26162

توسعه ماتريس جداسازي براي فرايندهاي تقطير استخراجي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1397

1400/9/8

دكتر نوراله كثيري، دكتر جواد ايوك پور

مهندسي شيمي، نفت و گاز

صنايع شيميايي با چالش‌هاي جهاني در مسير يافتن فرايندهاي كارآمد مواجه هستند. تشديد فرايند به عنوان بخشي از سنتز فرايند، قابليت كشف راه‌حل‌هاي پايدار و كارگشا را دارد. فرايندهاي جداسازي هيبريدي يك گزينه طراحي تشديدشده براي جداسازي مخلوط‌هاي پيچيده را ارائه مي‌دهند. طراحي ساختارهاي فرايندي مناسب براي مخلوط‌هاي چندجزئي، به¬خصوص زماني كه فرايندهاي جداسازي آزئوتروپي يا هيبريدي در نظر گرفته مي¬شود، هنوز از چالش¬ها و مسائل برقرار اين حوزه است. به منظور سنتز همه توالي‌هاي ممكن فرايندهاي جداسازي، الگوريتم‌هاي مختلف توسط محققين پيشنهاد شده‌اند. ماتريس جداسازي يكي از اين الگوريتم‌ها است كه قادر است چيدمان¬هاي متفاوت تقطيري را ايجاد كند. از آن¬جا كه ادغام انواع مختلف عمليات واحد نياز به يك روش طراحي و سنتز براي بهره‌برداري از پتانسيل كامل فرايند هيبريدي دارد، هدف پروژه حاضر توسعه اولين نسخه از ماتريس جداسازي براي توليد چيدمان¬هاي مختلف فرايندهاي جداسازي تركيبي است. براي اين منظور، فرايند تقطير استخراجي كه يك فرايند هيبريدي كارآمد است براي افزودن و توليد نسخه جديدي از ماتريس جداسازي انتخاب شده‌است كه بدين ترتيب، اين نسخه از ماتريس جداسازي قادر است تمام توالي¬هاي كامل سامانه¬هاي آزئوتروپي، صرف¬نظر از نوع آزئوتروپ و نوع همراه¬بر مورد استفاده و هم¬چنين بدون محدوديت در نحوه فراريت اجزاِي آزئوتروپ را توليد و سنتز نمايد و مسير شبيه¬سازي و بهينه¬سازي چنين فرايندهايي را هموارتر نمايد. در ابتدا الگوريتمي براي توليد چيدمان¬هاي ساده ارائه گرديد و در گام بعد براي دست¬يابي به الگوريتمي جامع كه قادر به سنتز چيدمان¬هاي پيچيده نيز باشد، الگوريتم ديگري توسعه يافت. در هر مرحله از توسعه ماتريس جداسازي هيبريدي، الگوريتم به منظور بررسي عملكرد بر روي يك سامانه¬ي شيميايي پيچيده با تك آزئوتروپ دوتايي پياده¬سازي شد. در گام بعد تمام 24 چيدمان توليدي به روش دقيق شبيه¬سازي شدند. در هر مرحله از شبيه¬سازي، پارامترهاي فرايندي مورد بهينه¬سازي قرار گرفتند تا هر چيدمان در بهترين شرايط عملياتي خود قرار بگيرد. بهينه¬سازي¬ها به كمك الگوريتم ژنتيك انجام شده و از تابع هدف هزينه¬هاي كلي ساليانه به همراه تابع خطاي مربوط به ويژگي¬هاي محصولات نهايي فرآيند استفاده شده-است تا از يكسان بودن شرايط در تمام چيدمان¬ها اطمينان حاصل شده و علاوه بر كمينه¬سازي هزينه كلي سالانه، شرط رسيدن به خلوص مطلوب در محصولات نيز ارضا گردد. در پايان نيز بهترين چيدمان¬ها از منظر صرف هزينه¬هاي اقتصادي معرفي و ارائه شدند كه بدين ترتيب، بهترين چيدمان در مقايسه با پرهزينه¬ترين چيدمان 9/58% اقتصادي¬تر عمل كرده¬است.

1400/12/02

Development of separation matrix for extractive distillation processes

11/29/2022 12:00:00 AM

The chemical industry faces global challenges to finding sustainable processes. Process intensification as part of process synthesis is capable of discovering sustainable solutions. Hybrid separation processes provide an intensified design alternative for separating complex mixtures. The design of suitable separation flowsheet for multi-component mixtures has not yet been resolved especially when azeotropic or hybrid separation processes are considered. In order to synthesize all possible sequences of separation processes, different algorithms have been proposed by researchers. Separation matrix is one of these algorithms that can create various distillation arrangements. Since the integration of different types of unit operations requires a design and synthesis method to exploit the full potential of the hybrid process, the aim of this project is to develop the first version of the separation matrix to generate various configurations of hybrid separation processes. For this purpose, the extractive distillation process, which is an efficient hybrid process, is selected to add and produce a new version of the separation matrix, thus, this version of the separation matrix is able to generate and synthesize all the complete sequences of azeotropic systems, regardless of the type of azeotrope and the type of entrainer used, as well as without limitation in the volatility orders of azeotrope components, and simplify the simulation and optimization of these processes. At first, an algorithm was presented to produce simple sequences, and in the next step, the initial algorithm was developed to achieve a comprehensive algorithm that could synthesize complex sequences. In each stage of the development of hybrid separation matrix, algorithm was implemented to investigate the procedure on a complex chemical system with binary azeotrope. In the next step, all 24 production configurations were simulated by rigorous method. In each stage of simulation, the process parameters were optimized so make each sequence in its best operational conditions. Optimizations is done by genetic algorithm and the objective function of total annual cost along with error function related to the characteristics of the final products of the process to ensure the same conditions in all sequences. By the application of this function, in addition to minimizing the total annual cost, the condition for achieving the desired purity in the products is also satisfied. Finally, the best configurations were introduced and presented in terms of economic costs, thus, the best configuration was 58.9% more economical compared to the costliest sequence.

تشديد فرايند، سنتز فرايند، ماتريس جداسازي هيبريدي، تقطير استخراجي، بهينه¬سازي

Process intensification, Process synthesis, Hybrid separation matrix, Extractive distillation, Optimization

نيلوفر مقدم خواه

دكتر نوراله كثيري، دكتر جواد ايوك پور