۱- کنترل موازنه مواد
۲- کنترل کیفیت محصولات
او پیشنهاد کرد در ابتدا به دبی مواد در طول سیستم توجه شود، چون حلقه های کنترلی فشار و سطح مایع از دبی گازها و مایعات جهت کنترل استفاده می کنند. سپس او حلقه کنترل کیفیت محصولات را مطرح کرد که به وسیله متغیرهای مهم در فرایند شناسایی و شیوه مناسب برای کنترل آنها انتخاب شود. سپس ثابت های زمانی حلقه های کنترل کیفیت تخمین زده شود. پس از بررسی حلقه های کنترل کیفیت مجدداً پایداری را مورد بررسی قرار دادند و اینگونه مطرح کردند که سطح مایع ظروف باید توسط حلقه هایی از نوع تناسبی کنترل بشود. اولین اصل دلالت براین موضوع دارد که ما نیاز به سیستم کنترلی داریم که از اتلاف واکنش دهنده ها و محصولات جلوگیری کند و دومین اصل نشان دهنده این است که بازده با ارزش تر از انرژی است. درواقع جریان برگشتی برای بهبود بخشیدن بازده در تعداد زیادی از فرآیندها استفاده می شود. بازده اقتصادی بهبودیافته گاهی اوقات مهمتر از ارزش انرژی اضافی که برای انتقال جریان برگشت گاز درکمپرسور مصرف می شود (تلف می شود). مفهوم ساختارکنترلی برای اصل فوق این است که دبی گاز برگشتی بیشینه شود حتی اگر مقدار زیادی انرژی صرف این کار شود.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۲-۳-۳- قانون ریچاردسون [۲]
باب ریچاردسون^[۱۶] از اتحادیه کاربید^[۱۷] این نظریه را پیشنهاد کرد که جریانی که بیشترین دبی را دارد برای کنترل سطح مایع درمخزن انتخاب شود. این امر موجب می شود سریعتر به هدف مطلوب برسیم.
۲-۳-۴- آموزه های داون [۷]
درسال ۱۹۹۲، جیم داون^[۱۸] از کمپانی شیمیایی شرق دریافت که موازنه اجزای شیمیایی حول نقطه شروع و نرمال، برای تمام فرایند و تجهیزات بررسی شود. مفاهیم موازنه جزء اولین اصول مهندسی شیمی است اما به نحوی این اساس در پروژه های بزرگ اغلب فراموش شده یا نادیده گرفته شده اند. در کارهای طراحی معمولا کار به چند بخش تقسیم بندی می شود. به عنوان مثال شخصی که می خواهد یک راکتور و سیستم کنترلی و قسمت جدا کننده آن را طراحی کند، باید توجه ویژه ای به اصول موازنه داشته باشد چون این دو قسمت عملیاتی به طور موثری با هم کار می کنند.
نظریه داون این گونه بیان می کند که باید مطمئن شد که تمام اجزا ( واکنش دهنده ها، محصولات و مواد خنثی ) راهی برای خروج دارند یا در داخل فرایند مصرف می شوند. مثلا مواد سنگین خنثی می توانند سیستم را از طریق خروجی محصولات در پایین برج ترک کنند. مواد خنثی سبک نیز از طریق جریان گاز یا از طریق کندانسور جزئی که در برج تعبیه شده است، پاکسازی می شوند. بیشتر مسائل به طور عمده در مورد واکنش دهنده ها است، مخصوصا زمانی که تعداد زیادی از انواع مواد شیمیایی موجود باشند. تمام واکنش دهنده های ورودی به سیستم باید در فرایند مصرف شده یا آن را ترک کنند حتی اگر به صورت ناخالص در جریان خروجی باشند.
۲-۳-۵- قانون های لویبن^[۱۹] [۳و۱]
سه مورد از قانون هایی که به صورت نتیجه بررسی یک پدیده مورد مطالعه در بین تعداد زیادی از سیستم ها توسعه پیدا کرده، به این شرح است :
۱- دبی جریان برگشتی باید توسط یک حلقه کنترل شود. این امر سبب جلوگیری از اثر گلوله برفی غلتان می شود.
۲- یک جریان تازه خوراک از واکنش دهنده ها توسط کنترل دبی نباید کنترل شود مگر اینکه اساسا یک تبدیل یک بار گذر در واکنش دهند ها وجود داشته باشد. در سیستم هایی با واکنش های پی در پی شبیه خوراک های تازه امکان کنترل به وسیله جریان کنترلی را دارند زیرا هر عدم تعادلی در نسبت واکنش دهنده ها با تغییر در مقدار محصولات (M و D) تطابق پیدا می کند.
مازاد ماده A با تولید بیشتر M و کمتر D نتیجه می دهد. مازاد ماده B با تولید بیشتر D و تولید کمترM نتیجه می دهد.
۳- اگر محصول نهایی یک فرایند از قسمت بالای برج تقطیر خارج شود، خوراک برج باید مایع باشد و اگر محصول نهایی از پایین برج خارج شود خوراک ورودی به برج باید بخار باشد.
اگر خوراک مایع اشباع باشد تغییرات در مقدار دبی خوراک یا ترکیبات خوراک، از نظر دینامیکی تاثیرات کمی بر ترکیبات محصول مقطر نسبت به انجام این تغییرات برترکیبات پایین برج دارد.برای مواردی که خوراک بخار اشباع باشد، برگشت مواد به برج می تواند موثر باشد و جریان پایین برج نسبت به بالای برج تاثیر کمتری از مواد بالا نسبت به این برگشت می پذیرد. اگر هدف اولیه ما رسیدن به کنترل کیفیت دقیق باشد، اساس طراحی ستون های برج بر اساس مفاهیم دینامیکی حرارتی خوراک مطرح می شود، حتی اگر از نظر اقتصادی یک جریان خوراک مایع به نفع باشد، سود آوری طرح عملیاتی با یک محصول خروجی از پایین برج نسبت به اینکه خوراک برج مایع باشد، بهتر است.
نظریه ها و قوانینی که به بیان آن ها پرداخته شد سنگ بنای روش کنترل جامع فرایند محسوب می شوند. اما می توان شکل گیری این نظریه را حاصل کار لویبن و همکاران دانست. لویین در سال ۱۹۹۷ تمامی نظریه های فوق را طبق اصول کنترل فرایند بررسی و اصلاح و با ارائه قوانین و نظریه های خود، نظریه ای را به نام (( کنترل جامع فرایند )) مطرح کرد.
این نظریه شامل ۹ گام در طراحی سیستم های کنترلی است. پس از ارائه این نظریه و ثابت شدن جامع و کامل بودن آن در طراحی سیستم های کنترلی از آن استفاده های زیادی می شود که حجم مقالات چاپ شده در این زمینه تائیدی براین ادعاست.
۲-۴- طراحی سیستم های کنترلی به روش کنترل جامع فرایند [۴ و۲]
۲-۴-۱- گام ۱ : تعیین اهداف سیستم کنترلی
اولین و یکی از مهمترین گام ها در طراحی سیستم های کنترلی همین گام است. زیرا تفاوت ساختارهای کنترلی از تفاوت اهداف آنها ناشی می شود. بهترین ساختار کنترلی برای یک فرایند، ساختاری است که به بهترین وجه اهداف آن را تامین کند. این اهداف شامل بازده راکتور، بازده قسمت جدا سازی، مشخصات کیفیت محصول و مطابقت آن با تقاضاهای موجود، محدودیت های ایمنی، محدودیت های عملیاتی و محدودیت های زیست محیطی می شود.
۲-۴-۲-گام ۲ : یافتن درجه های آزادی کنترل
تعداد درجه های آزادی کنترل در واقع تعداد شیر کنترل های لازم جهت کنترل پایدار سیستم می باشد. یا به عبارت دیگر تعداد متغیرهایی است که از طریق دادن نقطه تنظیم می توان آنها را کنترل کرد. این شیرهای کنترل معمولا برای اهداف زیر به کار می روند :
۱- رسیدن به نرخ موردنظر محصولات
۲- نگهداری موجودی گاز و مایع
۳- کنترل کیفیت محصولات
۴- رعایت ایمنی و محدودیت های زیست محیطی
هرکدام از شیرکنترل ها علاوه بر وظایف ذکرشده می توانند برای بالابردن اهداف اقتصادی یا بالابردن توانایی کنترل دینامیکی مورداستفاده قرار بگیرند. به عنوان مثال برای کاربردهای بیشترین بازده یا دوری از اختلالات.
۲-۴-۳- گام ۳ : ایجاد سیستم مدیریت انرژی
در این گام باید مطمئن شد که اختلالات انرژی در طول فرایند به وسیله سیستم سرویس های جانبی منتشر نمی شوند. از عبارت مدیریت انرژی دو موضوع اساسی استخراج می شود:
۱- باید یک سیستم کنترلی تعبیه کنیم که گرمای واکنش های گرمازا را از فرایند حذف کند. اگر حرارت در راکتور به طور مفیدی حذف شود، می توان از حرارت موجود در قسمت های دیگر فرایند استفاده کرد.
۲- درمورد واکنش های گرمازا توجه به پدیده طغیان حرارتی هم مهم است. در واقع اگر راکتور موردنظر آدیاباتیک باشد، افزایش بیش از حد دما به پدیده طغیان حرارتی می انجامد. سیستم کنترلی علاوه بر جلوگیری از پیدایش این پدیده باید توانایی حذف این پدیده را نیز داشته باشد. طغیان حرارتی باید توسط مسیرهای کنارگذر و خنک کننده حذف شود در غیراین صورت با انتشار در سیستم، کنترل دچار مشکل خواهد شد.
علاوه بر دومورد فوق در سیستم مدیریت انرژی باید به اثر متقابل حرارتی بین جریان های یک فرایند هم توجه کرد. به ویژه زمانی که تبخیر و چگالش در مبدل های حرارتی بوجود می آید. به عنوان مثال فرض کنید که دمای جریان خوراک یک برج تقطیر بوسیله بخار پیش گرم کننده کنترل می شود. فرض کنید که بخار خروجی از مبدل پیش گرم کننده دوفازی باشد. کوچکترین تغییرات در ترکیب ورودی می تواند موجب تغییرات بزرگتری در حالت بخار خروجی شود. حال اگر بخار خروجی بخواهد در مبدل های دیگر مورداستفاده قرار گیرد، آن گاه نمی تواند کارایی لازم را داشته باشد.
۲-۴-۴- گام ۴: یافتن نرخ تولید:
تغییرات در توان عملیاتی یک فرایند، تنها با تغییر مستقیم یاغیرمستقیم در شرایط راکتور بدست می آید. برای بدست آوردن نرخ بالای محصولات، باید نرخ واکنش ها را بطور کلی افزایش دهیم. این امر با افزایش دما، افزایش غلظت واکنش دهنده، کاهش زمان ماندراکتور ( برای فازمایع) و افزایش فشار راکتور(در فازگاز) انجام می پذیرد. اولین انتخاب برای تنظیم نرخ تولید باید تغییر یکی از متغیرهای موجود راکتور باشد. متغیری که انتخاب شود باید بر راکتور غالب باشد. بدین مفهوم که تاثیرات قابل توجهی بر کارایی راکتور داشته باشد. به عنوان مثال اکثر موارد دما یک متغیر غالب بر راکتور می باشد. در واکنش های برگشت ناپذیر نرخ های محصولات معمولاًٌ با دما افزایش می یابند. تازمانی که نرخ واکنش یا غلظت کمتر واکنش دهنده محدود نشود، می توانیم دما را افزایش دهیم، تا نرخ تولید افزایش یابد. در واکنش های گرمازای برگشت پذیر، زمانی که ثابت تعادل با افزایش دما کاهش می یابد، ممکن است دمای راکتور هنوز متغیر غالب باشد.
درشرایطی که دمای راکتور یک متغیر غالب نباشد یا به دلایل ایمنی نخواهیم دما را افزایش دهیم، باید متغیر غالب دیگری را پیدا کنیم مانند غلظت واکنش دهنده محدودکننده، زمان ماند راکتور، فشار راکتور، نرخ تلاطم و… علاوه بر شناسایی متغیرهای غالب باید کنترلرها (شیرهای کنترل) را جهت کنترل این متغیرها پیدا کنیم. یکی از ویژگی های مهم انتخاب این متغیرها این است که علی رغم اینکه باید تأثیر سریع و مستقیم درنرخ واکنش ها داشته باشند، باید کمترین تأثیر را در بخش جداسازی داشته باشند.
۲-۴-۵- گام ۵ :کنترل کیفیت محصولات باتوجه به محدودیت های ایمنی، عملیاتی و زیست محیطی
هدف از روش کنترل جامع فرایند داشتن یک کنترل قوی جهت عملیات و محصولات است. از این رو برای کنترل باید متغیرهایی را انتخاب کنیم که بتوانند با کوچکترین ثابت زمانی و زمان مرده، به بزرگترین بهره حالت پایا برسند. ایجاد حلقه کنترل کیفیت محصول از ابتدا ( قبل از کنترل موازنه مواد)، اساس تفاوت بین روش های «کنترل جامع فرایند» و روش « باکلی » است. از زمانی که ملاحظات کیفیت محصول از اهمیت بیشتری برخوردار شده است، کنترل کیفیت محصول قبل از کنترل موازنه مواد مورد توجه قرار می گیرد. مفاهیم این گام با ذکریک مثال واضح خواهند شد.
خلوص محصول پائین برج تقطیر ( که بایک مشخصه دمایی تعیین می شود) به طور معمول با تغییر جریان بخار در ریبویلر کنترل می شود. همچنین سطح مایع پائین برج تقطیر بادبی محصول خروجی کنترل می گردد. اما هنگامی که نسبت جوشانندگی دریک برج زیاد و دبی محصول پائین برج اندک باشد، حلقه کنترلی که در بالا ذکرشد برعکس عمل خواهد نمود. به این مفهوم که نرخ جوشانندگی تاثیر بیشتری از دبی پائین برج روی سطح مایع پائین برج دارد. پس اینکه ما کدام مورد را جزء اولویت کنترلی قراردهیم می تواند در نتیجه ی کار بسیار موثر باشد. مثال فوق درمورد یک برج با نسبت رفلاکس زیاد نیز صادق خواهد بود. در اینگونه موارد تحلیل دینامیکی مساله اولویت متغیر کنترلی را مشخص خواهد نمود.
۲-۴-۶- گام ۶ : ثابت کردن جریان در حلقه جریان برگشتی و کنترل متغیرهای درون این حلقه
در بسیاری از فرآیندها باید یک کنترلر جریان جهت حلقه جریان برگشتی وجود داشته باشد. این ساده ترین و موثرترین راه جهت جلوگیری از تغییرات بزرگ جریان برگشتی است که ممکن است در حلقه مربوط آن بوجود آید. از نقطه نظر حالت پایا این موضوع که در حلقه جریان برگشتی، دبی جریان برگشتی ثابت باشد یا سطح ظرفی که جریان برگشتی را تامین می کند، ثابت باشد، چندان حائز اهمیت نیست. اما از دید دینامیکی، زمانی که تمام جریان ها در حلقه جریان برگشتی توسط کنترل کننده های سطح تنظیم شوند ( یعنی دبی جریان برگشتی ثابت نباشد )، سبب اغتشاشات دینامیکی وسیعی می شود که این اغتشاشات از ثابت نبودن جریان ناشی می شوند. حلقه کنترلی که هدف آن ثابت نگه داشتن سطح ظروف ( درحلقه جریان برگشتی) است، این کار را از طریق تغییر دردبی جریانی که به پائین دستش می رود انجام می دهد. حال اگر کنترلر جریان برگشتی هم از نوع کنترل سطح^[۲۰] باشد، سطح مایع را ثابت نگه داشته و اغتشاشات احتمالی ( مانند کم و زیاد شدن دبی خوراک تازه) در دبی جریان برگشتی منعکس می شود.
درمورد حلقه های جریان برگشتی گازی، همانطور که بیان گردید به طور طبیعی با حداکثر دبی جریان برگشتی کار می کنند. زیرا طبق نظریه داگلاس این کار سبب رسیدن به حداکثر بازده می شود.
۲-۴-۷-گام ۷: بررسی موازنه ترکیبات
دراین گام به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت که دریک فرایند چگونه ترکیبات شیمیایی وارد، خارج، تولید یا مصرف می شوند. موازنه ترکیبات درمورد بسیاری از فرآیندها می توانند کاملا واضح باشد. اما در فرآیندهایی که جریان برگشتی در آنها وجود دارد، موازنه ترکیبات می تواند بحث برانگیز باشد و به سینیتیک های خاص و مسیرهای واکنش بستگی داشته باشد. جریان برگشتی اغلب برمتغیری اثر می گذارد که نرخ محصولات یا نرخ واکنش دهنده در راکتور را تنظیم می کند. تجمع ترکیبات شیمیایی در جریان های برگشتی باید توسط مسیر نگهداری ترکیبات شیمیایی ( واکنش دهنده ها، محصولات و موادخنثی) درسیستم پیشگیری شود. در واقع دراین گام باید ساز و کاری پیشنهاد شود که توسط حلقه های کنترلی هیچ ترکیب شیمیایی در داخل فرایند بدون کنترل نباشد. برای این کار می توان تشکیل مواد را محدود کرد و با کنترل واکنش ها جریان خروجی از فرایند را تنظیم کنیم. واضح است که دریک فرایند خروج واکنش دهنده ها توسط جریان محصول مطلوب نیست. پس باید مصرف واکنش دهنده ها را با تنظیم جریان خوراک تازه محدود کنیم. همچنین باید محصولات و ترکیبات خنثی از سیستم تخلیه شوند. تخلیه مواد خنثی در اغلب سیستم ها به وسیله پاکسازی کسرکوچکی از جریان برگشتی، انجام می شود. مقدار این پاکسازی به نحوی تنظیم می شود که یک موازنه اقتصادی بین سرمایه و هزینه های عملیاتی حفظ گردد.
۲-۴-۸-گام ۸: کنترل مجزای یک تجهیز
این گام بیشتر جنبه مروری دارد زیرا تاکنون بحث های زیادی درمورد نحوه کنترل یک تجهیز انجام شده و کتاب های بسیاری در این باره نوشته شده است. به عنوان مثال یک راکتور لوله ای معمولاً احتیاج به کنترل دمای ورودی دارد یا در واکنش های گرماگیر یک کوره تامین کننده گرمای موردنیاز واکنش است که دبی سوخت کوره تنظیم کننده این گرما است. هدف از روش کنترل جامع فرایند یک نگاه کلی به فرایند است و بررسی اثرات متقابل حلقه های کنترلی رو هم است. درواقع کنترل مجزای یک تجهیز پیش نیاز روش کنترل جامع فرایند است.
۲-۴-۹-گام ۹: بهینه سازی اقتصادی یا بهبود بخشیدن کنترل دینامیکی
هدف دراین گام بهترین راه استفاده از باقی مانده درجه های آزادی است. بعد از رضایت بخش بودن همه تنظیم های پایه ای موردنیاز، ممکن است ما درجه آزادی اضافی داشته باشیم. به این مفهوم که گاهی نقطه تنظیم ها اجازه عملکرد به شیرکنترلی را ندهند و قبل از اینکه شیر کنترل موردنظر بخواهد عمل کند، از کنترلری دیگر متغیر موردنظر کنترل شود. اصلاح این حلقه ها به بهبود عملکرد پایای سیستم یا بهبود پاسخ دینامیکی می انجامد. مثال زیرجهت روشن شدن مفهوم گام ۹ مفید است. فرض کنید یک راکتور شیمیایی گرماگیر با دو سیستم آب خنک کننده و مبرد که در یک رفلاکس کندانسور استفاده می شود، خنک می شود (شکل ۲-۳). برای کنترل سریع دمای راکتور، مبرد به طور قابل توجهی از آب خنک کننده بهتر است اما هزینه استفاده از مبرد بسیاربالاست. هدف ما این است که از مبرد کمترین استفاده را بکنیم. برای این کار از روش کنترل وضعیت شیر استفاده می کنیم. به این مفهوم که اگر TC خروجی کمتر از %۲۰ را برای شیرکنترل مبرد فرستاد، این خروجی روی شیرکنترل آب خنک کننده می رود و آن را بین صفر تا %۱۰۰ باز می کند. پس تا جایی که نیاز نباشد ( خروجی های زیر%۲۰) از مبرد استفاده نخواهد شد.

شکل ۲-۳- ساختار کنترلی راکتور با دو سیستم خنک کننده[۱]
۲- ۵- توجیه توالی مراحل
اگر چه ممکن است به نظر برسد که ترتیب بوجود آمده در مراحل اتفاقی است، اما این ۹ مرحله با توجه به اهمیت تجهیزات و مسائل اقتصادی مرتب شده اند. واضح است گام های اول و دوم که جهت تعیین اهداف و دسترسی به درجه های آزادی هستند، باید در ابتدا قرار بگیرند. معمولا راکتور مرکز یک فرایند صنعتی است و مهمترین عامل در کنترل راکتور شرایط دمایی آن می باشد. زمانی که در یک راکتور حرارت تولید می شود باید مطمئن شد که این حرارت در داخل راکتور مصرف می شود و سیستم کنترلی توانایی جلوگیری از طغیان حرارتی را دارد. اهمیت این موضوعات سبب شده است که در گام سوم به سیستم مدیریت انرژی پرداخته شود. پس از بررسی و تنظیم شرایط راکتور باید به ارزیابی محصولات پرداخت. این ارزیابی شامل نرخ و کیفیت محصولات می شود که به علت اهمیت مسائل اقتصادی، گام چهارم به تنظیم نرخ محصولات اختصاص داده شده است. بهترین روش جهت تنظیم نرخ محصولات از طریق شبیه سازی دینامیکی بدست می آید. کیفیت محصولات نباید تحت تاثیر نرخ آن باشد به همین منظور در گام پنجم به آن پرداخته شده است. طراحی به روش کنترل جامع فرایند هر چه به گام های نهایی نزدیک می شود، محدودیت ها بیشتر شده و عوامل کمتری روی هدف تاثیر می گذارد. از این رو است که کنترل کیفیت محصولات پس از کنترل نرخ محصولات قرار داده شده است. ثابت کردن دبی در جریان برگشتی که به جلوگیری از اثر گلوله برفی غلتان می انجامد، در گام ششم لحاظ شده است و آخرین مرحله ای است که می تواند به طور مستقیم در کم و زیاد شدن درجه های آزادی موثر باشد. گاه های هفتم تا نهم بیشتر جنبه مروری داشته و به تثبیت تصمیمات اتخاذ شده در گاه های قبلی می پردازند.