بخشی از مقاله
چکیده
نگهداري ال ان جی در فشار اتمسفر، مستلزم نگه داشتن آن در دمایی زیر دماي تبخیر آن است و لذا یکی از مهمترین موارد طراحی این نوع مخازن، طراحی حرارتی آن به نحوي است که میزان تبخیر روزانه مخزن، کمتر از مقدار مجاز باشد. با توجه به عدم قطعیت در تعیین ضریب انتقال حرارت هدایتی عایق هاي مورد استفاده در این مخازن و همچنین متغیر بودن سرعت باد، که تأثیر مستقیمی بر میزان انتقال حرارت همرفتی مخزن دارد، روش هاي مبتنی بر طراحی احتمالاتی1 جهت تخمین مقدار بخار تولیدي در این مخازن بسیار مناسب است. بر این اساس، در این تحقیق، ابتدا یک مدل هندسی در نرم افزار انسیس تولید شده و سپس میزان انتقال حرارت در شرایط کاري میانگین محاسبه گردیده است.
در نهایت با استفاده از روش شبیه سازي مونت کارلو جهت در نظر گرفتن عدم قطعیت پارامترهاي موثر، طراحی احتمالاتی صورت گرفته است. نتایج این تحلیل شامل تعیین حساسیت میزان نفوذ حرارت در مخزن بر اساس هر کدام از پارامترها و نیز دامنه تغییرات میزان تبخیر2 می باشد. بر این اساس، به کمک نتایج حاصل از تحلیل حساسیت، طراحی بهینه و اقتصادي عایقها انجام شده است. همچنین با تعیین دامنه تغییرات نرخ تبخیر، دامنه عملکردي واحد سرمازا3، که چگالش بخارات خروجی از مخزن و بازگرداندن آن به مخزن را بر عهده دارد، و به تبع آن، ظرفیت بهینه و اقتصادي کمپرسور این واحد مشخص شده است.
واژه هاي کلیدي :نرخ تبخیر، ال ان جی، طراحی احتمالاتی، شبیه سازي مونت کارلو
مقدمه
از جمله محصولات صنایع پتروشیمی، میعانات گازي همچون پروپان، پروپیلن، آمونیاك، اتیلن و ال ان جی می باشد. ذخیره سازي این محصولات در حجم هاي کمتر از 2000 تن، معمولاً با افزایش فشار آنها در دماي محیط و با استفاده از مخازن تحت فشار انجام می شود. با افزایش حجم ذخیره سازي مورد نیاز، به دلیل افزایش ضخامت مورد نیاز براي مخزن، عملاً امکان ذخیره سازي با افزایش فشار وجود ندارد و تنها راه، ذخیره سازي در فشار اتمسفر و در دمایی پایین تر از دماي جوش محصول می باشد که این امر نیز مستلزم استفاده از عایق هاي برودتی و همچنین سیستم سرماساز در کنار مخزن است.
با وجود استفاده از عایق هاي مختلف در این مخازن، پس از رسیدن مخزن به تعادل حرارتی با محیط، انتقال حرارت از محیط اطراف به مخزن باعث بخار شدن درصدي از محتویات مخزن می شود. طبق استاندارهاي طراحی این مخازن، حد مجاز میزان تبخیر محصول درون مخزن، % 0,05 محتویات مخزن است]١.[ میزان تبخیر با گرماي نهان تبخیر و همچنین دماي جوش محصول نسبت عکس دارد. در محصولاتی همچون اتیلن که گرماي نهان تبخیر نسبتاً کمی دارند، انتخاب جنس و ضخامت عایق ها نسبت به موادي همچون آمونیاك با گرماي نهان تبخیر حدود سه برابر، از حساسیت بیشتري برخوردار است. این حساسیت در مورد ال ان جی که تقریبا برابر با اتیلن و دماي جوش آن تقریباً 60 درجه سانتی گراد از اتیلن کمتر است، اهمیت دو چندانی می یابد.
پراکندگی حاکم بر پارامترهاي مؤثر در طراحی حرارتی مخزن ال ان جی، منجر به متغیر بودن میزان تبخیر می شود. از آنجایی که بخارات مخزن در واحد سرماساز به مایع تبدیل شده و دوباره به مخزن برگردانده می شود، ظرفیت مورد نیاز کمپرسور واحد سرماساز نیز به تبع این تغییرات، دستخوش تغییر می شود.در این تحقیق با مدلسازي یک مخزن 18000 تنی ال ان جی، با در نظر گرفتن تغییرات ضرایب انتقال حرارت هدایتی عایق ها و همچنین تغییرات سرعت باد که منجر به تغییر ضریب انتقال حرارتی همرفتی روي جداره مخزن می شود، پراکندگی حاکم بر میزان تبخیر بررسی شده و همچنین تحلیل حساسیت میزان تبخیر نسبت به هرکدام از متغیرها انجام شده است.
شرح مسئله
پس از تبدیل ال ان جی از حالت گاز به مایع با افزایش فشار آن، ذخیره سازي در مخزن با فشار اتمسفر انجام می شود. نگهداري ال ان جی در فشار اتمسفر منجر به تبخیر آن می شود که با عایق کردن مخزن، تا جایی که از لحاظ اقتصادي به صرفه باشد از این امر جلوگیري می شود. حد مجاز بخار روزانه معمولاً % 0,05 مایع درون مخزن است. این بخارات به واحد سرماساز منتقل شده و پس از مایع سازي دوباره به مخزن بازگردانده می شوند. شکل 1 ارتباط بین این اجزا را به صورت شماتیک نمایش می دهد.
جریان باد بر روي جداره و سقف مخزن باعث انتقال حرارت همرفتی می شود. در رابطه با کف مخزن، با توجه به امکان یخ زدن خاك زیر مخزن4 لازم است که فونداسیون مخزن بوسیله سیستم گرمایشی، گرم شود و یا اینکه مخزن بالاتر از سطح زمین ساخته شود که با توجه به هزینه بهره برداري کمتر در نوع دوم، با وجود هزینه بیشتر در زمان ساخت، معمولا مخازن سرد بر روع شمع ساخته می شوند.در این حالت، فضاي خالی بین فونداسیون و زمین، امکان انتقال حرارت همرفتی را فراهم می کند. - شکل - 2 در قسمت مرکزي کف مخزن از فوم گلاس استفاده شده است. در قسمتهاي حلقوي کف مخزن علاوه بر خاصیت عایق بودن، به دلیل نیاز به استحکام فشاري مکانیکی بیشتر جهت تحمل وزن بدنه و سقف، از پرلیت بلاك که ترکیبی از بتن و پرلیت می باشد، استفاده می شود. عایق بدنه از فوم تزریقی پلی اورتان5 و عایق روي سقف آویزان از پشم سنگ6 می باشد. اکثر عایقهاي حرارتی بسیار متخلخل هستند و از حفره هایی تشکیل شده اند که حدود 90 درصد حجم آنها را تشکیل می دهد. این حفره
- ها، حاوي هوا و در برخی از عایق ها حاوي گازهاي بی خطري همچون دي اکسید کربن هستند. انتقال حرارت هدایتی این عایق ها از دید ماکروسکوپی به دلیل انتقال حرارت هدایتی بین گاز و جامد، انتقال حرارت همرفتی هواي حفره ها و تشعشع حفره هاست. از دید ماکروسکوپی، این ضریب به نوع عایق، چگالی آن، میزان آب، ضخامت و عمر آن بستگی دارد. از دید میکروسکوپی، فاکتورهایی همچون ابعاد حفره، قطر و نحوه چینش رشته ها و ذرات، نوع و فشار گاز درون حفره ها نقش آفرینی می کنند. رابطه - 1 - نمایانگر ارتباط بین ضریب انتقال حرارت هدایتی با چگالی، میزان آب و دماي کارکرد است.[2] بر اساس آزمایشاتی که بر روي برخی از عایق ها در دماي 10 درجه سانتی گراد و با چگالی هاي مختلف انجام شده است، روابط تجربی
- 2 - و - 3 - استخراج شده است.[2]
مقدار میانگین و انحراف استاندارد مربوط به عایق هاي فوم گلاس، پلی اورتان فوم و پشم سنگ بر اساس داده هاي مرجع [2] در نظر گرفته شده اند. با توجه به اینکه این اطلاعات در دماي 10 درجه سانتی گراد است، طبق رابطه - 4 - و با استفاده از ضریب [3] Tref، داده هاي نهایی مورد استفاده طبق جدول 2 می باشد.*اطلاعات مربوط به پرلیت بلاك از نتایج سایر سازندگان استخراج شده است. عدم قطعیت ناشی از تغییرات سرعت باد موجب عدم قطعیت ضریب انتقال حرارت همرفتی بر بدنه، سقف و کف مخزن می گردد. جهت محاسبه این عدم قطعیت لازم است که در ابتدا رابطه میان ضریب انتقال حرارت همرفتی و سرعت باد به دست آید. ضریب انتقال حرارت همرفتی در سه قسمت بدنه، سقف و کف مخزن به صورت زیر محاسبه می شود.
شبیه سازي انتقال حرارت همرفت از بدنه تانک: جهت شبیه سازي انتقال حرارت همرفت از بدنه تانک از رابطه - 5 - استفاده شده است.[4] با در نظر گرفتن خواص ترموفیزیکی هوا مطابق جدول 3، مقدارضریب انتقال حرارت از بدنه به صورت زیر خلاصه میگردد.شبیه سازي انتقال حرارت همرفت از کف تانک: از آنجا که رابطه صریحی در مورد انتقال حرارت جابجایی از کف مخزن وجود ندارد از رابطه انتقال حرارت بر روي یک صفحه تخت استفاده شده است.
