کاربرد منطق فازی برای کنترل راکتور هیدروژناسیون استیلن واحد الفین93
فهرست جداولی
فهرست اشکال
چکیده1
فصل اول مقدّمه...... 2
1-1- پیشگفتار.... 3
1-2- بیان مسئله...... 3
1-3- ضرورت و اهمیّت پژوهش..... 4
1-4- اهداف پژوهش.... 4
1-5- محدودیت‌های موجود در انجام پژوهش.... 5
1-6- روش انجام پژوهش..... 6
فصل دوم واکنش شیمیایی و راکتور شیمیایی............. 8
2-1- مقدمه............ 9
2-2- تعریف واکنش شیمیایی............ 9
2-3- انواع واکنش‌های شیمیایی.................................... 10
2-3-1- واکنش‌های همگن و غیرهمگن.................................................................................................. 10
2-3-2- واکنش‌های‌کاتالیزوری و غیرکاتالیزوری.................................................................................... 11
2-3-3- واکنش‌های برگشت‌پذیر و برگشت ناپذیر................................................................................. 11
2-3-4- واکنش پشت سر هم (سری) و موازی........................................................................................ 11
2-3-5-واکنش‌های گرماگیر و گرمازا..................................................................................................... 12
2-4-سینتیکوسرعتواکنش شیمیایی.............................................................................................................. 13
2-5- تعریف راکتور شیمیایی.................................................................................................................................. 13
2-5-1- معادله راکتور............................................................................................................................. 14
2-6- انواع راکتورهای شیمیایی................................................................................................................................ 14
2-6-1- راکتورهای پیوسته و ناپیوسته و نیمه‌پیوسته............................................................................ 15
2-6-2- راکتورهای بسترسیال و بسترثابت.............................................................................................. 17
2-6-3- راکتورهای لوله‌ای (پلاگ) و مخزنی با همزن (CSTR)............................................................. 18
2-6-4- راکتورهای همگن و ناهمگن...................................................................................................... 20
2-6-5- راکتورهایی با عملکرد آدیاباتیک و غیرآدیاباتیک...................................................................... 21
فصل سوم فرایند هیدروژناسیون استیلن......................................................................................................................... 23
3-1- مقدمه............................................................................................................................................................. 24
3-2- راکتور هیدروژناسیون استیلن......................................................................................................................... 25
3-3- شرح فرایند..................................................................................................................................................... 28
3-4- تاریخچه‌ی مدل‌سازی راکتور هیدروژناسیون استیلن..................................................................................... 32
3-5- مدل‌سازی دینامیکی راکتور هیدروژناسیون استیلن...................................................................................... 34
3-6- حالت پایدار فرایند هیدروژناسیون استیلن.................................................................................................... 48
فصل چهارم طراحی کنترل کننده....................................................................................................................................... 52
4-1- مقدمه............................................................................................................................................................. 53
4-2- تعریف کنترل کننده...................................................................................................................................... 53
4-3- کنترل مدرن................................................................................................................................................... 54
4-3-1- مقدمه‌ایبرسیستم‌هایفازی................................................................................................... 55
4-3-2- توابع تعلق، متغیرها و قیود زبانی............................................................................................. 58
4-3-3- پایگاهقواعدفازی...................................................................................................................... 59
4-3-4- موتوراستنتاجفازی.................................................................................................................... 59
4-3-5- فازی‌ساز..................................................................................................................................... 59
4-3-6- غیرفازی‌ساز................................................................................................................................ 60
4-4- کنترل کلاسیک.............................................................................................................................................. 60
4-5- کنترل مد داخلی (IMC)................................................................................................................................ 63
4-6- کنترل پیش‌بین اسمیت.................................................................................................................................. 65
4-7- تاریخچه کنترل هیدروژناسیون استیلن واحد الفین....................................................................................... 66
4-8- طراحی کنترل کننده PI................................................................................................................................ 68
4-8-1- تایروس- لوئیبن _PI................................................................................................................ 69
4-8-2- زیگلر- نیکولز _PI.................................................................................................................. 71
4-8-3- ITAE_ PI................................................................................................................................. 73
4-8-4- ITSE_ PI.................................................................................................................................. 75
4-8-5- ISTE_ PI.................................................................................................................................. 76
4-8-6-خود تنظیم (Auto Tuning)_ PI............................................................................................... 77
4-9- طراحی کنترل کننده IMC............................................................................................................................ 79
4-10- طراحی کنترل کننده پیش‌بین اسمیت_PI............................................................................................... 84
4-11- طراحی کنترل کننده فازی ........................................................................................................................ 87
4-12- طراحی کنترل کننده‌ی فازی PI _Smith................................................................................................... 90
فصل پنجمنتیجه‌گیریوپیشنهادات................................................................................................................................. 99
5-1- مقدمه.......................................................................................................................................................... 100
5-2-نتیجه‌گیری................................................................................................................................................. 100
5-3- پیشنهاداتی برای انجام پژوهشهای آتی...................................................................................................... 102
فهرست مراجع...................................................................................................................................................................... 104
Abstract............................................................................................................................................................................... 107
جدول 3-1- ضرایب نرخ معادلات هیدروژناسیون و انرژی فعال‌سازی آنها 33
جدول 3-2- معادلات موازنه جرم و انرژی اجزای مختلف فرایند هیدروژناسیون استیلن.. 36
جدول 3-3- مقادیر پارامترهای اولیه‌ی مدل سیستم. 49
جدول 4-1- تعیین ضرایب کنترل کننده‌یPIبه روش تایروس- لوئیبن 62
جدول 4-2- تعیین ضرایب کنترل کننده‌یPIبه روش زیگلر- نیکولز 62
جدول 4-3- قوانین فازی مربوط به کنترل کننده‌ی فازی.. 89
جدول 4-4- قوانین فازی نوشته شده برای خروجی ..... 93
جدول 4-5- قوانین فازی نوشته شده برای خروجی ..... 93
جدول 5-1- مقادیر معیار انتگرالی خطای بدست آمده در هر یک از روش‌های طراحی کنترل کننده101
شکل2-1- راکتور پیوسته در یک حلقه صنعتی.. 15
شکل 2-2- راکتور ناپیوسته در یک حلقه صنعتی.. 16
شکل 2-7- فرآیند آدیاباتیک... 22
شکل 3-1- نمایی از یک راکتور هیدروژناسیون Tail-End 26
شکل 3-2- خروج مواد برش دوکربنه از بالای برج جداساز مرحله‌ی اول.. 30
شکل 3-3- جداسازی مواد برش دوکربنه در مرحله دوم. 31
شکل 3-4- مفهوم روش حل مشتق مرتبه دو تفاضلی به روش پیشرو 35
شکل 3-5- تقسیم‌بندی راکتور به بخش‌های کوچک 39
شکل 3-6- مقایسه‌ی نمودارهای دمای خروجی، به ازای مقادیر مختلف زمانی و تقسیمات راکتور40
شکل 3-7- پاسخ پله‌ی تابع تبدیل مرتبه اول تقریب زده شده43
شکل 3-8- پاسخ پله‌ی تابع تبدیل مرتبه دوم تقریب زده شده43
شکل 3-9- پاسخ پله‌ی تابع تبدیل مرتبه سوم تقریب زده شده44
شکل 3-10 پاسخ پله‌ی تابع تبدیل مرتبه چهارم تقریب زده شده44
شکل 3-11- پاسخ پله‌ی حاصل جمع دو تابع تبدیل مرتبه اول با زمان مرده45
شکل 3-12- نمودار بُد حاصل‌جمع دو تابع تبدیل مرتبه‌ی اول.. 47
شکل 3-13- نمودار نایکوئیست حاصل‌جمع دو تابع تبدیل مرتبه‌ی اول.. 47
شکل 3-14- مکان هندسی ریشه‌های سیستم حاصل‌جمع دو تابع تبدیل مرتبه‌ی اول.. 48
شکل 3-15- دمای خروجی در حالت ماندگار50
شکل 3-16- گازهای خروجی در حالت ماندگار50
شکل 3-17- مقایسه‌ی غلظت خروجی استیلن به ازای ورودی تغییرات دمای متفاوت.. 51
شکل 4-1- دیاگرام بلوکی از ساختار یک سیستم فازی خالص 57
شکل 4-2- دیاگرام بلوکی از ساختار یک سیستم فازی TSK.. 57
شکل 4-3- دیاگرام بلوکی از ساختار یک سیستم فازی را به همراه فازی ساز و غیرفازی ساز 57
شکل 4-4- سرعت ماشین بعنوان یک متغیر زبانی با توابع تعلق و متغیرهای زبانی مربوطه 59
شکل 4-5- نمودار جعبه‌ای سیستم IMC.. 64
شکل 4-6- بلوک دیاگرام ساده شده‌ی منطق کنترل پیش‌بین 65
شکل 4-7- ورودی‌های اعمال شده به سیستم (ورودی مرجع به همراه ورودی اغتشاش)69
شکل 4-8- سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی تایروس- لوئیبن _ PI70
شکل 4-9- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی تایروس- لوئیبن _ PI71
شکل 4-10- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی تایروس- لوئیبن _PI71
شکل 4-11- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی زیگلر- نیکولز _ PI72
شکل 4-12- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی زیگلر- نیکولز _PI73
شکل 4-13- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی ITAE _ PI74
شکل 4-14- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی ITAE _ PI74
شکل 4-15- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی ITSE _ PI75
شکل 4-16- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی ITSE _ PI76
شکل 4-17- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی ISTE _ PI77
شکل 4-18- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی ISTE _ PI77
شکل 4-19- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی Auto Tuning _ PI78
شکل 4-20- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی Auto Tuning _ PI79
شکل 4-21- بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته با طراحی کنترل کننده‌ی IMCبه روش اسکوگستا81
شکل 4-22- بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته با طراحی کنترل کننده‌ی IMC به روش ............... 82
شکل 4-23- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته در روش طراحیIMC_ اسکوگستا83
شکل 4-24- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش در روش طراحی IMC_ اسکوگستا83
شکل 4-25- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته در روش طراحی IMC_ ............... 84
شکل 4-26- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش در روش طراحی IMC_ ............... 84
شکل 4-27- بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی پیش‌بین اسمیت_PI86
شکل 4-28- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با طراحی پیش‌بین اسمیت_ PI87
شکل 4-29- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با طراحی پیش‌بین اسمیت_ PI87
شکل 4-30- بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی فازی.. 88
شکل 4-31- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی فازی.. 89
شکل 4-32- بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته با طراحی کنترل کننده‌ی فازی PI _Smith. 91
شکل 4-33- توابع تعلق فازی در نظر گرفته شده برای هر یک از ورودی‌ها و خروجی‌ها92
شکل 4-34- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته با کنترل کننده‌ی فازی PI _Smith. 96
شکل 4-35- پاسخ پله‌ی سیستم حلقه بسته به همراه دفع اثر اغتشاش با کنترل کننده‌ی فازی PI _Smith. 97
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، درابتدایکسیستمراکتور هیدروژناسیون استیلنغیرخطی که در صنعت پتروشیمی جنوب کشور در حال استفاده است،انتخابشدهوبااستفادهازمعادلاتموازنه‌یجرمو انرژیبوسیله‌ی برنامهی تخصصی MATLAB شبیه‌سازیشدهاست. سپس سعی شده با استفاده 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 استفادهازپاسخ پله‌ی سیستم تقریب زده شده، در ابتدا کنترل‌کننده‌های کلاسیک و سپس کنترل کننده‌ی فازی طراحی شود و درادامه بانشاندادناین کههیچ یکاز کنترل کننده‌ها بطور مناسب برای کنترل دمای خروجی راکتور درفرآیند هیدروژناسیون استیلن مناسبنیستند،طراحی کنترل کننده‌ی فازی PI_Smith با شرایط گفته شده در فصل چهارم پیشنهاد می‌شود. در نهایت بامقایسه‌ینتایج حاصلاز طراحی کنترل کنندههای متفاوت برای سیستم مذکور، ایننتیجه 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
1-2- بیان مسئله
تولید اتیلن[1] 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[2] با نماد ، گاز اتان[3] با نماد و گاز منواکسیدکربن[4] 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[5] 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 [2].
1-3- ضرورت و اهمیّت پژوه
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 مثبتدر جهت بدست گرفتن کنترل فرآیندهای مهم صنعتی کشور به دست متخصصین ایرانی با استفاده از علوم نوین کنترلی، همچون منطق فازی اشاره نمود.
1-4- 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.
1-5- 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 جمع‌آوری 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.
1-6- 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 فرآیند 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 [34-1].
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 تاریخچه‌ی 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 براساس 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.
[1]Ethylene
[2]Acetylene
[3]Ethane
[4]Carbon Monoxyde
[5]Hydrogenation
