بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات پالایشگاه گاز مسجدسلیمان بالا بودن دماي گاز شیرین ارسالی به واحد تنظیم نقطه شبنم می باشد.بر اساس نقشه هاي فرآیندي و طراحی،دماي گاز ارسالی به واحد تنظیم نقطه شبنم در حال حاضر برابر با 54/5 درجه سانتیگراد بوده که در این دما محتواي آب همراه با گاز تصفیه شده برابر با 3036 mg/m3 gas می باشد.در این حالت به دلیل بالا بودن محتواي آب در گاز تصفیه شده،واحد تنظیم نقطه شبنم قادر نیست تا نقطه شبنم آب در جریان محصول نهایی را تا حد مطلوب کاهش دهد،از طرفی به دلیل بالا بودن دماي گاز ارسالی به واحد تنظیم نقطه شبنم چیلر پروپان - در این تجهیز دماي گاز تا10 درجه فارنهایت به منظور استحصال میعانات گازي و کاهش محتواي آب،کاهش می یابد - با بازده کامل عمل نکرده و تولید محصول جانبی با ارزش که میعانات گازي می باشند کاهش خواهد یافت.در این مقاله با استفاده از فناوري انتگراسیون حرارتی روشی به منظور کاهش دماي گاز شیرین ارسالی به واحد تنظیم نقطه شبنم ارائه شده که به میزان قابل توجهی مشکل بالا بودن دماي گاز را مرتفع - کاهش دماي گاز تا42/5 درجه سانتیگراد - و همچنین توانسته تولید میعانات گازي را به میزان 32/3 درصد افزایش دهد.نتایج حاصل از برآورد اقتصادي پروژه نشان داد که در صورت استفاده از روش پیشنهادي سالانه775698 دلار سود نصیب پالایشگاه گاز مسجد سلیمان از طریق افزایش تولید میعانات گازي خواهد شد.
واژههاي کلیدي: کاهش محتواي آب،انتگراسیون حرارتی،واحد تصفیه گاز، میعانات گازي
-1 مقدمه
نام تکنولوژي پینچ براي پژوهشگران و دانشمندان فعال در عرصه بهینه سازي مصرف انرژي شناخته شده و آشناست . این تکنولوژي اولین بار توسط linnhoff و [1] Turner براي تحلیل و بررسی شبکه مبدل هاي حرارتی به منظور کاهش مصرف انرژي استفاده گردید . آن ها به منحنی ترکیبی بعنوان ابزاري مهم در بازیافت انرژي پرداختند . تاکید آن ها بر نقطه پینچ بعنوان نقطه کلیدي در بازیافت انرژي بود و به همین علت نام تکنولوژي پینچ را براي آن انتخاب نمودند . [2] به دنبال آن ها پژوهش هایی براي کمینه نمودن تعداد مبدل هاي مورد نیاز شبکه توسط flower و [3] linnhoff و کمینه نمودن سطح مورد نیاز شبکه مبدل هاي حرارتی توسط Townsend و [4] linnhoff ، ahmad و [5] linnhoff انجام گردید.اولین گزارش ها از کاربرد تکنولوژي پینچ مربوط به ICI بوده که 30 درصد کاهش مصرف انرژي در فرآیند هاي شیمیایی و پتروشیمیایی ایجاد شده بود .
سپس Union Carbide گزارش داد که بطور میانگین 50 درصد کاهش مصرف انرژي داشته است [6] .تا به امروز تکنولوژي پینچ پیشرفت هاي زیادي نموده است و علاوه بر شبکه مبدل هاي حرارتی براي بهینه سازي برج هاي تقطیر و کوره ها استفاده می شود . در راستاي گسترش تکنولوژي پینچ ، مشکلاتی همچون در نظر گرفتن افت فشار در طراحی و همچنین محدودیت هاي افت فشار در اصلاح سیستم هاي موجود مورد مطالعه قرار گرفت . براي حل این مشکل Polley و Panjeh [6-8] shahi در اوایل دهه نود میلادي راهکار هاي مناسبی را ارائه نمودند . همچنین [8] Panjeh shahi الگوریتمی را براي بهینه سازي افت فشار در شبکه مبدل هاي حرارتی ارائه نمود.
به منظور بهینه سازي انرژي در انتگراسیون فرآیند ها با افزایش ضریب انتقال حرارت ، تکنیک افزودن وسایل افزاینده انتقال حرارت در مبدل ها توسط [10] Polley et al و Jafari Nasr11]و[12 مورد بررسی قرار گرفت . به موازات پژوهش هاي انجام شده در زمینه بهینه سازي شبکه مبدل هاي حرارتی ، پژوهشی نیز در مورد استفاده از این روش جهت بیشینه کردن استفاده مجدد از منابع آب توسط Smith و 13]Wangو[14 انجام شد . در سال 1999 میلادي [15] Alves و [15] Towler روش پینچ هیدروژن را به منظور کاهش هیدروژن درخواستی به ویژه در پالایشگاه ها مورد توجه قرار دادند .انتگراسیون حرارتی یک روش براي حداقل نمودن مصرف انرژي بر اساس معادلات ترمودینامیکی می باشد.این هدف با بهینه نمودن سیستم هاي بازیابی حرارتی،روش هاي تامین انرژي فرایند و شرایط عملکرد آن حاصل می شود.
این تکنولوژي به نام هاي انتگراسیون حرارتی ، انتگراسیون انرژي یا انتگراسیون تکنولوژي پینچ نیز معروف است . تکنولوژي پینچ در طراحی شبکه مبدل هاي حرارتی حداقل مصرف انرژي را تضمین می کند .[16] آنالیز اگزرژي از قوانین اول و دوم ترمودینامیک بهره می گیرند تا بتواند جریان اگزرژي را در سیستم محاسبه و نیز اجزاء غیر بهینه را مشخص کند.اما متاسفانه این روش راه حل عملی جهت جلوگیري از تلفات اگزرژي ارائه نمیدهد. از سوي دیگر تکنولوژي پینچ یک روش کلی جهت طراحی فرایند ها محسوب می شود که توانایی هدف گذاري بیشترین اصلاحات ممکن قبل از طراحی و شبیه سازي نهایی را دارا می باشد . اما نقطه ضعف این روش زمانی نمایان می گردد که از آن در سیستم هاي تولید نیرو استفاده شود، بنابراین روش جدیدي براي غلبه بر ضعف هاي دو روش فوق توسعه یافته است که آنالیز ترکیبی پینچ و اکسرژي نامیده می شود.
این روش جدید می تواند براي بهینه سازي سیستم هایی چون نیروگاه به کار گرفته شود. بعضی از پالایشگاه ها در حال اجراي تکنیکی خاص به نام هیدروژن پینچ هستند تا بتوانند با اجراي یک مدیریت کارامد روي هیدروژن و منابع مختلف تامین آن میزان هزینه هاي سرمایهگذاري را به حداقل برسانند و با صرفهجویی در این هزینههاي کاهش یافته به سود اقتصادي در کوتاه مدت نیز دست یابند.در این روش قانون اول ترمودینامیک براي محاسبه تغییرات آنتالپی در جریان گذرا از یک مبدل حرارتی استفاده می شود و قانون دوم جهت جریان گرما را مشخص می کند . در طراحی سنتی، اول فرایند طراحی می شود و توسط موازنه جرم و حرارت دماها و دبی جریانها تعیین می شود. سپس طراحی سیستم بازیابی حرارتی کامل می شود و در نهایت موارد باقیمانده تعیین می شوند.
هر کدام از این مراحل به طور مستقل از سایر انجام می شود. اما در طراحی پینچ، انتگراسیون فرایند با استفاده از تکنولوژي پینچ قبل از طراحی بازیابی حرارتی شبکه براي حداقل کردن مصرف انرژي راه حل ارائه می دهد.محدودیت هاي سیستم بازیابی حرارتی و تجهیزات بعدا در نظر گرفته می شوند. طراحی پینچ فرصت هاي بهینه کردن فرایندو بهبود انتگراسیون حرارتی را مشخص می کند،این روش به بهینه کردن تجهیزات انتقال حرارت در طول طراحی آنها کمک می کند.[17]آغاز بحران انرژي و افزایش شدت قیمت نفت در بازارهاي جهانی در اوایل دهه 1970 میلادي باعث گردید تا کشورهاي صنعتی غرب که به طور عمده وارد کننده نفت خام و سایر فرآورده هاي نفتی و گاز طبیعی بودند، تحقیقات گسترده اي را به منظور دسترسی به فناوري جدیدي که بتواند مصرف انرژي را در یک فرآیند شیمیایی به حداقل برساند، تا از این طریق باعث کاهش هزینه هاي جاري تولید و نیز کاهش وابستگی به کشورهاي صادرکننده نفت گردد، آغاز کردند که منجر به معرفی فناوري پینچ به عنوان ابزاري جهت طراحی بهینه شبکه تبادلگرهاي حرارتی گردید.
فناوري پینچ امروزه کاربرد وسیعی پیدا نموده اما آنچه به عنوان محدودیت در این فناوري مطرح می شود، این است که تحلیل پینچ تنها به تحلیل حرارتی سیستم ها پرداخته و قادر به بررسی توان یا کار محوري نمی باشد. به بیانی دیگر این فناوري براي مسائل آستانه و همچنین سیستم هایی مانند سیکل هاي سرماساز و توربین هاي بخار که علاوه بر انرژي حرارتی با توان یا کار محوري نیز سروکار دارند، به تنهایی کاربرد نداشته و تحلیل اکسرژي به عنوان ابزاري دیگر جهت بررسی توان یا کار محوري به کار گرفته می شود. به این صورت که با ترکیب مناسب از تحلیل پینچ و تحلیل اکسرژي می توان به راه حلی عملی و مفید جهت بررسی همزمان انرژي حرارتی و کار محوري این گونه سیستم ها دست یافت. این تکنیک تحت عنوان تحلیل ترکیبی پینچ و اکسرژي نامیده می شود. در اواخر دهه هفتاد میلادي Linnhoff روش ترمودینامیکی را براي کاهش مصرف انرژي در شبکه تبادلگرهاي حرارتی مورد بررسی قرار دادند و مفاهیمی همانند منحنی ترکیبی را به عنوان ابزاري مهم در بازیافت انرژي حرارتی معرفی نمودند.
با گذشت زمان فناوري پینچ توسعه چشمگیري پیدا نمود، به طوري که علاوه بر شبکه تبادلگرهاي حرارتی براي بهینه سازي مصرف انرژي در برج هاي تقطیر، کوره ها، تبخیر کننده ها، توربین ها، راکتورها نیز به کار برده می شود. البته این فناوري با مشکلاتی رو به رو گردید که می توان به محدودیت افت فشار در اصلاح سیستم هاي موجود، پیچیدگی واحد، هزینه لوله کشی، مشکلات ایمنی و غیره اشاره نمود. در ابتداي دهه نود میلادي با ارائه راهکاري مناسب مشکل محدودیت افت فشار برطرف گردید و در اواسط دهه نود با کاربرد تئوري تجزیه سازي منطقه اي مسائلی که این فناوري را غیر قابل اجرا و غیر اقتصادي نشان می دادند برطرف گردید . ابزارهاي تحلیل پینچ منحنی ترکیبی و منحنی ترکیبی جامع می باشد.[20-18]
-2 واحد تصفیه گاز پالایشگاه مسجد سلیمان
ابتدا گاز ترش - جدول شماره 1 ترکیب گاز ورودي را نشان می دهد - که با فشار 4169 کیلو پاسکال و دماي 30 درجه سانتیگراد وارد جدا کننده دو فازي شده و مقداري از مایعات همراه آن جداسازي می شوند سپس گاز خروجی از بالاي جدا کننده از زیر سینی اول - شماره گذاري از پایین به بالا است - وارد تماس دهنده آمین می شود و در تماس با محلول %30 وزنی دي اتانول آمین قرار گرفته و با دماي 54/5 درجه سانتی گراد از بالاي تماس دهنده خارج شده و جهت از دست دادن مایعات احتمالی وارد شستشو دهنده می شود گاز تصفیه شده از این مرحله به واحد تنظیم نقطه شبنم به منظور کاهش محتواي آب و تولید میعانات گازي ارسال می شود.
محلول آمین غنی که از پایین برج تماس دهنده خارج شده ابتدا وارد یک شیر فشار شکن می شود و تا فشار 446 کیلو پاسکال فلش می شود سپس جهت تفکیک مقداري از گازهاي سبک محلول وارد جدا کننده آنی آمین می شود ، جریان گاز خروجی از این جدا کننده مستقیما و بطور پیوسته به فلر ارسال شده و جریان مایع خروجی با دماي 45/45 درجه سانتیگراد به مبدل معروف آمین-آمین ارسال می گردد - در این مبدل که از نوع پوسته- لوله می باشد محلول آمین در تماس با محلول آمین احیا شده می بایست تا دماي 100 درجه سانتیگراد پیش گرم شود ولی به دلیل سرد بودن محلول خروجی از پایین برج تماس دهنده این مبدل قادر به پیش گرم نمودن تا دما 100 درجه سانتیگراد نبوده و در بهترین حالت می تواند جریان آمین غنی را تا دماي 74 درجه سانتیگراد گرم نماید - . در ادامه محلول آمین پیش گرم شده از روي سینی سوم - شماره گذاري از بالا به پایین - وارد برج احیا آمین شده و طی 20 مرحله - بدون در نظر گرفتن کندانسور و ریبویلر - عملیات دفع گازهاي اسیدي از محلول آمین غنی شده صورت می گیرد - شکل شماره - 1 ، فشار بالاي برج احیا
