بخشی از مقاله
بررسی جامع روش های کاربردی بهینه سازی مصرف انرژی و جلوگیری از هدر رفت آن در برج های تقطیر پالایشگاهی
چکیده
پالایشگاه های نفت یکی از بزرگترین مصرف کننده های انرژی می باشند به طوری که 4 درصد از کل مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص داده اند. همچنین در یک پالایشگاه، حدود 40 درصد از انرژی مورد نیاز در برج های تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد که این امرباعث اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی در این صنایع می گردد. براساس پژوهش های انجام گرفته، پتانسیل بهینه سازی انرژی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی ایران بیش از 20 درصد می باشد و همچنینشدت انرژی در برخی از واحدهای این صنایع، بیش از دو برابر صنایع مشابه در سایرکشورها است. در نتیجه بسیار مهم است که جدیدترین و کاربردی ترین روشهای بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی و نیز راه های کاهش هدر رفت آن در این صنایع مورد بررسی جامع قرار گیرد. د ر این مقاله ضمن گردآوری اکثر مطالعات و پژوهش های معتبر اخیر و نیز بررسی جدیدترین فناوری ها،ابتدا انواع روش های مختلف بهینه سازی انرژی در صنایع نفت و گاز معرفی و مورد بررسی قرار است. سپس روش های عملی و کاربردی بهینه سازی مصرف سوختو انرژی و نیز راه های کاهش اتلاف آن در برج های تقطیر پالایشگاهیو ابزارهای مورد نیاز برای این هدف یعنی تحلیل اگزرژی، فناوری پینچ، ترکیب تحلیل اگزرژی و فناوری پینچ و انتگراسیون حرارتی مورد بررسی شده است . همچنین در این مقاله دو روش از جدیدترین و موثرترین روش های بهینه سازی انرژی در برج های تقطیر یعنی روش EIDiS و روش ITCDiC که می تواند حتی تا میزان 70 درصد باعث صرفه جویی در مصرف انرژی برج های تقطیر شود، معرفی و مورد بررسی قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: بهینه سازی انرژی در برج تقطی ر - تحلیل اگزرژی - فناوری پینچ - انتگراسیون حرارتی - روش های
EIDiS و ITCDiC
-1 مقدمه
بخش صنعت بزرگترین مصرف کننده انرژی در سرتاسر جهان می باشد به طوری که حدود 32 درصد از کل مصرف انرژی را به خود اختصاص داده است. سهم مصرف انرژی صنایع شیمیایی نیز در میان بخش صنعت حدود 30 درصد می باشد .[1] از میان صنایع شیمیایی مختلف، پالایشگاه های نفت یکی از بزرگترین بخش های مصرف کننده انرژی می باشند به طوری 4 درصد از کل مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص داده اند .[2] در ایران نیز صنایع پالایش نفت یکی از بزرگترین مصرف کننده های انرژی می باشند به طوری که 7/3 درصد از کل مصرف انرژی در صنایع و 8/0 درصد از کل مصرف انرژی کشور را به خود اختصاص داده اند .[3]
بحران انرژی در جهان شرایطی را به وجود آورده است که بهینه سازی انرژی و کاهش هدر رفت آن را در صنایع بزرگ به ویژه صنایع پالایش نفت ناگزیر کرده است .[4] هم اکنون اهمیت بهینه سازی مصرف انرژی تا بدانجا است که بهینه سازی انرژی و جلوگیری از هدر رفت آن، خود به عنوان یکی از منابع جدید انرژی در کنار منابع فیزیکی موجود، به حساب آورده می شود .[5] امروزه مصرف بهینه انرژی یکی از مهمترین دغدغه های بشری است. تلاش برای شناسایی و بررسی منابع هدررفت انرژی در حوزه های مختلف صنعت به منظور بهینه سازی آنها، از اهمیت خاصی برخوردار است. در این بین، صنعت نفت، گاز و پتروشیمی و صنایع وابسته به آن، از آنجا که بخش وسیعی از صنعت ایران را شامل میشوند اهمیت ویژه ای دارند .[6] به دلیل تلفات بالای انرژی اولیه، هزینه انرژی مورد استفاده در پالایشگاه قابل توجه است و بهینه سازی جریان انرژی در فرآیندها تاثیر چشمگیری بر اقتصاد پالایشگاه دارد .[7] برای مثال نتیجه یکی از پژوهش ها در رابطه با بهینه سازی مصرف انرژی از طریق بهبود شرایط عملیاتی در پالایشگاه نفت اراک، حاکی از آن بود که با اجرای برخی از راهکارهای ارایه شده، بالغ بر یک میلیون دلار صرفه جویی در سال قابل دسترسی است .[8]
برج تقطیر نفت خام از بزرگترین مصرف کننده های انرژی در پالایشگاه می باشد .[9,10,11,12] در پالایشگاه ها حدود 40 درصد از کل انرژی مورد نیاز، در ستون های تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه مصرف زیاد انرژی، درصد زیادی از هدر رفت انرژی در پالایشگاه نیز مربوط به همین تجهیزات می باشد. بنابراین سیستم تقطیر را می توان به عنوان نخستین هدف برای بهبود راندمان انرژی در یک پالایشگاه در نظر گرفت .[13,14] در ادامه ضمن شرح و توضیح انواع الگوهای کاربردی بهینه سازی انرژی در صنایع نفت و گاز و ابزارها و فناوری های مورد نیاز آن، جدیدترین روش ها و فناوری های بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی و جلوگیری از هدر رفت آن در برج های تقطیر پالایشگاهی بررسی می شود.
-2 انواع الگوهای معمول بهینه سازی انرژی در صنایع نفت و گاز
به طور کلی پژوهش در رابطه با بهینه سازی مصرف انرژی در صنایع نفت و گاز از جمله در پالایشگاه ها، پتروشیمی ها و یا حتی سایر صنایع شیمیایی را می توان به یکی از روش های زیر انجام داد:
-2-1 بهینه سازی انرژی برای یک نوع خاص از تجهیزات موجود در صنایع نفت و گاز
در این روش یکی از تجهیزات مورد استفاده در صنایع نفت و گاز انتخاب شده و راهکارها و روش های بهینه سازی و افزایش بازده انرژی در آن مورد بررسی و پژوهش قرار میگیرد. برای مثال بهینه سازی مصرف انرژی در کوره های پالایشگاهی
[15,16,17,18,19]، بویلرهای پالایشگاهی [20]، برج های خنک کن پالایشگاهی [21] مبدل های حرارتی [22,23]، سیستم بخار و تله های بخار پالایشگاه یا پتروشیمی [4,24,25,26,27] و غیره.
-2-2 بهینه سازی انرژی برای یک واحد عملیاتی خاص
در این روش یکی از واحد های عملیاتی پالایشگاه، پتروشیمی و یا سایر صنایع وابسته به نفت و گاز، به عنوان هدف برای بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی در نظر گرفته می شود و سپس روش ها و راهکارهایی که باعث بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی در آن می شود مورد ارزیابی تحلیل و مقایسه قرار می گیرد. مانند بهینه سازی مصرف انرژی در واحد تبدیل گاز طبیعی به سوخت های مایع [28] (Gas to Liquid)، واحد جداسازی گاز [29] (Gas Sepration Plant)، واحد شکست کاتالیستی سیال [30] (Fluid Catalytic Cracking)، واحد اسیدهای آلی [31] ( Organic Acid Plant)، واحد تصفیه اتان [32] واحد شیرین سازی گاز طبیعی [21] واحد آیزوماکس [33] واحد تولید انیدرید فتالیک [34] و غیره.
-2-3 بهینه سازی انرژی در کل یک پالایشگاه و یا پتروشیمی
در این روش افزایش بازده انرژی و بهینه سازی در مصرف سوخت و انرژی و راه های جلوگیری از اتلاف آن در کل پالایشگاه یا پتروشیمی بررسی می شود. برای مثال راجر و همکاران [35]، میلر [36]، افشار و همکاران [37]، آزاده و همکاران [38]، میهن روستا و همکاران [39] و صفری و همکاران [7] بهینه سازی مصرف انرژی را در پالایشگاه های نفت و گاز مورد ارزیابی و پژوهش قرار داده اند. ژینیو و همکاران [40]، انمین و همکاران [41]، اویلا و همکاران [42] و حاجی محمدی و همکاران [5] راهکارهای بهینه سازی انرژی را در صنایع پتروشیمی مورد مطالعه قرار داده اند.
-3 بهینه سازی انرژی در برج تقطیر
تقطیر یکی از روش های جداسازی است که به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می گیرد .[43,44] بهینه سازی و اصلاح ساختار برج های تقطیر برای بالا بردن بازده انرژی کار پیچیده ای است. تعداد بسیار زیادی از طرح ها شامل تعداد سینی ها، جریان های برگشتی، محل های ورود خوراک و بویلرها و چگالنده های جانبی مختلف و گوناگون به صورت ترکیبی تاکنون توسط پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته است .[45] معمولا تحلیل بهینه سازی برج های تقطیر بر مبنای روش های ترمودینامیک محور انجام می پذیرد که در ادامه به شرح و توضیح هر یک پرداخته می شود.
-3-1 تحلیل اگزرژی
یک از روش های ارزیابی عملکرد یک پالایشگاه نفت خام، تحلیل اگزرژی (یا اکسرژی) می باشد. هدف از چنین تحلیلی، بهبود کلی مصرف انرژی در واحدهای مختلف پالایشگاه می باشد .[46] منظور از تحلیل اگزرژی، مشخص نمودن تلفات اگزرژی در یک فرایند است، که ناشی از برگشت ناپذیر بودن آن فرایند می باشد که این شناسایی در جهت کاهش مصرف انرژی یا کاهش میزان مواد زائد تخلیه شده به محیط منجر گردد .[47] در واقع اگزرژی ماکزیمم کاری را که توسط جرم یا سیال می تواند نسبت به اگزرژی صفر یا شرایط حالت مرگ کامل انجام گیرد، محاسبه می نماید .[48] مقدار اگزرژی یک جریان را می توان به کمک خواص جریان (ترکیب درصد، دما و فشار) آن محاسبه نمود. اتلاف اگزرژی معیاری از راندمان ترمودینامیکی یک فرایند را در اختیار ما قرار می دهد. هر چه اتلاف اگزرژی کمتر باشد راندمان ترمودینامیکی فرایند بالاتر و مقدار انرژی مورد نیاز آن کمتر خواهد بود .[14] آنالیز اگزرژی شامل دو مرحله اساسی است، مرحله اول شناسایی و بررسی فرآیندهای نامطلوب ترمودینامیکی سیستم بر پایه تعیین اتلافات اگزرژی و سپس تلاش جهت به حداقل رساندن این اتلافات می باشد .[49] اتلاف اگزرژی در یک فرآیند شامل اتلاف اجتناب پذیر و اجتناب ناپذیر می باشد. اتلاف اگزرژی اجتناب ناپذیر
در یک فرآیند، حداقل اگزرژی است که از نظر فنی و اقتصادی غیر قابل صرف نظر کردن می باشد .[50] پس باید توجه داشت که در بهینه سازی انرژی با استفاده از تحلیل اگزرژی، تنها می توان اتلاف اگزرژی اجتناب پذیر را کاهش داد.
با تحلیل اگزرژی برج تقطیر می توان عواملی را که باعث اتلاف اگزرژی می شوند مشخص کرد و راهکارهایی جهت کاهش این اتلافات اگزرژی جست و جو کرد. برای مثال در یک پژوهش، پس تحلیل اگزرژی برج تقطیر واحد پالایشگاهی سرخس، برای کاهش اتلافات اگزرژی، استفاده از یک پمپ جانبی بین سینی های 7 و 9 پیشنهاد شده است که این راه حل باعث توزیع نیروی محرکه یکنواخت تر در برج خواهد شد. با استفاده از این پمپ، اتلاف اگزرژی در سینی خوراک در حدود 2/2 درصد، اتلاف اگزرژی کلی برج 5/2 درصد، بار حرارتی جوش آور 2/2 درصد و همچنین میزان واحدهای پشتیبانی سرد مصرفی در حدود 6/48 کاهش پیدا کرده است. برای بررسی این اتلاف اگزرژی در این برج تقطیر از نرم افزار شبیه ساز Aspen Plus استفاده شده است .[47] در بررسی برج تقطیر در اتمسفر پالایشگاه تبریز از دیدگاه تحلیل اگزرژی در راستای کاهش مصرف انرژی ، با تغییراتی در دو جریان منشعب شده از یکی از پمپهای چرخنده برج و کاهش شدت جریان یکی از آنها و افزایش شدت جریان دیگری به همان میزان و در نتیجه تغییرات دمایی ایجاد شده در دو جریان مذکور، 12/8 درصد از افت اگزرژی کاسته شد. در مرحله بعد با تغییر در شرایط خوراک ورودی و وارد کردن بخار بالای ظرف تبخیر ناگهانی به سینی هم دما، و تغییرات جدید در جریانهای منشعب شده از پمپهای چرخنده، کاهش افت اکسرژی تا 18 درصد حالت اولیه حاصل شد .[51] ختی می توان تحلیل اگزرژی را به برج تقطیر برای تک تک سینی های برج انجام داد و بدین ترتیب نقش هر یک از سینی ها در تلفات کلی برج مشخص شود. شهرکی و همکاران [52] با مطالعه هدر رفت انرژی در برج نقطیر به چنین روشی، تلفات سینی به سینی اگزرژی را در برج تقطیر محاسبه کردند.
-3-2 فناوری پینچ
یکی از بهترین روش ها برای افزایش راندمان مصرف انرژی و کاهش اتلاف حرارتی در صنایع مختلف فناوری پینچ می باشد .[53,54] یکی از نقاط قوت فناوری پینچ، هدف گذاری قبل از طراحی است .[33] در بهینه سازی برج تقطیر با استفاده از فناوری پینچ، در صورتی که برج تقطیر در بالای نقطه پینچ قرار گرفته باشد شرایط بهینه را از نظر مصرف انرژی دارا می باشد. نرم افزارهایی از قبیل [22] Aspen pinch و [55] Aspen Hx-Net و غیره قادر به انجام محاسبات پینچ هستند.
برای مثال در یک پژوهش، دارا بودن شرایط بهینه از نظر مصرف انرژی در برج تقطیر شمالی پالایشگاه نفت تهران با استفاده از فناوری پینچ مورد برای ارزیابی قرار گرفت، که با قرار گرفتن برج تقطیر در بالای نقطه پینچ، تایید شد که برج دارای شرایط بهینه ای از نظر مصرف سوخت است .[56]
-3-3 ترکیب فناوری پینچ و تحلیل اگزرژی
فناوری پینچ تنها به تحلیل حرارتی سیستم ها پرداخته و قادر به بررسی توان یا کار محوری نمی باشد .[22,53] در نتیجه باید از یک ابزار جانبی برای تقویت آن استفاده نمود. روش تحلیل اگزرژی نیز با آنکه به خوبی قادر است منابع اتلاف را در یک سیکل ترمودینامیکی شناسایی کند، اما هیچ گونه راه حل عملی برای کاهش اتلافات ارائه نمی دهد، در نتیجه می توان به اهمیت روش های ترکیبی پینچ و اگزرژی پی برد .[54] برای مثال واحد سردسازی آمونیاک [53] و یا واحد الفین [22] (که سیکل تبرید اتیلن و پروپیلن بخش عمده ای از یوتیلیتی مصرفی واحد الفین را تشکیل می دهد) را می توان ذکر کرد که می بایست از ترکیب فناوری پینچ و تحلیل اگزرژی برای مطالعه بهبود بازده انرژی در آنها استفاده شود.
ترکیب فناوری پینچ و تحلیل اگزرژی برای بهینه سازی برج های تقطیر نیز قابل انجام است. آذرنوش و همکاران [10] با استفاده از تحلیل پینچ – اگزرژی، کاهش مصرف انرژی در برج تقطیر را مورد مطالعه قرار دادند. تغییر در جریان برگشتی، تغییر شرایط حرارتی خوراک و استفاده از پمپهای جانبی نتایجی بودند که از تحلیل پینچ – اگزرژی حاصل گردید.
