در فصل سوم به شرح فرایند ایزومریزاسیون و معرفی واحد ایزومریزاسیون پالایشگاه امام خمینی(ره) شازند می پردازیم. شرکتهای صاحب دانش فنی فرایند ایزومریزاسیون در این فصل معرفی می شوند و سپس به بیان واکنشهای ایزومریزاسیون پرداخته و شرایط راکتور و کاتالیست شرح داده می شود.
فصل چهارم شامل شبیه سازی دینامیکی واحد ایزومریزاسیون می باشد. در این فصل با بهره گرفتن از داده های صنعتی و تئوری واحد ایزومریزاسیون و با بهره گرفتن از نرم افزار Aspen Hysys V7.3 مدل دینامیکی تهیه شده است. مهمترین بخش در تهیه مدل دینامیکی، بخش واکنش شیمیایی ایزومریزاسیون می باشد. در شبیه سازی واکنش از آنالیز خوراک و محصولات واحد که از آزمایشگاه گرفته شده، و با توجه به دستورالعمل بهره برداری واحد، استفاده نموده ایم. تطابق مدل دینامیکی با شرایط واحد جهت پیاده سازی اصول کنترل جامع فرایند مهم و ضروری است.
فصل پنجم مهمترین فصل بوده و به اجرای نظریه کنترل جامع فرایند روی مدل دینامیکی واحد ایزومریزاسیون خواهد پرداخت. در این فصل ۹ گام طراحی سیستم های کنترلی به روش کنترل جامع فرایند روی مدل دینامیکی پیاده سازی شده و با توجه به نتایج این مدل کنترلرهای مناسب هر متغیر انتخاب می شود.
در فصل ششم به نتایج و پیشنهادات پرداخته ایم.
در فصل هفتم نیز منابع ومراجع مورد استفاده در پایان نامه آمده است.
امید است که نتایج موجود در این پروژه بتواند جهت بهره برداری هر چه بهتر از واحد ایزومریزاسیون و واحدهای مشابه آن، به کار رفته و بستر مناسبی جهت طراحی سیستم های کنترلی فراهم آورد.
فصل دوم
کنترل جامع فرایند – مبانی و مراحل طراحی
۲-۱- مقدمه
در طول چند دهه ی گذشته محققان و کارشناسان کنترل فرایند، گام هایی در جهت توسعه ی یک برنامه ی موثر کنترلی برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و نفتی متشکل از عملیات واحد های گوناگون، برداشته اند. یکی از رایج ترین، مهم ترین و چالش برانگیزترین مسائل مربوط به کنترل فرایند که مهندسان شیمی با آن مواجه بوده اند این است که : حلقه های کنترلی را چگونه طراحی نماییم تا فرایند بهترین عملکرد را داشته باشد؟ البته سوالات جزئی دیگری نیز در این زمینه مطرح است : ۱- کدام متغیرها باید کنترل شوند؟ ۲- کدام متغیرها باید اندازه گیری شوند؟ ۳- کدام ورودی باید اعمال شود و کدام روش ارتباطی بین متغیرها باید در نظر گرفته شود؟ ۴- رفتار دینامیکی واحدهای مرتبط با هم در مقایسه با تجهیزات منفرد چگونه است؟

در یک محیط صنعتی، طرح کنترلی باید دارای استراتژی مفهومی ساده ای داشته باشد. پیچیده ترین بخش در یک پروژه داشتن ساده ترین و مرغوب ترین استراتژی کنترل است.
نظریه ی کنترل جامع فرایند شامل استراتژی های مورد نیاز جهت کنترل کارآمد یک واحد شیمیایی متشکل از تجهیزات و عملیات واحدهای فراوان و مرتبط به هم می باشد. اساسا مسائل کنترلی در فرایند بدین صورت مطرح می شود که چگونه حلقه های کنترلی مورد نیاز جهت عملیات مناسب را توسعه بخشد و اهداف طراحی را تامین کند. اکثر واحدهای صنعتی شامل یک نمودار جریان پیچیده همراه با چندین جریان برگشتی^[۱۰]، تجمیع انرژی^[۱۱] و بسیاری از تجهیزات مختلف همچون برج های تقطیر، برج های جذب، راکتورها در انواع مختلف، مبدل های حرارتی، پمپ ها، کمپرسورها و… می باشد[۱].
وجود جریان های برگشتی، ادغام انرژی و آرایش متوالی تجهیزات گوناگون باعث می شود که اغتشاشات به سادگی از واحدهای بالادستی به واحدهای پایین دست منتقل شود. لذا با توجه به پیچیدگی و به هم پیوستگی فرایند، تاثیر جریان برگشتی و تجمیع انرژی، باید تدابیر کنترلی و ابزاردقیقی مناسبی را جهت عملیات ایمن و پایدار و رسیدن به اهداف طراحی اتخاذ نماییم.
روش کنترل جامع فرایند که حاصل سالها کار عملی بر روی مشکلات طرحهای کنترلی است، ساده ترین و کارامدترین طرح کنترلی را برای برآورده ساختن اهداف طراحی ایجاد می کند [۱]. اهداف تاثیرگذار بر کنترل جامع فرایند عبارتند از :
۱- عملیات ایمن و پایدار در فرایند
۲- کنترل مطلوب کیفیت محصولات در مواجهه با اغتشاشات
۳- اجتناب از شرایط ناایمن فرآیندی
۴- کنترل سیستم به صورت اتوماتیک که کمترین توجه اپراتور را نیاز داشته باشد.
۵- تغییر کیفیت محصولات در کمترین زمان ممکن
۶- عدم ایجاد خطر برای محیط
قطعا جهت کنترل پارامترهای فرایند، روش ها و طرح های مختلفی وجود دارد اما مهم این است که از میان راه کارهای مختلف چگونه درست ترین را انتخاب نماییم. مثلا چرا جهت کنترل موجودی مایع از جریان خوراک تازه ی واکنشگر استفاده کنیم؟ در چه مواردی ترکیبات خروجی از راکتور را آنالیز می کنیم؟ چرا نگران یک اغتشاش مستقیم در نرخ محصولات بوده ایم[۱]؟
راه کارهای گوناگونی طی چندین سال توسط دانشمندان و طراحان کنترل ارائه شده است. لویبن و همکارانش درسال ۱۹۹۷ نتیجه تحقیقات این دانشمندان و نظریه هایی که حاصل تحقیقاتی در زمینه کنترل جامع بوده است، جمع آوری کرده و به روش کنترل جامع فرایند را بنا نهاده اند.
۲-۲- پیچیدگی های فرایند و اثرات آن
فرآیندهایی که تجهیزات و عملیات واحدهای آن به صورت پشت سر هم قرار دارند و به گونه ای عملکردشان بر روی هم موثر است. به خاطر تاثیرات جریان های برگشتی، تاثیر ادغام انرژی و موازنه ی مواد، مستعد مواجهه با اغتشاشات هستند که این اغتشاشات کنترل فرایند را دچار بحران می کند.
دلیل اصلی برای استفاده از تجمیع انرژی، بهبود بازده ترمودینامیکی فرایند است. این موضوع باعث کاهش در هزینه های کلی می شود و برای فرآیندهای با انرژی بالا، ذخیره ی انرژی بسیار قابل توجه است. در صنایع پالایش نفت واکنش های موجود معمولا گرمازا هستند. جریان خروجی از راکتور دارای حرارت بالایی است و از طرفی می خواهیم دمای جریان ورودی به راکتور را بالا ببریم. با بهره گرفتن از مبدل حرارتی خوراک- سیال خروجی می توان مقداری از انرژی را بازیابی نمود و از طغیان حرارتی جلوگیری کرد. این امر می تواند مقدار سوخت مورد نیاز کوره برای حرارت دهی واکنشگر و هزینه ی تجهیزات لازم برای خنک نمودن جریان خروجی راکتور را کاهش می دهد.
درنظریه کنترل جامع فرایند بیشترین موضوعی که مورد توجه قرار می گیرد تأثیرات جریان های برگشتی است[۴-۱]. وجود جریان برگشتی مواد در فرآیندهای صنعتی شش دلیل عمده و مهم دارد: افزایش تبدیل، بهینه سازی اقتصادی، بهبود بازده واکنش، جلوگیری از اتلاف حرارتی، جلوگیری از واکنش های جانبی و کنترل خصوصیات محصول. تأثیری که جریان برگشتی برکنترل فرایند خواهد گذاشت پیچیده، تدریجی و بسیار حائز اهمیت است. جریان برگشتی در یک فرایند می تواند موجب اثر گلوله برفی غلتان^[۱۲] شود. دلیل اینکه این اثر را اثر گلوله برفی غلتان نامگذاری کرده اند از این جهت است که هنگامی که یک گلوله برفی را از یک شیب به پایین بغلتانیم با جمع کردن برف ها به دور خود بزرگ و بزرگ ترشده و چون وزنش افزایش می یابد برف های بیشتری را به دور خود جمع کرده و با سرعت بیشتری نسبت به شرایط ابتدایی بزرگ تر می شود. این مثال در مورد جریان برگشتی کاملا صادق است. اگر در جریان برگشتی اغتشاشی ایجاد شود، با یک بار چرخش در فرایند این اغتشاش تشدید شده و بزرگ تر می شود و این روند به مرور زمان ادامه می یابد تا جایی که سیستم از کنترل خارج می گردد. برای فهم این اثر به یک مثال نگاه می کنیم. قوانین حاکم براین مثال در مراحل طراحی تعمیم داده شده اند.
جریان که حاوی ماده است، طبق واکنش درجه اول در رآکتور به B تبدیل می شود. ماده B به عنوان محصول از انتهای برج تقطیر خارج شده و ماده A واکنش نداده، با جریان D به رآکتور باز می گردد. سیستم کنترلی که در شکل ۲-۱ نشان داده شده شامل ۷ کنترلر است.

شکل ۲-۱- ساختار کنترلی بر مبنای ماندگی ثابت درون راکتور[۱]
۱- کنترل جریان ورودی به راکتور
۲- کنترل سطح راکتور به وسیله جریان خروجی از آن
۳- کنترل خلوص محصول خروجی توسط بارحرارتی ریبویلر
۴- کنترل خلوص بالای برج توسط جریان رفلاکس
۵- کنترل سطح مایع رفلاکس درام توسط محصول مقطر ( که در اینجا همان جریان برگشتی است)
۶- کنترل سطح مایع برج تقطیر توسط دبی جریان خروجی از پایین برج
۷- کنترل فشاربرج توسط بارحرارتی کندانسور
هدف از سیستم کنترلی که در شکل نشان داده شده است، کنترل جریان واکنش دهنده تازه (A) به منظور تنظیم نرخ محصول (B) است. حال اگر اغتشاشی به میزان %۲۵ در جریان خوراک تازه ایجاد شود، سوال این است که در جریان برگشتی چند درصد تغییرایجاد می گردد؟ با شبیه سازی فرایند مشاهده می گردد که %۹۴ در جریان برگشتی تغییر ایجاد خواهد شد. علت این امر فقط و فقط به نوع ساختارکنترلی باز می گردد. هنگامی که F0 را زیاد کنیم سطح مایع درون راکتور بالا می آید و چون کنترل سطح راکتور توسط جریان ورودی به قسمت جداسازی است باعث اغتشاش در این قسمت می شود و مشاهده می گردد که با %۲۵ تغییرات در جریان خوراک تازه، تغییری به مراتب بزرگتر(%۹۴) در جریان برگشتی خواهیم داشت که نمایانگر اثر گلوله برفی غلتان است. بدین مفهوم که تغییر مورد نظر به علت عدم کنترل صحیح در سیستم تشدید شده است. حال استراتژی کنترلی را به حالت شکل ۲-۲ تغییر می دهیم[۱].

شکل ۲-۲- ساختار کنترلی بر مبنای ماندگی متغیر در راکتور [۱]
دومورد تغییر نسبت به حالت قبل مشاهده می شود :
۱- سطح مایع درون راکتور با توجه به جریان ورودی تنظیم می گردد
۲- جریان ورودی به قسمت جداسازی کنترل می شود
بقیه حلقه های کنترلی همانند ساختار قبلی هستند. در این ساختار می بینیم که تغییر در دبی محصول B با جریان خوراک تازه امکان پذیر نمی باشد، بلکه جریان خوراک تازه با توجه به سطح راکتور کنترل می گردد و با تغییر در نقطه تنظیم کنترل کننده سطح مایع راکتور می توان نرخ محصولات خروجی را تنظیم کرد.
حال با تغییر %۴۵ در ماندگی راکتور (که معادل %۲۵ تغییر در جریان محصول ورودی است) به % ۱۸ تغییر در دبی جریان برگشتی می انجامد. در حالی که در ساختار کنترلی قبلی این تغییر معادل %۹۴ بوده است. علت این امر این است که در ساختار کنترلی شکل ۲-۱ سیستم کنترلی تلاش می کند که محتویات هرظرف را با تغییر در جریانی که به سمت پایین دستش می رود کنترل نماید. بنابراین هر اغتشاشی که گرایش به افزایش محتویات فرایند داشته باشد (همانند افزایش خوراک تازه) باعث افزایش در حلقه جریان برگشتی می شود[۱].
۲-۳- مفاهیم پایه ای کنترل جامع فرایند
۳-۲-۱- آموزه های داگلاس [۵]
جیم داگلاس^[۱۳] درسال ۱۹۸۸ از دانشگاه ماساچوست، رویکرد تدریجی به طراحی مفهومی در نمودار فرایند را ابداع کرد. او تعداد بسیار مفیدی از مفاهیم را گسترش داد که شامل مفاهیم کنترلی بودند. داگلاس به این نکته اشاره می کند انواع طرح های شیمیایی شامل موادخام و محصولات با ارزشی هستند که انرژی زیادی جهت تبدیل موادخام به محصولات مصرف می شود. این گفته وی به دو اصل منتهی می شود.
۱- کمترین هدررفت واکنش دهنده ها و محصولات
۲- بیشترین مقدار دبی در طول سیستم های برگشت گاز
۲-۳-۲- اصول باکلی [۶]
پیج باکلی^[۱۴] به همراه دوپوینت^[۱۵] درزمینه کنترل فرایند جزء پیشگامان بودند و برای نخستین بار در زمینه کنترل فرایند نظریه جداسازی مسائل کنترل جامع فرایند را دردو بخش پیشنهاد کردند: