیک وجود دارد و می‌توان آن‌ها را از دیدگاه متفاوتی تقسیم‌بندی کرد. اما تقسیم‌بندی که برای اهداف مهندسی شیمی در بحث فعل و انفعالات شیمیایی استفاده می‌شود، تقسیم‌بندی بر اساس فاز‌های موجود در واکنش می‌باشد. از این جهت آن‌ها را بطور کلی به دو دسته همگن^[۷] و غیرهمگن^[۸] تقسیم می‌نمایند. همچنین نوع دیگری از فعل و انفعالات شیمیایی را که در این تقسیم‌بندی باید مد نظر داشت، دو دسته‌ی واکنش‌های شیمیایی با کاتالیزور^[۹] و غیرکاتالیزور^[۱۰] می‌باشد [۴]. همچنین از دیدگاه طراحی تجهیزات و سیستم‌های کنترل فرایند نیز می‌توان واکنش‌های شیمیایی را از یکدیگر مجزا دانست، بدین صورت که واکنش درون راکتور جزء کدام دسته از واکنش‌های برگشت‌پذیر^[۱۱] یا برگشت‌ناپذیر^[۱۲]، پشت سرهم (واکنش شیمیایی سری)^[۱۳] یا همزمان (واکنش شیمیایی موازی)^[۱۴] و گرماگیر^[۱۵] یا گرمازا^[۱۶] می باشد[۱]. هر یک از واکنش‌های فوق در ادامه تعریف می‌شوند.
۲-۳-۱- واکنش‌های همگن و غیرهمگن
به واکنشی همگن اطلاق می‌گردد که مواد واکنش‌دهنده تنها در یک فاز ماده (جامد، مایع یا گاز) می‌باشند و با یکدیگر واکنش می‌دهند و به واکنشی غیرهمگن اطلاق می‌گردد که برای انجام آن مواد واکنش‌دهنده، حداقل در دو فاز از ماده می‌باشند و با یکدیگر واکنش می‌دهند [۴].
۲-۳-۲- واکنش‌های‌ کاتالیزوری و غیرکاتالیزوری
به واکنش‌هایی کاتالیزوری اطلاق می‌گردد که سرعت انجام آن‌ها در اثر حضور موادی که جزء ترکیب شونده‌ها و یا محصولات واکنش نیستند، تغییر می کند؛ غلظت این مواد خارجی که آن‌ها را کاتالیزور می‌نامند لازم نیست زیاد باشد و در واقع کاتالیزورها بصورت واسطه عمل می‌کنند. همچنین به واکنش‌هایی که کاتالیزور در آن نقشی ندارد، واکنش غیرکاتالیزوری اطلاق می‌گردد [۴].
۲-۳-۳- واکنش‌های برگشت‌پذیر و برگشت ناپذیر
به واکنش‌هایی برگشت‌پذیر اطلاق می‌گردد که در آن، هم تبدیل مواد اولیه به محصول و هم تبدیل محصول به مواد اولیه، یا به عبارت دیگر با تغییر شرایط، واکنش در جهت عکس پیشرفت می‌کند که بصورت نماد ریاضی با رابطه ۲-۱ نمایش می‌دهند.
(۲-۱)
همچنین به واکنشی که در آن عمل واکنش فقط در یک جهت می‌باشد، واکنش برگشت‌ناپذیر گویند. یعنی فقط در جهت تبدیل مواد اولیه به محصول است، که به صورت نماد ریاضی با رابطه ۲-۲ نمایش می‌دهند [۱].
(۲-۲)
۲-۳-۴- واکنش پشت ‌سر هم (سری) و موازی
به واکنشی پشت سر هم می‌گویند که مواد اولیه ابتدا به یک محصول میانی تبدیل شده و سپس محصول میانی به محصول اصلی تبدیل می‌شود که بصورت نماد ریاضی با رابطه ۲-۳ نمایش می‌دهند.
(۲-۳)
همچنین به واکنشی موازی اطلاق می‌گردد که مواد اولیه در آن بطور همزمان به دو نوع محصول تبدیل می‌شود، که یکی از این محصولات می‌تواند محصول مطلوب باشد و محصول دیگر می‌تواند محصول نامطلوب از این واکنش باشد که بصورت نماد ریاضی با رابطه ۲-۴ نمایش می‌دهند [۱].
(۲-۴)
۲-۳-۵- واکنش‌های گرماگیر و گرمازا