ب)جعبه سیاه یا مدل‌سازی آزمایشی
مدل‌سازی آزمایشی به دست آوردن یک مدل ریاضی برای سیستم با بهره گرفتن از نتایج انجام یک آزمایش است. در مدل‌سازی آزمایشی کاری نداریم که در داخل سیستم چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است. در این روش با نمونه برداری از سیگنال های ورودی و خروجی به وسیله نمونه بردار، مقادیر عددی در اختیار کامپیوتر قرار می‌گیرد تا مدل ارتباط بین ورودی ها و خروجی ها به‌ دست آید به طوری که اگر ورودی دیگری به سیستم اعمال شود، بتوانیم خروجی را توسط مدل به دست آمده تخمین بزنیم وخروجی تخمین زده شده توسط مدل نزدیک به پاسخ خروجی خود سیستم باشد]۲[.

ج)جعبه خاکستری یا مدل ترکیبی
در این روش ساختار مدل با بهره گرفتن از قوانین فیزیکی به دست می‌آید، ولی به جای به دست آوردن تک تک پارامتر ها از طریق آزمایش های جداگانه، از سیگنال های ورودی و خروجی نمونه برداری کرده و بردار خروجی و ورودی را که همان اعداد نمونه برداری شده می‌باشند محاسبه کرده و با بهره گرفتن از این دو بردار، سعی می‌شود مقادیر پارامتر های ساختار تخمین زده شوند]۲[.
ما در این رساله به دلیل پیچیدگی فراوانی که سیستم بررسی شده، برج دی بوتانایزر، دارد( درادامه به تفصیل بحث خواهد شد) روش شناسایی جعبه سیاه را برای ادامه کار در نظر گرفته و انتخاب نموده‌ایم.
برای شناسایی چنین سیستم هایی به روش جعبه سیاه روش های مختلفی ارائه شده است که در این رساله تعدادی از این روش ها معرفی می‌گردد.
در ادامه با معرفی برج جداکننده و برج دی بوتانایزر به عنوان نوعی از برج‌های جدا کننده با نگاهی به کارهای گذشته در این زمینه به بررسی تفصیلی هر یک از روش های شناسایی اشاره شده خواهیم پرداخت و سیستم مورد مطالعه را با این روش ها شناسایی خواهیم نمود.
۱-۲-فرایند جداسازی و نگاهی به گذشته
جدا کردن یکی از فرایند‌های معمول در علم شیمی می باشد که از یک مخلوط مایع همگن، دو یا چند مایع از هم تفکیک و به صورت جداگانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه در پالایشگاه‌ها و پتروشیمی برای تفکیک مواد شیمیایی وتولید محصولات از این برج ها استفاده می‌شود]۳،۴[.
در زمان های قدیم از جداسازی برای تغلیظ الکل در نوشیدنی ها استفاده می‌شد]۵[. شکل(۱-۱) اولین بار جداسازی در بین النهرین به کار بسته شد ولی یونانی ها کسانی بودند که این علم را به اروپا منتقل نمودند. کمابیش اثرات استفاده از این علم درقبایل آفریقایی و آمریکایی، در اکتشافات به عمل آمده نیز مشاهده شده است.]۵[
شکل(۱-۱):استفاده از جدا سازی به جهت تغلیظ نوشیدنی های الکلی در زمان‌های قدیم
تقطیر مداوم ستونی برای اولین بار در اوایل قرن ۱۹ میلادی توسط کلیر بلومنتال در فرانسه انجام پذیرفت و سپس توسط افراد دیگر با اضافه نمودن اجزای داخلی، مثل سینی ها و … ساختار معرفی شده توسط ایشان را به تکامل رساندند]۶[.
در اواخر قرن ۱۹ میلادی اولین کتاب در مورد اصول تقطیر و جداسازی مایعات مخلوط منتشر شد که این عمل باعث توسعه این علم به سایر مناطق در جهان و باعث ایجاد پیشرفت های اساسی در جهت ایجاد صنعت پتروشیمی در مناطق نفت خیز گردید.
۱-۳- مروری بر کارهای گذشته
در گذشته کارهای متعددی به صورت مقاله یا رساله کارشناسی ارشد در سرتاسر جهان در مورد شناسایی سیستم وکنترل سیستم حاکم بر برج های جدا کننده ارائه شده است. در این مبحث به صورت اجمالی به بحث و بررسی تعدادی از این فعالیت های علمی خواهیم پرداخت.
در سال ۱۹۸۶ آقای گانی^۱ به همراه رویز^۲ مقاله ای به چاپ رساندند و به بررسی یک مدل گسترده از یک برج جدا کننده پرداختند. در این مطالعه به بررسی مدل دینامیکی یک برج جداکننده پرداخته و پاسخ های حلقه باز و حلقه بسته و مشکلات موجود در این روش‌ها را مورد بحث قرار داده‌اند]۷[.
در سال ۱۹۹۸ گروه مطالعاتی آقای کیرباشلار^۳ در کشور ترکیه مقاله ای را به مضمون شناسایی برج جداکننده با بهره گرفتن از پاسخ ضربه ارائه نمودند و با نمونه گیری و به دست آوردن پاسخ ضربه از سیستم واقعی، سیستم را با روش پاسخ ضربه شناسایی نموده و در آخر به مقایسه پاسخ سیستم شناسایی شده و پاسخ به دست آمده از سیستم واقعی پرداخته‌اند]۸[.
در سال ۲۰۰۳ آقای امجد^۴ از دانشگاه شاه فهد عربستان با دفاع از رساله کارشناسی ارشد به مضمون -شناسایی حلقه بسته برای کنترلر تخمینگر مدل- یک برج جدا کننده دی‌متانایزر را مورد بررسی قرار داده و با جمع آوردی داده برای ورودی و خروجی به دو روش حلقه باز و حلقه بسته از برج ——————————————————————-
۱- R.Gani 2-C.A.Ruiz 3-I.Kirbashlar 4-S.Amjad
مورد مطالعه، و با بهره گرفتن از روش های شناسایی زیر فضا و ARX به شناسایی مدل پرداخته و سپس کنترل کننده‌ای برای مدل شناسایی شده طراحی نموده است]۹[.
در سال ۲۰۰۸ گروه مطالعاتی آقای رامش^۱ از کشور مالزی مقاله ای با مضمون- توسعه مدل ARX غیر خطی برای یک برج جدا کننده به همراه بررسی تاثیر رگرسورها در مدل- ارائه نموده و به شناسایی سیستم به این روش پرداخته و مدل به دست آمده را مورد مطالعه قرار داده است]۱۰[.
در سال ۲۰۰۸ آقای هرنان گوای-دی^۲ در کشور آفریقای جنوبی با دفاع از رساله کارشناسی ارشد با عنوان شناسایی به روش حلقه باز و حلقه بسته و تست صحت سنجی به مطالعه در مورد یک برج جدا کننده پرداخته و سیستم حاکم را به روش های ARX ^۳وNLARX ^۴شناسایی نموده و با به دست آوردن مدل، پاسخ سیستم برای مدل به دست آمده را با پاسخ واقعی مقایسه و مورد بحث قرار داده است]۱۱[.
در سال ۲۰۰۹ آقای باروسو^۵ از دانشگاه لیسبون پرتقال با دفاع از پایان نامه کارشناسی ارشد با عنوان مدل سازی و کنترل هوشمند یک برج جدا کننده به بررسی اجمالی برج های جدا کننده پرداخته و با روش های خطی و غیر خطی(فازی و عصبی) به شناسایی سیستم پرداخته و در انتها با طراحی یک کنترل کننده، پاسخ های کنترل کننده حاکم بر سیستم مدل شده را مورد بررسی قرار داده است]۱۲[.
در سال ۲۰۰۹ آقای مورتن بِیک^۶ از دانشگاه تکنولوژی نروژ با دفاع از رساله کارشناسی ارشد به عنوان شناسایی به روش زیر فضا با بهره گرفتن از داده های حلقه بسته به مطالعه بر روی یک برج جدا کننده دی بوتانایزر- که به وسیله یک نرم افزار طراحی شده است- پرداخته و سیستم این برج را شناسایی و پاسخ آن را بررسی نموده است]۱۳[.
در سال ۲۰۱۱ سشو کومار^۷ وگروهش مقاله‌ای با مضمون شناسایی و کنترل فرایند جداسازی با روش حداقل مربعات خطای جزئی در شبکه های عصبی منتشر نموده اند که در این مقاله به بررسی روش
——————————————————————– ۱۳ H.Guidi -2 K.Ramesh–Autoregressive with exogenous input 4- nonlinear ARX model 5- J.Barroso 6-M.Bakke 7-S.Kumar
حداقل مربعات خطا به روش جزئی در شبکه های عصبی پرداخته و یک برج جداکننده را با روش مطرح شده شناسایی نموده و بعد از به‌دست آمدن سیستم به بررسی پاسخ سیستم و مقایسه آن با پاسخ واقعی سیستم پرداخته اند]۱۴[.
در سال ۲۰۱۲ در یک مقاله کنفرانسی آقای مناکشی^۱ از کشور هند، به شناسایی سیستم یک برج جدا کننده با بهره گرفتن از سیستم زیر فضا پرداخته و با طراحی یک کنترل کننده پاسخ های پله را برای سیستم شناسایی شده به‌دست آورده است]۱۵[.
مقالات و کارهای علمی دیگری نیز به همین منوال منتشر شده اند که در همه آنها به شناسایی سیستم برج‌های جداکننده پرداخته و نهایتا یک کنترل کننده برای سیستم طراحی نموده و پاسخ کنترل کننده را به دست آورده‌اند. در کارهای انجام شده برای شناسایی سیستم اکثرا در مقایسه پاسخ سیستم شناسایی شده و پاسخ سیستم واقعی به همان داده های مورد استفاده جهت شناسایی اکتفا شده است که برای سیستم های دینامیکی دید روشن و درستی از صحت عملکرد سیستم نخواهد بود. در این رساله با بررسی روش‌های شناسایی و پیاده سازی آنها، علاوه بر استفاده از داده های شناسایی، پاسخ سیستم‌های به‌دست آمده را برای تعدادی داده، که در روند شناسایی استفاده نشده‌اند(داده‌های نامعلوم) به دست خواهیم آورد تا قضاوت در مورد صحت عملکرد سیستم شناسایی شده روشن‌تر گردد.
۱-۴-تشریح یک برج جداکننده^۲
همان‌طور که در شکل (۱-۲) مشاهده می نمایید یک برج جداکننده از قسمت‌های بازجوش‌آور در نقطه پایینی برج که وظیفه افزایش دمای مواد موجود در داخل برج را بر عهده دارد و از یک چگالنده در نقطه بالایی برج که برای متراکم کردن بخارات خروجی آن استفاده می‌شود، تشکیل شده است]۱۶[. مسیر ورودی نیز به‌طور معمول در وسط برج قرار داده می‌شود و مخلوط اولیه از این مسیر وارد برج می‌گردد. مخلوط ورودی به داخل برج که ممکن است مایع، گاز و یا مخلوطی از مایع و گاز باشد، خوراک نامیده می‌شود.
——————————————————————–۱- Distillation column -2- S.Meenakshi
آن‌چه از بالای برج به عنوان خروجی از آن دریافت می‌شود محصول بالاسری نامیده می‌‌شود که معمولا غنی از جزئی که از نقطه جوش کمتری برخوردا‌ر است، می‌باشد .ماده‌ای که از پایین برج خارج می‌شود ته مانده یا محصول انتهایی نام دارد و معمولا غنی از جزء یا اجزای سنگین‌تر ( که از نقطه جوش بالاتری برخوردار می باشد) خواهد بود.
نسبت مقدار مایع برگشتی به برج بر حسب مول یا وزن به مایع یا بخاری که به عنوان محصول از سیستم خارج می‌شود را نسبت برگشتی می‌گویند.
برای اینکه کیفیت محصول تولید شده از فرایند جداسازی مناسب باشد باید ترکیب در بالا و پایین برج پایدار بوده و کنترل خوبی بر آن حاکم باشد.
شکل(۱-۲): ساختمان یک برج جدا کننده
این شرایط ایده آل با تحت نظر گرفتن پیوسته پاسخ برج به دست می‌آید، که درآن می‌توان ترکیب خروجی یا دما را مورد بررسی قرار داد. دمای محصول در شرایط مناسب قابلیت معادل قرار گیری به ترکیب خروجی و استخراج مقدار مول خروجی را دارد،]۱۷[ خروجی سیستم، پاسخ به ورودی‌های سیستم که به عنوان درجه آزادی در نظر گرفته می‌شوند می‌باشند. این درجه آزادی وابسته به پیش فرض‌هایی است که هنگام بهره برداری از برج در نظر گرفته می‌شود.
آقایان لاندستروم و اسگوکسداد^۱]۱۸[یک نمونه از برج های جداکننده با یک خط خوراک ورودی و
——————————————————————-
۱- Lundstr ¨om, P. and S. Skogestad
دو محصول خروجی مورد بررسی قرار داده‌اند. در این مطالعه سیستم دینامیکی حاکم به صورت یک سیستم ۵ در ۵ به این معنی که سیستم شامل ۵ ورودی قابل کنترل و ۵ خروجی قابل اندازه گیری در نظر گرفته شده است.
همان‌طور که گفته شد یک کنترل مؤثر بر سیستم، باعث افزایش کیفیت محصول و صرفه جویی در انرژی شده و همین‌طور ایمنی سیستم در حال بهره برداری را تضمین می کند]۳،۴[.
باید در نظر داشته باشیم که یک برج جدا کننده از اجزای فراوانی تشکیل شده است و یک سیستم پیچیده می‌باشد و این پیچیدگی باعث می‌شود که یک واحد عملیاتی بدون مشکل وجود نداشته باشد]۱۹،۲۰[.
پس با مدل‌سازی و شناسایی سیستم با اعمال ورودی‌ها و استخراج خروجی‌ها از مدل، قادر خواهیم بود با توجه به پاسخ سیستم ایرادهای سیستم را تشخیص داده و با تنظیم کنترل حاکم، سیستم را در حالت پایدار و ایده آلی که مورد نظر می‌باشد قرار دهیم.
۱-۵-برج دی بوتانایزر^۱ در پالایشگاه گازی پارس جنوبی
پالایشگاه های گازی کشورمان به هدف تبدیل گازهای ترش گرفته شده از چاه‌های گاز در منطقه اقتصادی پارس، به مشتقات آن ائم از میعانات گازی، اتان، پروپان، گوگرد و … طراحی، نصب و مورد بهره برداری قرار گرفته‌اند. گاز تزریقی به واحد های پالایشگاهی ابتدا به قسمت شیرین سازی گاز رفته و عمل شیرین سازی گاز در آن واحد انجام می‌پذیرد. سپس گاز شیرین وارد واحد نم‌زدایی شده و رطوبت آن گرفته می‌شود. گاز شیرین و خشک وارد واحد بازیابی اتان شده و در آخر، گاز عمدتا متان خشک و شیرین توسط کمپرسور ها به خط لوله سراسری انتقال گاز، تزریق می‌شود. در قسمت بازیابی اتان میعانات گازی نیز تولید می‌شود که عمدتا مخلوطی از بوتان و پروپان مایع می‌باشد. این میعانات نیز به قسمت تفکیک هدایت می‌شوند و پس از طی روند جداسازی، گازهای بوتان و پروپان تولید می‌شوند. قسمت تفکیک در پالایشگاه، واحد ۱۰۷ واحد جداسازی پروپان و بوتان و C5+ می باشد و خوراک این واحد از واحد ۱۰۵ که بازیافت اتان می‌باشد، تامین می‌شود. خوراک واحد ابتدا وارد برج دی اتانایزر گشته و پس از عمل جداسازی در این برج، مواد محصول انتهای این برج به برج دی بوتانایزر هدایت می‌شود]۲۱،۲۲[.
——————————————————————–۱- Debutanizer column
برج دی بوتانایزر در فشار barg 7.2 عمل می‌کند و دارای قسمت های بازجوش‌آور و چگالنده است. گاز در قسمت بالای برج توسط چگالنده تا ºC60 خنک سازی می‌شود و بوتان حاصله به مخزن، در مسیر بازگشتی مربوط به دی بوتانایزر هدایت می‌شود. ]۲۱،۲۲[
بوتان تولیدی به واحد ۱۱۵ برای مرکاپتان زدایی ارسال می‌گردد. بازجوش‌آور این برج نیز از بخار فشار ضعیف (LPS¹) استفاده می‌کند و دمای پایین برج را در حدود ºC130 تثبیت می کند. در شکل (۱-۳ ) مدار تک خطی فرایند این برج نمایش داده شده است. ]۲۱،۲۲[
شکل(۱-۳):مدار تک خطی فرایند برج دی بوتانایزر
در این سیستم فرایندی، بنا به شرایط، همان‌طور که در اول بحث برج های جدا کننده اشاره شد، می‌توان ورودی های قابل کنترل مختلفی را بر اساس درجه آزادی سیستم در نظر گرفت، که متغیرهای زیر می‌توانند از این نوع باشند]۱۸،۲۳[:
دبی ورودی خوراک^۲ دبی مخزن در مسیر بازگشتی^۳ دبی بازجوش‌آور^۴ دمای خوراک ورودی^۵ ——————————————————————–۱- Low pressure steam 2- Feed mass flow rate3- Reflox flow rate4- Reboiler flow rate 5- Feed temperature
فشار پایین برج^۱
فشار بالای برج^۲
کسر مولکولی خوراک^۳
همچنین در این سیستم می‌توان متغیرهای قابل اندازه گیری نیز معرفی نمود و به عنوان خروجی در نظر گرفت، که اندازه گیری و تثبیت در یک بازه ثابت این متغیرها، می‌تواند کیفیت محصول خروجی را تضمین نماید]۱۸،۲۳[ :
دمای پایین برج^۴