پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر

چکیده موضوع تحقیق: کمبود منابع آب شیرین و رشد شتابان جمعیت، توسعه و به‌کارگیری فناوری‌های نمک‌زدایی کارآمد را به ضرورتی انکارناپذیر برای تأمین پایدار آب شرب و صنعتی تبدیل کرده است. در این راستا، پژوهش حاضر به مدل‌سازی، اعتبارسنجی و ارزیابی فنی–اقتصادی دو فناوری پرکاربرد اسمز معکوس (RO) و تقطیر چندمرحله‌ای (MED) و همچنین ترکیب آن‌ها در قالب گزینه‌های منفرد و ترکیبی می‌پردازد.
روش تحقیق: در بخش مدل‌سازی، اجزای کلیدی هر فرایند شامل پمپ‌ها، مبدل‌های فشاری، واحدهای پیش‌تصفیه و بخش‌های اصلی نمک‌زدایی با دقت بالا و بر اساس روابط ریاضی معتبر شبیه‌سازی شده‌اند. داده‌های نرم‌افزار WAVE و اطلاعات میدانی واحدهای صنعتی موجود برای کالیبره کردن و اعتبارسنجی مدل‌ها به کار رفته تا نتایج حاصل از شبیه‌سازی به شرایط واقعی نزدیک شود. چهار پیکربندی مختلف شامل RO، MED، RO-MED و MED-RO تحت شرایط خوراک یکسان (۵۰,۰۰۰ مترمکعب در روز، شوری ۳۰,۰۰۰ بخش در میلیون) و محدودیت‌های عملیاتی مشخص مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتند. شاخص‌های ارزیابی شامل کیفیت محصول نهایی، میزان بازیابی آب، مصرف انرژی الکتریکی و حرارتی و هزینه ویژه تولید آب بودند.
نتایج اصلی: نتایج نشان داد که در مقایسه چهار گزینه منفرد و ترکیبی RO و MED، سامانه RO منفرد با هزینه ویژه آب 0.386 دلار بر مترمکعب اقتصادی‌ترین گزینه بود و نسبت به MED، RO-MED و MED-RO به‌ترتیب ۳۸ درصد، ۱۹ درصد و ۵۸ درصد هزینه کمتری داشت. در مقابل، کیفیت آب تولیدی آن به‌ترتیب ۹۳ درصد، ۴۲ درصد و ۴۷ درصد پایین‌تر بود. تحلیل حساسیت نیز نشان داد که افزایش قیمت برق هزینه RO منفرد را تا ۷۸ درصد افزایش می‌دهد، درحالی‌که افزایش هزینه سوخت در MED رشد هزینه‌ای تا ۸۵ درصد ایجاد می‌کند. همچنین، تغییر نرخ بهره بیشترین اثر را بر MED-RO داشت و هزینه آن را تا ۴۰ درصد افزایش داد. علاوه بر موارد فوق سامانه‌ ترکیبی RO-MED گزینه‌ای اقتصادی در برابر گزینه‌های موجود و درعین‌حال تضمین‌کننده آب باکیفیت است. این نتایج تأکید می‌کند که انتخاب فناوری بهینه وابسته به شرایط محلی از جمله قیمت انرژی، دسترسی به گرمای اتلافی و الزامات کیفی محصول است.

چکیده موضوع تحقیق: طراحی فرایندهای شیمیایی یکی از ارکان اصلی توسعه صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است. پیچیدگی‌های ذاتی فرایندهای شیمیایی و چندبعدی بودن طراحی آن‌ها، پروژه‌های طراحی مهندسی را به همکاری بین رشته‎ای تبدیل کرده است. علاوه بر چالش‌های طراحی فرایندهای شیمیایی، همگام‌سازی و هموارسازی همکاری بین حوزه‌های مختلف مهندسی جزو چالش‌های اصلی پروژه‌های طراحی هستند. حضور مهندسان طراح فرایند، به‌عنوان تخصصی از مهندسی شیمی با ایفای نقش‌های مختلف، برای حل این چالش‌ها ضروری است.
روش تحقیق: در این مقاله، با تمرکز بر خصوصیات پیچیده سامانه‌های صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، ساختار پروژه‌های طراحی مهندسی از مرحله ایده‌پردازی تا انتهای طراحی و ساخت و عملیات، تحلیل شده است. نقش مهندسان طراح فرایند در بخش‌های مختلف پروژه تبیین و دسته‌بندی شده، با بهره‌گیری از روش‌های مهندسی سامانه‌های فرایندی، چارچوب تصمیم‌گیری آن‌ها مدل‌سازی شده است. برای بهبود تعامل میان‌رشته‌ای و یکپارچه‌سازی داده‌ها، از رویکرد هستی‌شناسانه به‌منظور تعریف مفاهیم بنیادین و استانداردسازی ارتباط بین اجزای مختلف پروژه استفاده شده است. همچنین برای شفاف‌سازی سازوکار تصمیم‌گیری و درک بهتر از چالش‌ها و مراحل طراحی، تمامی ساختارهای اطلاعاتی بصری‌سازی شده، جریان تصمیمات و نقش‌آفرینی مهندسان طراح فرایند ترسیم شده است.
نتایج اصلی: نتایج پژوهش نشان می‌دهد که مهندسان طراح فرایند بر اساس ماهیت و سطح تصمیم‌گیری، میزان تأثیر بر اهداف پروژه، نوع تعامل با سامانه‌های فرایندی و کاربرد ابزارها و فناوری‌ها، در سه سطح تأثیر/دخالت مستقیم، تأثیر/دخالت غیرمستقیم و نظارت بالاسری در موفقیت پروژه‌های طراحی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. نقش مهندسان طراح فرایند و تصمیم‌گیری آن‌ها در مواجه با چالش‌های موجود در پروژه‌های صنایع نفت، گاز و پتروشیمی در بخش‌های مختلف از ایده تا بهره‌برداری، به کمک بررسی خصوصیت‌های سامانه‌های فرایندی، تحلیل شده، نحوه به‌کارگیری این ابزار در تقویت کیفیت تصمیم‌گیری و شناخت از سامانه‌های فرایندی ارائه شده است. ابزارهای نوظهور هوش مصنوعی با فراهم‌سازی امکان مدل‌سازی، شبیه‌سازی، تحلیل داده‌ها و تصمیم‌سازی بهینه، توانسته‌اند اثربخشی تصمیمات مهندسان طراح فرایند را افزایش داده،در کاهش هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه‌ها مؤثر باشند. همچنین به‌کارگیری این ابزارها باعث ارتقای سطح شناخت از سامانه‌های پیچیده و بهینه‌سازی عملکرد در مواجهه با عدم‌قطعیت‌ها شده است.

چکیده موضوع تحقیق: کلر و مشتقات آن به ‌دلیل برخورداری از خواص ویژه، برای تولید طیف وسیعی از مواد در صنایع شیمیایی، پلیمری، کشاورزی، دارویی و بهداشتی استفاده می‌شوند؛ طوری که بیش از نیمی از محصولات بازاریابی‌شده در جهان به ‌طور مستقیم یا غیرمستقیم با صنعت کلر در ارتباط هستند. با توجه به اهمیت این مواد، این پژوهش با هدف تحلیل وضعیت زنجیره کلر در صنعت پتروشیمی ایران و شناسایی نقاط قوت، ضعف و فرصت‌های قابل‌سرمایه‌گذاری در این زمینه انجام شده است.
روش تحقیق: برای بررسی وضعیت تولید داخلی مواد کلردار، میزان ظرفیت‌های اسمی و واقعی تولید شرکت‌های پتروشیمی با استناد به آمار رسمی شرکت ملی صنایع پتروشیمی جمع‌آوری و تحلیل شد. با استفاده از آمار و اطلاعات جمع‌آوری‌شده، کاهش نرخ عملیاتی شرکت‌های پتروشیمی تحلیل شد. همچنین، با استفاده از موازنه جرم بلوکی واحدهای فرایندی، سهم کاربردهای نهایی از میزان مصرف کلر در ایران تعیین و تحلیل شد. برای شناسایی فرصت‌های سرمایه‌گذاری موجود در زنجیره کلر، داده‌های تجاری مواد کلردار بر اساس مستندات گمرک جمع‌آوری و تحلیل شد تا موادی که حجم یا ارزش وارداتی قابل‌توجهی نسبت به سایر مواد دارند، شناسایی و معرفی شوند.
نتایج اصلی: نتایج نشان دادند که عمده کلر ایران در راستای تولید اتیلن‌دی‌کلرید/پلی‌وینیل‌کلرید مصرف شده و سهم این کاربرد از میزان مصرف کلر در صنعت پتروشیمی بالغ بر 91 درصد است. از طرفی، هزینه‌بربودن تعویض واحدهای کلرآلکالی جیوه‌ای با فناوری غشایی که محیط‌زیستی‌تر است و ناتوانی در تأمین خوراک، به‌ ترتیب به ‌عنوان دلایل اصلی کاهش ظرفیت عملیاتی تولید کلر و پلی‌وینیل‌کلرید در کشور شناسایی شدند. با استفاده از آمار تجاری، مواد متیلن‌کلرید، کولین‌کلرید پودری، پلی‌وینیل‌کلرید تعلیقی و امولسیونی، نئوپرن و اپی‌کلروهیدرین به ‌عنوان مواد با حجم و ارزش وارداتی بالا شناسایی شدند که بررسی طرح تولید آن‌ها حائز اهمیت است.

چکیده موضوع تحقیق: بحران رو‌به‌رشد جهانی آب، نیاز به توسعه و پیشرفت فناوری‌های نمک‌زدایی آب را تشدید کرده است. در این راستا، روش‌های حرارتی نمک‌زدایی مانند تبخیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF) و تقطیر چندمرحله‌ای (MED)، در مناطقی که منابع آب شور در مجاورت واحدهای پتروشیمی و پالایشگاهی قرار دارند، گزینه‌های مناسبی محسوب می‌شوند. علت این امر، قابلیت این روش‌ها در بهره‌گیری از منابع انرژی حرارتی کم‌کیفیت، نظیر گازهای دودکش حاصل از فرایندهای صنعتی است.
روش تحقیق: این مطالعه به بررسی و مقایسه عملکرد فناوری‌های MSF و MED در سناریوی بازیافت حرارت از گازهای دودکش می‌پردازد. بدین منظور، یک چارچوب مدل‌سازی ریاضی جامع برای هر دو سیستم توسعه داده شده است که شامل معادلات موازنه جرم و انرژی، سازوکارهای انتقال حرارت و شاخص‌های ارزیابی اقتصادی می‌باشد. به‌منظور اطمینان از قابلیت اعتماد و دقت نتایج، مدل‌ها از طریق مقایسه با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از واحدهای صنعتی مختلف اعتبارسنجی شده‌اند.
نتایج اصلی: نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که فناوری MSF در نرخ بازیافت ۵۰ درصد و با استفاده از گازهای دودکش به‌عنوان منبع حرارتی، دارای هزینه تولید آب در حدود 0.8 دلار به ازای هر مترمکعب است، در حالی‌که فناوری MED تحت شرایط مشابه، هزینه کمتری معادل 0.4 دلار به ازای هر مترمکعب را محقق می‌سازد. همچنین، مصرف ویژه انرژی برای MSF حدود 9/15 کیلووات‌ساعت بر مترمکعب و برای MED حدود 11.3 کیلووات‌ساعت بر مترمکعب محاسبه شده است. انتشار گازهای گلخانه‌ای در سیستم MED در همان سطح بازیافت، حدود 41 درصد کمتر از MSF برآورد می‌شود. از منظر زیست‌محیطی، شدت آلایندگی آب تغلیظ‌شده تولیدی در هر دو فناوری عملاً یکسان است. در مجموع، در چارچوب یکپارچه‌سازی بازیافت حرارت گازهای دودکش، فناوری MED به‌دلیل مصرف انرژی کمتر، هزینه بهره‌برداری پایین‌تر، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و اثرات زیست‌محیطی محدودتر، عملکرد برتری نسبت به MSF از خود نشان می‌دهد. این مطالعه یک چارچوب عددی جامع و اعتبارسنجی‌شده ارائه می‌دهد که می‌تواند مبنایی قابل اتکا برای بهینه‌سازی مبتنی بر شبیه‌سازی سیستم‌های نمک‌زدایی حرارتی با هدف تولید پایدار آب باشد.

چکیده موضوع تحقیق: تحلیل به‌هنگام به کمک ابزارهای دیجیتال، نیازمند دریافت در لحظه داده‌ها از نقاط مختلف فرایندهای شیمیایی صنعتی است. تأخیرهای زمانی در اندازه‌گیری متغیرهای فرایندی ممکن است عملکرد مؤثر راهبرد‌های کنترلی مختلف، پایداری فرایند و کارایی عملیاتی را تحت تأثیر قرار دهد و در نتیجه تحلیل، استخراج اطلاعات و تبدیل آن به تصمیم‌های قابل اجرا در لحظه را غیرممکن ‌کند. فرایند تولید مونومر وینیل‌استات (VAM) به‌عنوان فرایند پیچیده و غیرخطی در صنایع شیمیایی شناخته می‌شود. در این فرایند ترکیب درصد آب در پایین برج تقطیر آزئوتروپیک، یکی از متغیرهای مهم است که توسط دستگاه کروماتوگرافی گازی (GC) با تأخیر زمانی و هزینه زیاد اندازه‌گیری می‌شود. روش تحقیق: حسگرهای نرم به‌طور عمده تخمین به‌هنگام متغیرهایی که اندازه‌گیری آن‌ها دشوار یا غیرممکن است را بهبود می‌بخشند. شبکه‌های عصبی به واسطه قابلیت یادگیری الگوهای غیرخطی و سرعت پیش‌بینی مناسب در توسعه حسگرهای نرم نقش مهمی را ایفا می‌کنند. این پژوهش بر روی توسعه حسگر نرم تطبیقی بر اساس مدل شبکه عصبی پیش‌خور برای تخمین به‌هنگام ترکیب درصد آب در پایین برج تقطیر آزئوتروپیک در فرایند VAM متمرکز است. نتایج اصلی: حسگر نرم ایجاد شده به‌صورت تطبیقی در حضور عیب‌های عملیاتی مختلف به کار گرفته شده است و با خطای MSE=1.1x10-5، رفتار GC را به صورت لحظه‌ای تخمین می‌زند. می‌توان با حفظ دقت پیش‌بینی در پیاده‌سازی تطبیقی حسگر نرم در حضور تغییرات مختلف فرایندی، سازگاری مؤثر این حسگرها را اثبات کرد. این پژوهش قابلیت حسگرهای نرم را به‌عنوان جایگزینی کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای نظارت به‌هنگام در فرایندهای شیمیایی پیچیده را نشان می‌دهد.

چکیده موضوع تحقیق: شناسایی و ارزیابی فرصت‌های سرمایه‌گذاری با در نظر گرفتن کل شبکه واحدهای پتروشیمی ایران در جهت توسعه زنجیره ارزش صنعت پتروشیمی و برای دستیابی به بیشترین ارزش افزوده و استفاده بهینه از منابع نفت و گاز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

روش تحقیق: هدف از انجام این پژوهش ایجاد مدلی ریاضی برای شناسایی و ارزیابی فرصت‌های سرمایه‌گذاری با تحلیل داده‌های فنی و اقتصادی-مالی واحدهای فرایندی فعال در صنعت پتروشیمی ایران است. این ابزار می‌تواند در زمانی محدود و با دقتی قابل‌قبول حجم زیادی از اطلاعات را پردازش کرده، خروجی مطلوب را ارائه دهد. اطلاعات فرایندی مجتمع‌های پتروشیمی شامل واحدهای عملیاتی، میزان تولید و مصرف مواد، فناوری‌های مورد استفاده و قیمت مواد اولیه و محصولات از داده‌های اصلی هستند که مبنای تهیه مدل‌های ریاضی است. علاوه بر واحد‌های فرایندی، متغیر‌های محیطی تأثیرگذار بر سامانه همراه با نحوه اثر‌گذاری آن‌ها بر مدل نیز مدل‌سازی و با شبکه واحد‌های فرایندی یکپارچه شده است.

نتایج اصلی: با ایجاد مدل و انجام فرایند شبیه‌سازی، خروجی‌های مختلف سامانه شامل: تحلیل فنی و اقتصادی-مالی، تخمین هزینه‌های سرمایه‌گذاری واحد‌های فرایندی، تحلیل حساسیت شبکه واحد‌های فرایندی نسبت به عوامل و متغیرهای فنی و اقتصادی مانند قیمت خوراک و محصولات و همچنین ظرفیت عملیاتی واحدهای فرایندی است. به‌منظور اعتبار‌سنجی خروجی‌های شبیه‌ساز، داده‌های واقعی مجتمع پتروشیمی امیرکبیر برای نمونه با خروجی‌های به‌دست‌آمده در شبیه‌ساز مقایسه شد و میزان خطای شبیه‌ساز به‌طور میانگین در برآورد میزان تولید محصولات اصلی3.36درصد و برآورد میزان تولید محصولات جانبی 22 درصد ارزیابی شد. در نهایت مبتنی بر خروجی‌های شبیه‌ساز، شناسایی، ارزیابی و اعتبارسنجی فرصت‌های سرمایه‌گذاری در زنجیره ارزش صنعت پتروشیمی ایران انجام شد که بر این اساس، احداث واحد تبدیل متانول به الفین (MTO) به‌عنوان فرصت سرمایه‌گذاری معتبر در بخش پایین‌دستی زنجیره ارزش متانول معرفی شد.

چکیده ایران کشوری با پتانسیل‌های بالا در دسترسی به انرژی‌های تجدیدپذیر همانند انرژی خورشیدی، آبی، بادی و انواع زیست‌توده است. بیودیزل یکی از سوخت‌های تجدیدپذیری است که همواره به‌عنوان جایگزینی مناسب و پایدار (غیرسمی، ایمن و تجزیه­پذیر) برای سوخت‌های فسیلی مطرح ‌شده است. مرور تجربه کشور های مختلف در زمینه استفاده از منابع خوراکی برای تولید بیودیزل نشان می دهد که استفاده از منابع خوراکی موجب ایجاد معضلاتی از جمله کمبود منابع غذایی برای جوامع انسانی، کمبود خوراک دام‌ها و بر هم خوردن توازن در صنایع غذایی شده و می‌تواند منجر به افزایش چشم­گیر قیمت این منابع شود. بنابراین بسیاری از محققان و پژوهشگران استفاده از منابع غیرخوراکی را به‌منظور رفع معضلات ذکرشده، مطرح کرده‌اند. تاکنون منابع غیر خوراکی بسیار گسترده ای برای تولید بیودیزل شناسایی شده است. در این مقاله، منابع غیرخوراکی بیودیزل که در ایران تولید و یا پتانسیل تولید آن‌ها وجود دارد، معرفی شده و مورد بررسی قرار گرفته و یک مطالعه پتانسیل­سنجی برای آن‌ها ارایه شده است. در اینجا منابع غیرخوراکی بیودیزل در چهار دسته ضایعات کشاورزی، روغن‌های پسماند پخت‌وپز، ریزجلبک‌ها و دانه‌های غیرخوراکی دسته‌بندی می‌شوند و این منابع بر اساس پارامتر های مختلفی همچون درصد روغن موجود، میزان روغن در هر هکتار، راندمان تولید بیودیزل، ویسکوزیته، عدد صابونی شدن و طول دوره کشت مقایسه می گردد، که بر اساس نتایج به دست آمده، دانه‌های غیرخوراکی به خصوص دانه‌های نوروزک، کرچک و گلرنگ به‌عنوان منطقی‌ترین و پایدارترین منابع تولید بیودیزل در ایران، شناسایی شده‌اند. همچنین در کار حاضر به سیاست ها و مشوق هایی که نهاد های متولی می توانند جهت رونق صنعت بیودیزل اعمال نمایند، پرداخته شده است.

چکیده موضوع: هیدروژن زیستی یک منبع انرژی تجدیدپذیر است که استفاده از آن به عنوان سوخت، مزایای اقتصادی و محیط‌زیستی زیادی دارد. کنترل غلظت سوبسترا در واکنشگاه، تاثیر چشم‌گیری بر میزان تولید هیدروژن دارد. فرایند تولید هیدروژن زیستی یک فرایند پیچیده و غیرخطی است که کنترل آن مستلزم به کارگیری روش‌های کنترل غیرخطی است. در این مقاله، به کنترل غلظت سوبسترا در یک واکنشگاه بی‌هوازی تولید هیدروژن با استفاده از روش خطی‌سازی پسخور پرداخته شده است.
روش تحقیق: مدل مورد استفاده برای شبیه‌سازی، یک مدل شناخته شده متشکل از سه متغیر حالت است. کنترل‌کننده پیشنهادی، یک کنترل‌کننده خطی‌سازی‌شده کلی (GLC) است که بر اساس روش خطی‌سازی پسخور (Feedback linearization) طراحی می‌شود. در این روش، سیستم غیرخطی از طریق انتقال دستگاه مختصات، به طور دقیق خطی‌سازی می‌شود. بنابراین، می‌توان سیستم خطی‌سازی شده را با استفاده از یک کنترل‌کننده خطی کنترل کرد. به منظور خطی‌سازی سیستم، با استفاده از مدل ارایه‌شده برای این فرایند و با به کارگیری مفاهیم هندسه دیفرانسیلی یک جبران‌کننده غیرخطی طراحی شده است. در صورت به کارگیری جبران‌کننده غیرخطی، می‌توان از کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی (PI) به عنوان کنترل‌کننده خطی استفاده کرد. عملکرد کنترل‌کننده GLC+PI در کنترل فرایند مذکور، در مقایسه با یک کنترل‌کننده غیرخطی (NC) و یک کنترل‌کننده PI، مورد سنجش قرار گرفته است. عملکرد کنترل‌کننده‌های مذکور با شبیه‎سازی عددی و بر اساس شاخص انتگرال زمان در مربع خطا (ITSE) مطالعه شده است.
نتایج اصلی: نتایج شبیه‌سازی حاکی از این هستند که کنترل غلظت سوبسترا در این فرایند، به طور کلی، باعث افزایش مقدار تولید هیدروژن می‌شود. روش پیشنهادی در این مقاله (GLC+PI) برای کنترل غلظت سوبسترا در واکنشگاه زیستی تولید هیدروژن، در مقایسه با کنترل‌کننده‌های NC و PI، عملکرد بهتری در تعقیب مقدار مقرر دارد. در صورت تغییر 25 درصدی پارامترهای سینتیکی، عملکرد NC مختل می‌شود، اما روش های PI و GLC+PI در برابر این مقدار عدم قطعیت مقاوم هستند. عملکرد مناسب کنترل‌کننده می‌تواند تولید پایدار هیدروژن را تضمین کند. مقایسه نتایج شبیه‌سازی در حالت حلقه‌باز و حلقه‌بسته نشان می‌دهد که کنترل غلظت سوبسترا باعث افزایش 90 درصدی تولید هیدروژن می‌شود.