بخشی از مقاله
خلاصه
سیستم آبشیرینکن تقطیر چند مرحلهای با تراکم بخار حرارتی یکی از سیستمهای تولید آب شیرین بر پایهی نمکزدایی تقطیری میباشد. این نوع آب شیرینکن یکی از مناسبترین و اقتصادیترین انواع آبشیرینکن برای ظرفیتهای کم تا زیاد برای آب دریا و آب لبشور میباشد که در آن تبخیر و تقطیر در خلا و دمای پایینتر از 70 C انجام میشود. در این تحقیق مدل ریاضی در شرایط پایا برای سیستم آبشیرینکن تقطیر چند مرحلهای با تراکم بخار حرارتی با ظرفیت 2400 m3day-1 در نیروگاه حرارتی بندرعباس به منظور ماکزیمم کردن آب شیرین تولیدی و مینیمم کردن نرخ تخریب اکسرژی کل با الگوریتم ژنتیک ارائه شده است.
تحلیل اکسرژی نشان میدهد که ترموکمپرسور و افکتها منابع اصلی تخریب اکسرژی - بیش از - %80 در سیستم میباشند. تحلیل پارامتری برای بررسی اثر پارامتر کلیدی، دمای افکت اول نشان میدهد که با افزایش دمای افکت اول تخریب اکسرژی کل سیستم افزایش مییابد. با استفاده از الگوریتم ژنتیک دو هدفه مقادیر بهینه آب شیرین تولیدی نسبت به شرایط عملیاتی در تابستان % 17.37 افزایش و نرخ تخریب اکسرژی کل سیستم % 8.18 کاهش پیدا کرده است.
واژههای کلیدی: آب شیرینکن، تقطیر چند مرحلهای، اکسرژی، بازگشتناپذیری، الگوریتم ژنتیک
.1 مقدمه
نمکزدایی یکی از روشهای تولید آبشیرین از آب شور میباشد که بر مبنای جداسازی آب و نمک و دیگر مواد جامد غیرقابلحل در آب صورت میگیرد. یکی از روشهای نمکزدایی، فرآیندهای حرارتی توام با تغییر فاز هستند که بر اساس تبخیر و تقطیر عمل میکنند. این فرآیندها با توجه به حرارت تبخیر بالای آب به میزان قابل توجهی انرژی نیاز دارند. از جمله عمده سیستمهای آبشیرینکن که به روش تقطیر عمل میکنند عبارتند از: سیستم تقطیرچندمرحلهای - MED - 1، سیستم تبخیر ناگهانی - MSF - 2، سیستم تقطیر چندمرحلهای به همراه تراکم بخارحرارتی - MED-TVC - 3 و سیستم تقطیر چندمرحلهای به همراه تراکم بخار مکانیکی. - MED-MVC - 4
در حال حاضر برای شیرینسازی آب در مقیاس بزرگ از این روشها به تنهایی یا به صورت ترکیبی استفاده میشود.[1] در میان سیستمهای آبشیرینکن حرارتی سیستمهای روش تقطیر چندمرحلهای از نظر ترمودینامیکی کارآمدترین فرآیند تقطیر حرارتی است. از مزایای این نوع آبشیرینکن دمای کارکرد پایین آن است و همچنین مصرف انرژی آبشیرینکن MED در مقایسه با نوع MSF پایینتر میباشد.[2-4] آنالیز ترمودینامیکی سیستم MED-TVC براساس قانون اول و دوم ترمودینامیک انجام میشود. قانون اول یک ابزار مهم در ارزیابی عملکرد کلی سیستم میباشد. اما با استفاده از آنالیز ترمودینامیکی بر اساس قانون دوم که با عنوان تحلیل اکسرژی شناخته شده است میتوان نقاط هدررفت و میزان انرژی را شناسایی کرد.
تحقیقات بسیاری در زمینهی مدلسازی ترمودینامیکی سیستمهای آبشیرینکنهای حرارتی صورت گرفته است. الدسوکی و اتونی[5] با ارائه الگوریتمی برای شبیهسازی فرآیند در حالت پایا، تمام سیستمهای حرارتی تقطیری را از نظر عملکرد و سطوح انتقال حرارت بررسی و مقایسه کردند.نتایج تحقیق آنها، برای افزایش دمای بخار ورودی، کاهش نسبت عملکرد را پیشبینی میکند.گین کوپلیس مدل سادهای از آبشیرینکن تقطیر چند مرحلهای را ارائه داد. این مدل با استفاده از پارامترهای طراحی که شامل ابعاد اثر، سطح انتقال حرارت، پروفیل درجه حرارت و نسبت عملکرد است را مدل سازی کرد.[6]
بن عامر با بسط یک مدل ریاضی برای سیستم آبشیرینکن تقطیر چند مرحلهای همراه با تراکم بخار حرارتی و با استفاده از آنالیز انرژی و اکسرژی به محاسبه و بهبود عملکرد سیستم واحدهایی با ظرفیتهای 2.4، 3.8 و 6.5 میلیون گالن امپریال در روز - MIGD - 1 پرداخته است. نتایج بدست آمده نشان داده است که بیشترین تخریب اکسرژی در اولین افکت اتفاق میافتد و با افزایش تعداد افکت تخریب اکسرژی کاهش پیدا میکند.[7]چوی و همکاران آنالیز اکسرژی برای واحدهای آزمایشی MED-TVC که توسط شرکت صنایع سنگین هیوندای توسعه داده شده است را ارائه دادهاند. واحدها دارای ظرفیتهای 1، 2.2، 3.5 و 4.4 میلیون گالن امپریال در روز میباشند. آنالیز اکسرژی نشان داد که بیشترین تلفات اکسرژی مخصوص در ترموکمپرسور و افکتها میباشد.[8]
حامد و همکاران عملکرد یک سیستم آبشیرینکن MED-TVC را مورد ارزیابی قرار دادند. آنالیز اکسرژی این نوع سیستم و مقایسهی آن با سیستمهای آبشیرینکن جوشش چندمرحلهای - MEB - و تراکم بخار مکانیکی - MVC - را انجام دادند. نتایج نشان داد که سیستمهای MED-TVC بازده اکسرژی بیشتری نسبت به دیگر سیستمها دارند.[9]الناجم و همکاران سیستم MED-TVC تک افکت را بر اساس قانون اول و دوم ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند. مطالعات نشان داد اژکتور بخار و اواپراتورها منابع اصلی تخریب اکسرژی در سیستم آبشیرینکن MED-TVC میباشند.[10]
در این تحقیق یک مدل ریاضی برای سیستم آبشیرینکن MED-TVC با استفاده از نرمافزار ایز - EES - 2 ارائه شده است و نتایج مدل با اطلاعات واقعی یک واحد با ظرفیت 2400 m3day-1 در نیروگاه حرارتی بندرعباس صحتسنجی شده است و با استفاده از آنالیز اکسرژی تخریب ناشی از بازگشتناپذیریها در زیرسیستمها و جریانهای خروجی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از الگوریتم ژنتیک دو هدفه در نرم افزار ایز بهینهسازی صورت گرفته است. توابع هدف مورد مطالعه، ماکزیمم کردن آب شیرین تولیدی و مینیمم کردن نرخ تخریب اکسرژی کل میباشند.
.2 چرخه فرآیند
شکل 1 طرح سیستم آبشیرینکن MED-TVC مورد مطالعه را نشان میدهد. این سیستم از پنج اواپراتور - افکت - 1، یک کندانسور، یک عدد ترموکمپرسور به گردش درآورندهی بخار، یک عدد دیسوپرهیتر، تشکیل شده است.مبنای تولید آب شیرین در این سیستم تبخیر و تقطیر آب دریا در خلاء میباشد که این امر توسط اژکتورها انجام میشود.بخار سوپرهیت از بویلر وارد سیستم شده و حین عبور از ترموکمپرسور، بخشی از بخار مرحلهی آخر را که دارای کمترین فشار است، مکش کرده و پس از اختلاط با بخار ورودی با پاشش آب در دیسوپرهیتر به بخار اشباع تبدیل میشود و به عنوان تأمینکنندهی انرژی، وارد لولههای افقی دسته لوله اول میشود.
آب دریا از طریق نازلهای مخصوص به صورت فیلمی ریزشی بر روی لولههای افقی در افکتها پاشیده میشود و توسط بخار وارد شده به داخل لولههای هر افکت، تبخیر میگردد. بخار واردشده به مجموعه لولههای افکت اول انرژی حرارتی خود را به آب دریا منتقل نموده و خود درون لولهها تقطیر میگردد. بخشی از آب تغذیه ورودی به عنوان پساب از افکت خارج میشود و بخار تولید شده ناشی از تبخیر آب دریا پس از عبور از قطرهگیرها2 و جدا شدن قطرات آب که حامل املاح میباشند به درون لولههای افکت بعدی رفته و پس از انتقال انرژی حرارتی به آب شور پاشیده روی لولههای این افکت و تولید بخار، خود درون لولههای تقطیر میگردد، که با آب تولید شده از افکت قبلی جمع شده و به سمت افکت بعد حرکت میکند.
این فرآیند تا آخرین افکت ادامه پیدا میکند. بخار تولید شده در آخرین افکت پس از ورود به کندانسور به دو بخش تقسیم میگردد. بخشی از آن که توسط ترموکمپرسور، مکش شده است، بخش دیگر بخار تولیدی ضمن پیشگرم کردن آب دریا که درون لولههای کندانسور در حال حرکت میباشد، تقطیر شده و به عنوان آخرین بخش آب شیرین تولید شده به آب شیرین تولیدی از مراحل قبل متصل میشود.
.3 مدلسازی و آنالیز سیستم
جهت تحلیل سیستم بر اساس قانون اول و دوم ترمودینامیک از یک مدل ریاضی برای سیستم آبشیرینکن MED-TVC استفاده شده است. این مدل با اعمال قوانین بقای جرم و انرژی برای ترموکمپرسور، افکتها، کندانسور و دیسوپرهیتر ارائه شده است.[5] به منظور سادهسازی آنالیز سیستم فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
-1 فرآیند به صورت پایا میباشد.
-2 از اتلاف حرارت به محیط صرفنظر شده است .
-3 آب تولیدی در هر مرحله فاقد نمک میباشد.
-4 اختلاف دمای بین افکتها یکسان و برابر در نظر گرفته شده است.
