31354

طراحي و انتخاب چيدمان بهينه برج‌هاي تقطير فرآيند جداسازي NGL با استفاده از الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي چندهدفه

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1400

1403/06/07

نوراله كثيري

اميرحسين خليلي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

با افزايش نياز روز افزون صنايع به منابع انرژي و اثرات مخرب مصرف سوخت‌هاي فسيلي به محيط زيست نظير گرمايش جهاني، تحقيقات فراواني در زمينه صرفه جويي مصرف انرژي در فرآيند‌هاي نفت و گاز انجام شده است. فرآيند تقطير مي‌تواند بيشترين سهم را در هزينه‌هاي عملياتي و خصوصاٌ هزينه‌هاي سالانه واحد فرآيندي داشته باشد. به علت مصرف بالاي انرژي در اين فرآيند، اتلاف اكسرژي و انتشار گاز‌هاي گلخانه‌اي در حجم انبوهي صورت مي‌گيرد. از ميان فرآيندهاي تقطيري، فرآيند NGLبا توجه به توليد محصولات پايه زنجيره ارزش صنايع پتروشيمي در ظرفيت بالا، بسيار حائز اهميت مي باشد. به منظور انتخاب چيدمان بهينه برج تقطير با توجه به پژوهش هاي صورت گرفته، يكي از مشكلات رايج چگونگي تحليل و تصميم گيري نتايج توابع هدف مختلف مي باشد. بنابراين ابداع الگوريتم چندهدفه جهت طراحي چيدمان تقطير چند جزئي زئوتروپيك با سرعت محاسباتي بالا به منظور كاهش هزينه‌هاي اقتصادي فرآيند، اتلاف اكسرژي و انتشار گاز‌هاي گلخانه‌اي به صورت همزمان لازم است. در اين پژوهش ابتدا با استفاده از روش ماتريس جداسازي، انواع چيدمان ها توليد شده و بعد از ترجمه ماتريس هاي جداسازي، براي هر يك از چيدمان ها شبيه سازي و بهينه سازي صورت مي گيرد. الگوريتم پيشنهادي بهينه سازي ميانبر و دقيق را در دو مرحله انجام داده و در مرحله اول با توجه به نتايج جبهه پارتو چيدمان هاي نامطلوب حذف مي شود. همچنين رويكردهاي مرحله شبيه سازي ميانبر براي بهبود شناسايي چيدمان هاي برتر و كاهش فضاي جست وجو توسط الگوريتم پيشنهادي ارائه شده است. از سوي ديگر انواع الگوريتم هاي بهينه سازي چندهدفه وجود دارد و بايستي الگوريتمي كه دقت و سرعت شناسايي جبهه پارتو بالايي دارد، انتخاب گردد. در اين راستا 9 الگوريتم رايج چندهدفه طي دو مرحله مورد بررسي قرار گرفته و الگوريتم NSGA-II به عنوان روش مناسب براي تحليل 17 چيدمان ساده و پيچيده برج تقطير انتخاب گرديد. به منظور كاهش زمان محاسباتي كل در مرحله نخست، دو رويكرد شبيه سازي ميانبر براي كاهش فضاي جست¬وجو مطرح شد كه مي‌تواند زمان محاسبات كل را تا 53 درصد كاهش دهد. نتايج بهينه‌سازي حاكي از آن است كه استفاده از چيدمان پيچيده SM7 نسبت به چيدمان ساده واحد صنعتي مورد مطالعه، به دلايل بهبود شرايط عملياتي و جداسازي باعث صرفه¬جويي 17 درصدي هزينه‌هاي سالانه و كاهش 31 درصدي انتشار گاز‌هاي گلخانه‌اي شود.

1403/07/28

Design and selection of optimal distillation columns sequencing for NGL separation processes using multi-objective optimization algorithms

8/28/2025 12:00:00 AM

With the increasing need of industries for energy sources and the destructive effects of fossil fuel consumption on the environment, such as global warming, much research has been conducted in the field of energy saving in oil and gas processes. The distillation process can account for a significant portion of operating costs, particularly the annual costs of the processing unit. Due to the high energy consumption in this process, exergy loss and greenhouse gas emissions occur in large quantities. Among the distillation processes, the NGL process is very important due to the production of basic products of the value chain of petrochemical industries in high capacity. To choose the optimal sequence of the distillation column according to the research, one of the common problems is how to analyze and decide the results of different objective functions. Therefore, it is necessary to develop a multi-objective algorithm to design a zeotropic multi-component distillation setup with high computational speed to reduce the economic costs of the process, exergy loss, and greenhouse gas emissions separately. In this research, first, by using the separation matrix method, all kinds of sequences are produced, and after the translation of the separation matrices, simulation, and optimization operations are performed for each sequence. The proposed algorithm performs shortcut and precise optimization in two stages, and in the first stage, undesirable sequences are removed according to the results of the Pareto front. Also, the approaches of the shortcut simulation stage are presented to improve the identification of superior sequences and reduce the search space by the proposed algorithm. On the other hand, there are many types of multi-objective optimization algorithms, and an algorithm that has high accuracy and speed in identifying the Pareto front should be selected. In this regard, nine common multi-objective algorithms were investigated in two stages, and the NSGA-II algorithm was selected as the appropriate method for the analysis of 17 simple and complex arrangements of the distillation column. In order to reduce the total computing time in the first stage, two shortcut simulation approaches were proposed to reduce the search space, which can reduce the total computing time by 53%. The optimization results indicate that using the complex arrangement of SM7 compared to the simple arrangement of the studied industrial unit, due to improved operating conditions and isolation, will save 17% of TAC and reduce greenhouse gas emissions by 31%.

رويكرد طراحي فرآيند , تحليل جبهه پارتو , چيدمان هاي تقطيري , بهينه‌سازي چندهدفه

Process design approach , Pareto analysis , Distillation configurations , Multi-Objective optimization

Erfan Fathollahi

Dr.Norolah Kasiri