عنوان

بهینه‌سازی و کنترل فرایند تقطیر واکنشی تولید ایزوپروپانول از هیدرولیز پروپیلن,‮‭Optimization and control of reactive distillation column for production of isopropanol using propylene hydrolysis‬

Number

‭۲۲۵۵۶پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

بهینه‌سازی و کنترل فرایند تقطیر واکنشی تولید ایزوپروپانول از هیدرولیز پروپیلن

Parallel Title Proper

‮‭Optimization and control of reactive distillation column for production of isopropanol using propylene hydrolysis‬

First Statement of Responsibility

/بهاره فیضی افشار

Name of Publisher, Distributor, etc.

: مهندسی شیمی و نفت

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۸‬

Name of Manufacturer

، میرزائی

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۷۹‬ص‬

Text of Note

چاپی - الکترونیکی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

مهندسی شیمی گرایش طراحی فرآیند

Date of degree

‮‭۱۳۹۸/۱۱/۲۰‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

فرایند تقطیر واکنشی ترکیبی از واکنش‌های شیمیایی و جداسازی فیزیکی در داخل یک واحد عملیاتی است .افزایش نرخ واکنش‌ها، درصد تبدیل و انتخاب پذیری، یکپارچه سازی حرارتی و کاهش هزینه‌های عملیاتی تنها تعدادی از مزایای این نوع فرایند است .برای رفع محدودیت‌های مربوط به واکنش‌های دارای تعادل شیمیایی، جلوگیری از واکنش‌های جانبی، کاهش هزینه‌ها و غیره می‌توان از این روش استفاده کرد .در این پژوهش، فرایند تقطیر واکنشی تولید ایزوپروپانول به روش هیدرولیز مستقیم پروپیلن در حضور کاتالیست ناهمگن اسیدی بررسی شد .در ابتدا مدلسازی ریاضی فرایند در حالت دینامیک با در نظر گرفتن فرضیات مناسب انجام گرفت .سپس برج تقطیر واکنشی برای سیستم سه جزئی پروپیلن-آب- ایزوپروپانول با استفاده از کدنویسی مدل ریاضی در نرم‌افزار ‮‭MATLAB‬ شبیه‌سازی گردید .برای شبیه‌سازی دینامیک، یک حالت پایه برای متغیرهای عملیاتی و طراحی برج تقطیر بر اساس منابع علمی موجود در نظر گرفته شد .نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان داد که محصول خروجی از کندانسور دارای بیش از ‮‭۶۱‬ درصد مولی ایزوپروپانول در مقیاس بدون پروپیلن است، اما به دلیل این‌که دمای کندانسور کمتر از نقطه انجماد آب است، این نتیجه غیرعملی است .در مرحله بعد برای تأمین قید دمای کندانسور که باید بالای نقطه انجماد آب باشد و با هدف بیشترین میزان ایزوپروپانول در محصول خروجی، بهینه‌سازی چهار متغیر عملیاتی شامل نسبت برگشتی، دبی خوراک پروپیلن، نسبت خوراک آب به پروپیلن و نسبت بخار به مایع در کندانسور به روش یک پارامتر در هر بار انجام گرفت .شبیه‌سازی‌های متعددی با تغییر این پارامترها انجام شد و در نهایت نتایج شبیه‌سازی برای ‮‭۸‬ حالت گزارش گردید .بر اساس نتایج بهینه‌سازی، حالت بهینه فرایند در نسبت برگشتی برابر‮‭۲۴‬ ، دبی خوراک پروپیلن برابر‮‭mol/s ۱۰‬ ، نسبت آب به پروپیلن برابر ‮‭۱.۲‬ و نسبت مولی بخار به مایع داخل کندانسور برابر ‮‭۰.۰۷‬ به دست آمد که در این شرایط درصد مولی محصول ایزوپروپانول خروجی بیش از ‮‭۵۸‬ درصد حاصل گردید .در ادامه، کنترل فرایند برج تقطیر واکنشی در شرایط بهینه انجام گرفت .به این منظور ابتدا پاسخ دمای کندانسور به یک تغییر پله‌ای در نسبت برگشتی به دست آمد و یک مدل مرتبه اول همراه با تأخیر زمانی برای پاسخ، پیشنهاد و پارامترهای آن به روش برازش منحنی محاسبه گردید .سپس مقادیر مناسب پارامترهای انواع کنترل‌کننده‌های کلاسیک به روش پاسخ فرکانسی به دست آمدند .کنترل‌کننده‌های طراحی شده بر روی فرایند امتحان گردیدند تا عملکرد آنها بررسی و پس از مقایسه، مناسب ترین کنترل‌کننده انتخاب شود .نتایج نشان داد که کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی برای دو حالت دنبال کردن مقدار مقرر دمای کندانسور و حذف اغتشاش، بهترین عملکرد را داشت و به سرعت دمای کندانسور را به مقدار مطلوب رساند، بدون آن که افت کنترلی داشته باشد .کنترل‌کننده تناسبی ضعیف‌ترین عملکرد را داشت و مقدار نهایی متغیر فرایند دارای افت کنترل کمی بود

Text of Note

Reactive distillation process is a combination of chemical reactions and physical separation within a single unit operation. Increase of reaction rates, conversion and selectivity, heat integration, and reduction of operating costs are only some of the advantages of such process. This method can be used to overcome limitations due to the chemical reaction equilibrium, prevent side reactions, cost reduction, etc. In this research, reactive distillation process for production of isopropanol from direct hydration of propylene in presence of a heterogeneous acidic catalyst was investigated. Firstly, mathematical modeling of the process in dynamic mode was performed by considering appropriate assumptions. Then, reactive distillation column for three component system of propylene-water-isopropanol was simulated with coding in MATLAB software tool. For dynamic simulation, a base case was considered for operating and design variables of distillation column based on the literature. Simulation results showed that the output product from condenser contained more than 61 mol propylene-free isopropanol, but because condenser temperature was below freezing point of water, this result is not feasible. In the next step, optimization of four operating variables including reflux ratio, propylene feed flow rate, water to propylene feed ratio, and vapor to liquid mole ratio in condenser was performed with the method of one parameter at a time to fulfill constraint of condenser temperature which must be above water freezing point, and to maximize isopropanol content of output product. Several simulations were performed by changing these parameters and finally simulation results for eight cases were reported. Based on optimization results, the optimum condition of the process was obtained at reflux ratio of 24, propylene feed flow rate of 10 mol/s, water to propylene mole ratio of 1.2, and vapor to liquid mole ratio of 0.07, where isopropanol mole percent in product was obtained above 58 . Moreover, control of reactive distillation process at optimum conditions was performed. For this purpose, firstly, the response of condenser temperature to a step change in reflux ratio was obtained and a first order model with time delay was proposed for the response and its parameters were calculated by curve fitting. Then, proper values of different classic controllers were obtained by frequency response method. Designed controllers were examined on the process to assess their performance and to select the best one by comparison. Results showed that PID controller had the best performance for both cases of condenser temperature set-point tracking and rejection of disturbance in propylene feed flow rate and was able to return condenser temperature to its set-point rapidly with no offset. Proportional controller had the weakest performance and final value of process variable had a little offset

Parallel Title

‮‭Optimization and control of reactive distillation column for production of isopropanol using propylene hydrolysis‬

فیضی افشار، بهاره

Feizi Afshar, Bahareh

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی