نوسانات دمایی خروجی کوره به راکتور منتقل شده و طبیعتا افزایش دمای راکتور (RISE) را با نوسان روبرو خواهد کرد. این نوسان دمایی در خروجی راکتور، جریان خروجی از پوسته ی مبدل E-3304 را دچار نوسان می کند.
وجود نوسان در حلقه ی مبدل پیشگرمکن، باعث می شود که کوره نتواند به خوبی این نوسان را کنترل کند و ما در دمای خروجی کوره نیز نوسان خواهیم داشت. این نوسان دمایی واکنش های درون راکتور را تحت تاثیر قرار داده و با توجه به سینتیک واکنش ها دمای خروجی راکتور دچار نوسان خواهد شد و این نوسان دوباره به جریان خروجی مبدل E-3304 منتقل می شود. شکل ۵-۲ نیز نوسان مبدل پیشگرمکن را در اتاق کنترل نشان می دهد. لازم به ذکر است که عدم کنترل کارآمد روی دمای مربوط به حلقه ی کوره، راکتور و مبدل پیشگرمکن قطعا علاوه بر صدمه زدن به هر سه تجهیز و مضرات اقتصادی، محصول واحد را از نظر کیفیتی با بحران روبرو می کند.
شکل ۵-۲- وجود نوسان در دمای خروجی مبدل E-3304 (عکس از اتاق کنترل واحد ایزومریزاسیون)
شکل ۵-۳- وجود نوسان در شبیه سازی Aspen Hysys
لذا برای جلوگیری از این چالش باید راهکاری یافت. استراتژی کنترلی زیر می تواند سهم قابل توجهی در خنثی کردن این نوسان داشته باشد. در استراتژی زیر مسیر کنار گذر E-3304 و کنترلر TC-1 می تواند دمای ورودی به کوره را ثابت کند و کوره را از نوسان دور کند. در این صورت راکتور نیز از عملکرد خوبی برخوردار است. لازم به ذکر است که ایجاد مسیر کنارگذر به موازات مبدل ها از استراتژی های مرسوم در کنترل اغتشاشات دمایی پیرامون مبدل می باشد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
شکل ۵-۴- ایجاد مسیر کنارگذر برای مبدل E-3304 جهت جلوگیری از نوسانات دمایی
۵-۵- گام ۴ و ۵ : تنظیم نرخ و کیفیت محصولات
همانطور که در فصل سوم بیان شد واحد ایزومریزاسیون شامل دو بخش واکنش و جداسازی است. در قسمت واکنش مواد خوراک و جریان برگشتی به محصولات تبدیل شده و برای تفکیک به بخش جداسازی می روند. راکتور تنها بخشی است که روی نرخ و کیفیت محصولات اثر دارد و تغییرات روی محصولات بدون تغییر در شرایط راکتور امکان پذیر نمی باشد. دما تنها عامل قابل تغییر در راکتور است که توسط آن می توان روی کیفیت و نرخ محصولات اثر گذاشت. دمای ورودی به راکتور توسط مبدل E-3304 وکوره H-3301 روی oC220 ثابت می گردد. با توجه به گرمازا بودن واکنش های ایزومریزاسیون و استوکیومتری واکنش ها، میزان افزایش دما (Rise) برای راکتور با کاتالیزور Hysopare تا oC50 مجاز می باشد. در این صورت می توان با اطمینان گفت که نرخ و کیفیت محصولات کنترل شده است. پس یکی از مهمترین فاکتورها در بررسی رفتار دینامیکی فرایند ایزومریزاسیون دمای خروجی از راکتور می باشد.
۵-۶- گام ۶ : ثابت کردن جریان در حلقه جریان برگشتی
مهمترین گام در طراحی کنترلی به روش کنترل جامع فرایند، کنترل جریان برگشتی است. فرایند ایزومریزاسیون شامل دو جریان برگشتی می باشد. جریان نرمال پنتان برگشتی از بالای برج دی پنتانایزر (V-3308) جدا شده و به سینی ۲۶ برج دی ایزوپنتانایزر V-3301 تزریق می شود. جریان برگشتی نرمال پنتان توسط FC-3 و شیر کنترلی V3 روی m3/hr33/25 تنظیم می شود. از آنجا که این جریان برگشتی از کندانسور بالای برج (V-3309) تامین می شود کنترل سطح این کندانسور باید طبیعتا توسط جریان برگشتی به برج[۳۸] انجام شود. جریان NC6-Recycle نیز از ظرف NC6-Surge Drume (V-3312) توسط P-3308 به جریان قبل از راکتور تزریق می شود. جریان NC6-Recycle توسط ۲FC- و شیر کنترلی V4 روی m3/hr 32/50 تنظیم می شود تا از اثر گلوله ی برفی غلتان جلوگیری کنیم. ثابت کردن این جریان بر روی سطح ظرف V-3312 تاثیر می گذارد. بنابراین سطح این ظرف را توسط کنترلر LC-11 و شیر V14 کنترل می نماییم.
۵-۷- گام های ۷، ۸ و ۹
گام های هفتم و نهم که به ترتیب به بررسی موازنه ترکیبات، و بهینه سازی کنترل دینامیکی اختصاص داده شده اند، جنبه مروری دارند. این گام ها در مورد فرآیندی که امکان تغییرات شرایط عملیاتی یا تغییر خوراک و شرایط محصولات در آنها وجود داشته باشد، کارایی دارند. در حالی که هدف از اجرای روش کنترل جامع فرایند برای واحد ایزومریزاسیون، تحلیل سیستم کنترلی می باشد و با توجه به واحد موجود تغییر در بسیاری از شرایط عملیاتی و خوراک و محصولات ممکن نمی باشد. اما گام هشتم به کنترل مجزای یک تجهیز می پردازد. درواقع در این گام در مورد انتخاب کنترلرهایی که جهت کنترل یک تجهیز وجود آنها ضروری است بحث می کند. متغیرهای باقیمانده که در گام ۱ انتخاب کنترلر برای آنها به تحلیل دینامیکی وابسته شد، در گام هشتم مورد تحلیل قرار می گیرند.
۵- ۸ - انتخاب کنترلر برای متغیرهای باقیمانده با توجه به تحلیل دینامیکی
در طی ۹ گام طراحی سیستم های کنترلی به روش کنترل جامع فرایند، متغیرهای عملیاتی شناسایی و کنترلر مناسب آنها پیشنهاد داده شد. در گام ۱ متغیرهای اصلی شناسایی شدند اما انتخاب کنترلر برای تعدادی از متغیرها مشروط به تحلیل دینامیکی یا گام های بعدی گردید. در گام ۶ با توجه به ثابت شدن دبی جریان برگشتی، کنترلر مناسب جهت تنظیم سطح ظرف V-3309 (کندانسور برج تقطیر V-3308) و V-3312 (NC6-Surge Drume )، انتخاب گردید. استراتژی های کنترلی برای این دو ظرف در اشکال ۵-۵ و ۵-۶ آمده است. این در حالی است که انتخاب کنترلر برای متغیرهای باقیمانده باید توسط تحلیل دینامیکی صورت پذیرد.
شکل ۵-۵- استراتژی کنترلی برای کنترل سطح V-3309
شکل ۵-۶- استراتژی کنترلی برای کنترل سطح V-3312
۵-۸-۱- سطح برج دی ایزوپنتانایزر و دبی خوراک تازه
برج دی ایزو پنتانایزر V-3301 اولین ظرفی است که خوراک واحد ایزومریزاسیون به آن وارد می شود. جریان خوراک تازه ارسالی از واحد NHT-OCT و جریان نرمال پنتان برگشتی به عنوان ورودی، و جریان بالاسری ایزوپنتان و جریان پایین سری که به سمت پمپ P-3301 می رود خروجی های این برج هستند. برج دی ایزوپنتانایزر و جریان های منتهی به آن از مهمترین نقاط در کنترل فرایند ایزومریزاسیون به شمار می روند. زیرا جریان بالای برج مستقیما به عنوان قسمتی از محصول از واحد خارج می شود و جریان پایین برج به قسمت واکنشی فرایند هدایت می شود. جهت کنترل سطح ظرف V-3301 یکی از سه جریان خوراک تازه، خوراک برگشتی و جریان خروجی از پایین ظرف را باید انتخاب نمود. همانطور که در گام ششم طراحی سیستم های کنترلی به روش کنترل جامع فرایند بیان گردید، جهت جلوگیری از اثر گلوله برفی غلتان باید دبی جریان برگشتی را توسط کنترل کننده جریان ثابت نگه داریم. پس یکی از دو جریان زیر را برای کنترل ظرف باید انتخاب نماییم.
۱- ثابت کردن دبی خوراک تازه و کنترل سطح از طریق جریان خروجی از پایین ظرف بدین منظور کنترلر FC-5 برای جریان خوراک تازه در نظر گرفته و نقطه تنظیم m3/hr 5/57 به آن می دهیم. همچنین از طریق کنترلر LC-1 با نقطه تنظیم %۶۰ اقدام به تنظیم سطح ظرف V-3301 توسط جریان خروجی از پایین ظرف از طریق شیر کنترل V7 می نماییم. همانطور که در شکل ۵-۷ مشاهده می شود کنترلر سطح به خوبی توانسته است سطح ظرف V-3301 را روی نقطه تنظیم %۵۰ نگه دارد. اما این کار را با کم و زیاد کردن جریان خروجی انجام داده است. جریان خروجی از ظرف برای انجام واکنش به سمت راکتورها می رود. در صورتی که دبی آن با نوسان همراه باشد محصولات خروجی از راکتور، عملکرد مبدل های پس از راکتور و ظرف جداکننده فشار بالا و برج های قسمت جداسازی با نوسان همراه خواهد گردید. با این استراتژی کنترلی اگرچه سطح ظرف کنترل شده است اما موجب نوسان در جریان پایین دست آن شده است.
شکل ۵-۷- کنترل کننده ی جریان (FC ) برای جریان خوراک تازه
۲-ثابت کردن دبی جریان خروجی و کنترل سطح از طریق جریان خوراک تازه
در این قسمت استراتژی کنترلی را تغییر می دهیم. این بار نقطه ی تنظیم % ۵۵ را برای LC-1 انتخاب می کنیم به گونه ای که سطح ظرف توسط جریان خوراک تازه تنظیم شود. دبی جریان خروجی از ظرف را با کنترلر FC-1 روی m3/hr 68 تنظیم می نماییم. در شکل ۵-۸ نتایج مدل دینامیکی در مدت ۲۰ دقیقه برای این استراتژی کنترلی آمده است. کنترلر LC-1 به خوبی توانسته است سطح ظرف را روی نقطه تنظیم %۵۵ ثابت نگه دارد و جریان خروجی از ظرف هم بدون نوسان مانده است. در واقع از جریان خوراک تازه جهت کنترل سطح برج دی ایزوپنتانایزر استفاده شده است. این جریان از سمت مخازن به واحد ایزومریزاسیون وارد می شود و نوسان در آن در صورتی که به سطح ظرف V-3301 منتقل نشود، بلامانع است.
شکل ۵-۸- کنترل کننده ی جریان (FC) برای جریان خروجی از پایین V-3301
۳- ثابت کردن دبی جریان خروجی و کنترل سطح از طریق جریان خوراک تازه به شکل آبشاری
برای کنترل به روش آبشاری نیاز به دو کنترلر است. به کنترلر سطح LC-1 نقطه تنظیم %۵۰ را داده و متغیر هدف را کنترلر جریان FC-5 قرار می دهیم. درواقع کنترلر جریان از کنترلر سطح نقطه تنظیم می گیرد. مدل دینامیکی را برای زمان ۴۰ دقیقه اجرا کرده و نتایج آن را در شکل ۵-۹ مشاهده می نماییم. کنترل سطح به این روش با نوساناتی همراه بوده اما این نوسانات قابل قبول هستند.
شکل ۵-۹- کنترل سطح ظرف V-3301 به شکل آبشاری
در شکل۵-۱۰ ابتدا نقطه تنظیم %۵۵ بوده و سطح به صورت مجزا کنترل شده است. در دقیقه ی سی ام نقطه ی تنظیم را به %۶۵ رسانده و این بار کنترل سطح به صورت آبشاری انجام شده است. واضح است که این شیوه کنترل سطح همراه با نوسان همراه است.
شکل ۵-۱۰- تغییر نقطه ی تنظیم همراه با تغییر استراتژی کنترلی
۵-۹- بررسی سیستم کنترلی پیشنهادی
پس از اجرای ۹ گام طراحی سیستم های کنترلی به روش کنترل جامع فرایند و انتخاب کنترلرها برای تمامی متغیرهای فرایند، به بررسی سیستم کنترلی استخراج شده از اصول نه گانه ی کنترل جامع فرایند پرداخته و کارایی آن را با بهره گرفتن از مدل دینامیکی تحلیل می نماییم.
به این منظور مدل دینامیکی را برای زمان ۴۵ دقیقه اجرا کرده و نمودارهای تعدادی از سطح مایعات ظروف، دبی حجمی و دمای جریان ها را مشاهده می نماییم. این نمودارها مربوط به متغیرهای مهم و تاثیر گذار در فرایند هستند و مربوط به تمام متغیرها نمی شوند.
۵-۹-۱- دمای راکتور و محصولات خروجی از آن
مهمترین عامل در بررسی نحوه کارکرد مناسب راکتور، اختلاف دمایی است که در راکتور بوجود می آید. شکل ۵-۱۱ دمای جریان های ورودی و خروجی از راکتور را در مدت زمان ۴۵ دقیقه نشان می دهد. دمای جریان ورودی راکتور روی oC220 تنظیم می شود. کوچکترین نوسانی در دمای ورودی به راکتور می تواند روی ترکیب درصد محصولات و دمای خروجی اثر بگذارد. دمای خروجی راکتور به شدت متاثر از دمای خروجی کوره است. بنابراین کنترل دمای خروجی کوره بسیار حائز اهمیت است. از آنجایی که در دمای خروجی کوره نوسانی مشاهده نمی کنیم و کنترلر دما خوب توانسته دمای ورودی راکتور را کنترل نماید، دمای خروجی راکتور و دبی محصولات ایزوپنتان و ایزوهگزان که از محصولات اصلی راکتور هستند، نیز به خوبی کنترل شده اند. شکل ۵-۱۲ دبی محصولات راکتور را نشان می دهد. درواقع با توجه به این شکل می توان به اهمیت کنترل دما را در راکتور ایزومریزاسیون پی برد. زیرا با کنترل دما پایداری دبی حجمی محصولات را مشاهده می نماییم.
نکته ی مهم در راکتور ایزومریزاسیون حذف ترکیبات آروماتیکی به ویژه بنزن به عنوان مواد سرطان زا می باشد. شکل ۵-۱۳ در ۲۵ دقیقه کارایی راکتور فرایند ایزومریزاسیون در حذف بنزن را نشان می دهد. واکنش اشباع سازی بنزن بسیار گرمازاست و سهم قابل توجهی در افزایش دمای خروجی راکتور دارد. در شکل ۵-۱۳ در دقیقه ی پنجم اقدام به افزایش غلظت بنزن از % ۴٫۸۶ به % ۷٫۸۴ در خوراک ورودی واحد ایزومریزاسیون می کنیم. در این شکل دمای خروجی راکتور افزایش یافته در حالی که غلظت بنزن در خروجی راکتور به عنوان ماده ی سرطان زا %۰ می باشد. افزایش ۳ درصدی در غلظت بنزن خوراک اختلاف دمای راکتور را تا ۱۲درجه سانتی گراد افزایش می دهد و این حاکی از گرمازابودن شدید در اشباع سازی بنزن است.
شکل۵-۱۱– دمای ورودی و خروجی راکتور
شکل ۵-۱۲- دبی حجمی محصولات خروجی از راکتور در شرایط نرمال فرایند
شکل۵-۱۳- رابطه دمای خروجی راکتور با غلظت بنزن خوراک
۵-۹-۲- ظرف V-3301 و جریانهای خوراک تازه و برگشتی
همانطور که در بخش ۵-۸-۱ مشاهده گردید، جهت کنترل سطح مایع ظرف V-3301 و جریانهای ورودی و خروجی این ظرف، از روش آبشاری[۳۹] استفاده می شود. دبی خوراک برگشتی(RE.FEED) با توجه به گام ۶، و دبی جریان خروجی از ظرف باید ثابت باشد. بنابراین از خوراک تازه (F.FEED) جهت کنترل سطح این ظرف استفاده می کنیم. در شکل ۵-۱۴ سطح مایع ظرف V-3301پس از ۲۵ دقیقه به سمت پایدارشدن پیش می رود و نهایتا به نقطه تنظیم %۵۰ می رسد. بازخورد تنظیم سطح این ظرف را می توان در شکل ۵-۱۵ و در دبی جریان خوراک تازه (F.FEED) مشاهده کرد. این جریان نیز تا دقیقه ۲۵ ام نوسان داشته و با کم و زیاد شدن توسط شیر کنترل V1 به تنظیم سطح مایع ظرف مذکور می پردازد. نوسانات ابتدایی جریان خوراک تازه طبیعی بوده و با توجه به بالا بودن سطح ظرف تا m3/hr15 افزایش می یابد. دبی جریان نرمال پنتان برگشتی (NC5-REE) روی نقطه تنظیم m3/hr 72/24 ثابت شده است و نباید دستخوش تغییر شود.
با توجه به شکل های ۵-۱۴و۵-۱۵و توضیحات فوق انتخاب کنترلر جهت ظرف V-3301 و جریانهای منتهی به آن، طبق اصول کنترل جامع فرایند به درستی صورت پذیرفته است. زیرا ماهیت ظرف V-3301 کنترل نوسانات ناشی از خوراک ورودی و عدم انتقال آنها به بخش واکنش است و مشاهده می گردد که دبی جریانی که به سمت راکتور می رود، علی رغم نوسان سطح ظرف مذکور، روی نقظه تنظیم m3/hr 47/67، بدون تغییر می ماند.
۵-۹- ۳- جداکننده ی فشار بالا، برج تثبیت، برج دی پنتانایزر
برای کنترل سطح مایع ظرف های جداکننده فشار بالا V-3303، برج تثبیت V-3304و برج دی پنتانایزر V-3308از جریانهای خروجی استفاده می شود. در شکل ۵-۱۴ سطح مایع این ظرف V-3303 پس از ۸ دقیقه به پایداری رسیده است. در حالی که این اتفاق برای ظرف V-3304پس از ۱۲ دقیقه و برای ظرف V-3308 پس از گذشت ۳۵ دقیقه رخ داده است. علت این موضوع این است که کنترل سطح مایع این ظرف ها توسط جریان خروجی انجام می شود و جریان خروجی از ظرف V-3303 به ظرف V-3304 و خروجی V-3304 به ظرف V-3308 می رود. بنابراین ابتدا باید ظرف V-3303 به پایداری رسیده و نوسانات جریان خروجی از آن کاهش یافته تا اثر کمتری روی سطح مایع ظرف V-3304 و متعاقبا V-3308بگذارد. پس اگر کنترل ظرف اولی به درستی کار نکند، سطح ظرف دوم و سوم را نیز با نوسان مواجه خواهد نمود.
شکل ۵-۱۴- سطح مایع تعدادی از ظرف های فرایند
شکل ۵-۱۵- دبی تعدادی از جریان های فرایند
۵-۹-۴- ظرف دی ایزوهگزانایزر و دی اتانایزر
برای کنترل سطح مایع ظروف V-3306 و V-3310 نیز از جریان های خروجی استفاده می کنیم. در شکل ۵-۱۶ و۴-۱۷ سطوح مایع و جریان های منتهی به این ظروف را مشاهده می نماییم. همانطور که مشاهده می شود در دقیقه ی ۲۵ سطوح ظروف و جریان های آن پایدار می شوند.
شکل ۵-۱۶- سطح مایع ظروف V-3306و V-3310
شکل ۵-۱۷- دبی جریان های مربوط به V-3310و V-3306
۵-۱۰- بررسی دو پیشنهاد ابتکاری در سیستم کنترلی
در این بخش دو کنترلر پیشنهادی به فرایند شبیه سازی شده اضافه می گردد.
۵-۱۰-۱- ایجاد یک مسیر کنار گذر برای مبدل های پیشگرمکن کوره