بخشی از مقاله
بهينه سازي شبکه مبدل حرارتي واحد تفکيک ميعانات گاز طبيعي پتروشيمي بندر امام با استفاده از تکنولوژي پينچ
چکيده :
در اين مقاله به بهينه سازي انرژي در شبکه مبدل حرارتي با استفاده از تکنولوژي پينچ در واحد تفکيک ميعانات گاز طبيعي شرکت پتروشيمي بندرامام پرداخته شده است . بهينه سازي انرژي با استفاده از محاسبات دستي و نرم افزار ٢٠٠٦.٥ ASPEN HX-NET انجام شده است . در ابتدا اطلاعات فرايندي از PFD واحد و همچنين فلو دياگرام مبدل ها استخراج شد. حداقل بار گرمايشي و سرمايشي مورد نياز در حالت ايده آل با استفاده از نمودار آبشاري (cascade) به ازاي ١٠=TMIN∆ دستي محاسبه و با نتايج نرم افزار چک شده و نتيجه آن با ميزان بارگرمايشي و سرمايشي مورد نياز شبکه ي موجود، مقايسه گرديد و همچنين نقطه پينچ بصورت دستي و نرم افزاري محاسبه گرديد. بازاي ٥٨=TMIN∆ و ١٢=TMIN∆ حداقل بار گرمايشي و سرمايشي در حالت ايده آل با نرم افزار محاسبه و با بار گرمايشي و سرمايشي شبکه موجود مقايسه و نقاط پينچ مربوطه مشخص گرديد. سپس هر دو روش تحليل پينچ يعني طراحي از پايه (GRASS ROOT) و همچنين طراحي اصلاحي (RETROFIT) بازاي سه حداقل اختلاف دمايي (١٢ , ١٠ , ٥٨=TMIN∆) انجام شد.
محاسبات اقتصادي مربوط به هزينه هاي عملياتي (انرژي )، هزينه ساخت ، هزينه کل و دوره بازگشت سرمايه انجام گرديد.
١- مقدمه :
در چند دهه اخير با توجه به کاهش منابع انرژي و رشد روزافزون هزينه انرژي ، صرفه جويي در مصرف انرژي جزء برنامه هاي اصلي واحدهاي صنعتي به شمار مي رود. چرا که مصرف بالاي انرژي علاوه بر تحميل هزينه هاي سنگين ، باعث افزايش آلاينده هاي محيطي مي گردد که اين امر با مخالفت شديد سازمان هاي حامي محيط زيست ، مواجه گرديده است . در پي تلاش هاي صاحبنظران براي رفع اين معزل ، روش هاي متعددي پيشنهاد گرديد که از جمله اين روش ها، استفاده بهينه از انرژي تلف شده در فرايند ها مي باشد. در اين راستا مفاهيم متعدد گسترش يافته مورد استفاده قرار گرفت . انتگراسيون فرايند يکي از اين مفاهيم مي باشد. انتگراسيون يا يکپارچه سازي فرايند، مفهوم نسبتا جديدي است که از دهه ٨٠ ميلادي آغاز و در دهه ٩٠ مورد استفاده قرار گرفت تا اينکه بخشي خاص از فعاليت هاي سيستماتيک را که عمدتا مربوط به طراحي فرايند هستد را مورد شرح و بررسي قرار دهد[١].
به طور کلي روشهاي طراحي شبکه مبدل حرارتي در سه دسته قرار مي گيرند:
١- روشهاي تجربي
٢- روشهاي رياضي
٣- روشهاي ترموديناميکي (روش پينچ )
در روش اول ، روش تجربي ، با استفاده از قواعد تجربي و طي چند مرحله تکاملي ، آرايش مناسبي براي شبکه بدست مي آيد. اين روش درعين سادگي ، روش قابل اطميناني محسوب نمي شود و در يک واحد شيميايي پيچيده ، ما را به بهترين طرح ممکن رهنمون نخواهد ساخت [٢].
در روش دوم ، روش رياضي ، که قديمترين روش محسوب مي شود، ابتدا تمام آرايشهاي ممکن براي شبکه مبدلهاي حرارتي ، تعريف شده و به وسيله محاسبات رياضي پيچيده و زمان گير، راندمان واحد در هر حالت ، ارزيابي مي شود و به تدريج گزينه هاي نامناسب حذف مي گردند تا به شکل منتخب نهايي برسيم .
روش سوم ، روش ترموديناميکي (پينچ )، پيچيدگي غيرضروري روش دوم را ندارد و در عين حال قابل اعتماد نيز محسوب مي شود و تاکنون به موفقيتهاي بزرگي نائل آمده است . زيرا مهندسين طراح مي توانند با استفاده از اين روش ، قبل از طراحي نهايي ، حداقل گرمايش و سرمايش مورد نياز فرايند، کمترين سطح موردنياز براي تبادل حرارت و هزينه ها را محاسبه نموده و تلقي درستي از شبکه بهينه نهايي بدست آورند. در ضمن به دليل سادگي و سهولت استفاده ، برخلاف روش دوم ، کنترل طراحي در دست طراح مي باشد و مي تواند در مراحل مختلف ، راسا تصميم گيري و انتخاب نمايد. اين روش متکي بر تجربه و يا آزمون و خطا نمي باشد و به وسيله آن طراحي شبکه آسانتر و با صرف زمان کمتري انجام مي گيرد.
تکنولوژي پينچ نخستين بار در حدود سال ١٩٨٠ براي صرفه جويي در مصرف و ذخيره انرژي ، مورد استفاده قرار گرفت . توسعه و تکميل اين روش به همت محققين مختلف در مراکز دانشگاهي نظير دانشگاه منچستر (انگلستان - UMIST) انجام شده است .
اين تيمها ايده اي را معرفي نموده اند و دوباره استفاده از نمودارهاي مرکب را مطرح کردند. همچنين نشان دادند که چگونه با کمک آنها مي توان دربارة نيازهاي تاسيساتي يک فرايند تصميم گيري کرد. آنگاه يک استراتژي را بر پايه هزينه هاي کلي شبکه ، توسعه دادند و در نهايت پينچ بازيافت حرارتي را براي نخستين بار ارائه نمودند[٢].
پس از آنکه قابليتهاي روش طراحي پينچ در عمل به اثبات رسيد، دامنه کاربرد آن به تدريج گسترش يافت بطوري که اکنون مسائلي همچون رفع گيرها و تنگناهاي واحد، طرحهاي توسعه و افزايش ظرفيت ، حل مشکلات عملياتي ، افزايش قابليت انعطاف واحدهاي عملياتي بويژه بازسازي و اصلاح شبکه مبدلهاي حرارتي را در برگرفته است و امروزه طولاني ترين فهرست
پروژه هاي موفق به اين روش نسبت داده مي شود. بود و لين هوف ، مبتکر تکنولوژي پينچ در سال ١٩٨٤ ضمن اعلام اين مطلب که تکنولوژي پينچ از مراحل ابتدايي خود به عنوان ابزار خاص طراحي شبکه مبدلهاي حرارتي ، گذر نموده و به مرحله بلوغ خود رسيده ، ابراز داشت که اين روش امروز به يک روش کاري کامل بدل شده است و آنرا مي توان براي طراحي سيستمهاي سرمايش و گرمايش و سيستمهاي توليد همزمان برق و گرما، ادغام ستونهاي تقطير از لحاظ حرارتي در مجموعه فرايند موجود در پس زمينه آنها، بهينه سازي کل فرايند و بهينه سازي کل واحد صنعتي نيز بکار گرفت [٢].
نکته مهم ديگر آن است که کاربرد پينچ منحصر به يک و يا چند بخش خاص از مجموعه صنعت نمي شود و تاکنون کاربردهاي متعددي در صنايع مختلف از جمله نفت ، پتروشيمي ، کاغذ و خميرکاغذ، صنايع غذايي ، سيمان ، فولاد، مواد دارويي و نساجي يافته است .
از جمله پر اهميت ترين مقالات در حوزه روش طراحي پينچ مقاله لينهوف و احمد [٣] و همينطور لينهوف و فلاور [٤]
مي باشد. از جمله مهمترين بخش هاي صنعت که با استفاده از روش پينچ مي تواند صرفه جويي قابل توجه داشته باشد صنعت نفت و گاز است . جو و لينهوف [٥] به بررسي استفاده از روش پينچ در اين صنعت پرداختند.
پنجه شاهي و همکاران ، به طور گسترده کاربردهاي روش پينچ را در صنايع مختلف مورد مطالعه قرار دادند و براي بهبود اين روش ، پيشنهادهايي را ارائه نمودند. از جمله مي توان به بهينه سازي سيستم بازيافت انرژي در واحد اسيد سولفوريک در يک مجتمع پتروشيمي [٦] و بهينه سازي شبکه مبدل هاي حرارتي واحد آروماتيک پتروشيمي [٧] اشاره نمود. عميد پور و همکاران نيز مطالعات قابل توجهي در زمينه تحليل پينچ انجام داده اند. از جمله کتاب بهينه سازي انرژي تکنولوژي پينچ توسط عميد پور و گوگل [٨] نگاشته شد. پنجه شاهي و عميد پور [٩] با استفاده از روشهاي تجزيه کلي و جزيي به يکپارچه سازي شبکه مبدل هاي حرارتي با در نظر گرفتن عوامل اقتصادي پرداختند. عميد پور و پولي [١٠] به بررسي تجزيه مساله در انتگراسيون انرژي پرداختند. پولي و پنجه شاهي [١١] به ارائه جزئيات طراحي شبکه مبدل هاي حرارتي پرداختند.
٢- شرح مختصر فرايند واحد:
واحد تفکيک ميعانات گاز طبيعي با ظرفيت ١.٩٠٠.٠٠٠ تن در سال ، شامل دو قسمت مي باشد که بطور موازي کار ميکنند. خوراک اين واحد NGL مي باشد که از مناطق نفتخيز جنوب ، بوسيله خط لوله به مجتمع وارد ميشود. NGL ورودي ابتدا وارد مخازني بنام SURGE DRUM ميشود که تعداد اين مخازن ١٠ عدد ميباشد، در اين مخازن نوسان سيال گرفته ميشود . NGL از اين مخازن بوسيله پمپ به يک مبدل حرارتي وارد شده و پس از تبادل حرارت و گرم شدن وارد برج پروپان زدا ميشود. اين برج در فشار KG.CM2 ٢١~٢٠ کار ميکند و درجه حرارت پائين آن ١٣٠-١٢٧ و درجه حرارت بالاي آن ٤٥ ~ ٤٤ درجه سانتيگراد ميباشد . درجه حرارت اين برج توسط REBOILER کنترل ميشود.
از اين برج دو جريان خارج ميشود جريان OVERHEAD از بالاي برج شامل پروپان ، اتان و متان و جريان
BOTTOM از پائين برج شامل بوتان و ترکيبات سنگين تر.
جريان بالاي اين برج پس از عبور از مبدل حرارتي و تبادل حرارت با آب C.W به مايع تبديل ميشود و مقداري از آن بعنوان REFLUX به برج برگشت داده ميشود و مابقي پس از عبور از مبدلهاي حرارتي ، وارد يک درام شده و ترکيبات سبک آن جدا شده (بعنوان FUEL GAS) و سپس به قسمت شيرين کننده و خشک کننده وارد ميشود و پس از عبور از اين قسمت ترکيبات گوگردي و آب آن گرفته شده و سپس وارد برج اتان زدا ميشود. در اين برج که در فشار 2KG.CM ٢٢~٢١ کار ميکند، اتان و متان از بالاي برج و پروپان از پائين برج از هم جدا ميشوند. درجه حرارت اين برج در قسمت پائين C°٦٣~٦١ و در بالاي برج C°٥-~٢– ميباشد و اين درجه حرارت توسط يک جوشاننده که سيال گرم کننده آن بخار ميباشد کنترل ميشود.
پروپان خروجي از پائين برج پس از عبور از يک مبدل حرارتي ، با آب C.W تبادل حرارت نموده و سپس بعنوان سيال گرم کننده REBOILER برج متان زدا، وارد يک مبدل ميشود و حرارت خود را از دست ميدهد. در اين جا اين محصول به دو انشعاب تقسيم ميشود، يک انشعاب با همين شرايط به قسمت بارگيري تانکرها يا جهت ارسال به واحدهاي UT,LD مورد استفاده قرار ميگرد و قسمت ديگر پس از عبور از چيلرهاي سردکننده تا درجه حرارت C°٣٧– سرد شده و پس از FLASH شدن در قسمت فلاش کمپرسور و سرد شدن تا C°٤٥– جهت ذخيره سازي به مخازن CHECK TANK يا مستقيما" به مخازن ذخيره واحد CF ارسال ميشود.
جريان خروجي از بالاي برج اتان زدا: اين جريان پس از عبور از يک کندانسور وارد يک درام شده و مقداري از آن بعنوان REFLUX به برج برگشت داده شده و مابقي آن جهت تفکيک محصولات اتان و متان از همديگر وارد برج متان زدا ميشود. در در اين برج که داراي فشارKG.CM2 ٢٢ مي باشد قسمت پائين برج ٢~٠ و درجه حرارت بالاي برج ١٣-~١٠– درجه سانتيگراد ميباشد.
جريان خروجي از پائين برج (اتان ) پس از عبور از چند مبدل (بعنوان سيال سردکننده ) گرم ميشود و با فشار 21.5 و درجه حرارت c°٤٥~٣٥ به واحد الفين ارسال ميشود.
حال برميگرديم به جريان پائين برج پروپان زدا که شامل ترکيبات بوتان ، پنتان و هگزان پلاس ميباشد . اين محصول وارد برج بوتان زدا ميشود تا در اين برج بوتان از ساير ترکيبات سنگين جدا ميشود. اين برج در فشار تقريبي ٤.٥ کار ميکند و درجه حرارت قسمت پائين آن C°٩٧~٩٠ و درجه حرارت قسمت بالائي آن C°٥١~٤٧ ميباشد و درجه حرارت آن توسط يک REBOILER کنترل ميشود.
جريان بالاي برج که بوتان ميباشد پس از عبور از يک مبدل حرارتي و تبادل حرارت با آب C.W به مايع تبديل ميشود و پس از تامين جريان رفلاکس برج ، مابقي آن از يک مبدل حرارتي سردکننده ، عبورنموده و به دو شاخه تبديل ميشود. يک شاخه به واحدهاي الفين و UT و شاخه ديگر به سيستم شيرين کننده و خشک کننده وارد ميشود و پس از جدا شدن ترکيبات گوگردي و آب از آن ، از چند مبدل حرراتي عبور نموده و تا درجه حرارت C° ٤-~٣– سرد ميشود و به مخازن CHECK TANK يا بطور مستقيم به مخازن واحد CF جهت ذخيره ارسال ميشود.
جريان پائين برج بوتان زدا که حاوي C٥ و هگزان پلاس ميباشد وارد برج پنتان زدا ميشود تا پنتان از ترکيبات سنگين تر جدا شود اين برج که در فشار ٢~١.٦ کار ميکند درجه حرارت پائين آن C°٨٠~٧٠ و درجه حرارت بالاي آن برابر
C°٥٥~٤٥ ميباشد . از بالاي اين برج پنتان و از قسمت پائين هگزان پلاس خارج ميشود که اين محصولات به واحدهاي الفين و CF ارسال ميشوند.
در شکل شماره ١ نمونه PFFDD واحد تفکيک ميعانات گاز طبيعي پتروشيمي بندر امام نشان داده شده است .
٣-شبکه موجود و هدف گذاري انرژي :
در ابتدا اطلاعات فرايندي از PFD واحد و همچنين فلو دياگرام مبدل ها استخراج شد.١٢ جريان سرد و١٧ جريان گرم در شبکه ، شناسايي شد. سپس جريان ها نام گذاري شده و اطلاعات جريان هاي سرد و گرم به همراه اطلاعات مبدل هاي مربوطه وارد نرم افزار ٢٠٠٦.٥ ASPEN HX-NET شد (جدول ١).
در شکل شماره ٢ نمودار ترکيبي جريان هاي سرد و گرم بازاي ١٠=TMIN∆ نشان داده شده است .
جريان هاي مذکور شامل ٩ عدد مبدل فرايندي ،١٣ عدد کولر و ٥ عدد هيتر مي باشند(جدول ٢).
