بخشی از مقاله
طراحي و شبيه‌سازي ستون‌هاي نم‌زدايي پالايشگاه گاز خانگيران
چكيده:
گاز طبيعي يك منبع مهم انرژي است كه تحت شرايط توليد طبيعي از بخار آب اشباع ميشود. بخار آب خورندگي گاز طبيعي را افزايش مي‌دهد، بخصوص وقتي گازهاي اسيدي نيز در آن وجود داشته باشد. روش‌هاي گوناگوني جهت خشك كردن گاز طبيعي ميتواند استفاده شود.
مقدمه
گاز طبيعي با توجه به نوع مخازني كه از آن توليد ميشود، ممكن است اجزاي ناخواسته گوگردي خصوصاً H2S و بخار آب را به همراه داشته باشد. تركيبات سمي گودگردي بخصوص H2S طي عمليات تصفيه از گاز جدا مي‌گردد. بخار آب نيز طي عمليات نم‌زدايي از گاز جدا ميشود. آب مايع و يا بخار آب به دلايل عمده زير بايد از گاز طبيعي جدا شوند:
1. جلوگيري از تشكيل هيدرات‌ها در خطوط انتقال؛
2. رسيدن به نقطه شينم موردنظر جهت فروش؛
3. جلوگيري از خوردگي داخل لوله‌ها.
عمل نم‌زدايي در پالايشگاهع گاز خانگيران توسط ستون‌هاي حاوي جاذب سطحي موبيل سوربيد به دليل ظرفيت بالاي آنها براي جذب آب و همچنين احيا در دماي پايين صورت مي‌گيرد. موبيل سوربيد ظرفيت بالايي جهت جذب پنتان و هيدروكربن‌هاي سنگينتر داشته و ميتواند جهت تنظيم نقطه شبنم گاز خروجي و رساندن آن به مشخصات استاندارد خطوط لوله بكار رود.
كاربرد و استفاده از هر فرآيندي (از قبيل جذب، جذب سطحي، سرد كردن، فشرده‌سازي و يا استفاده از كلريد سديم) جهت نم‌زدايي گازهاي طبيعي داراي خصوصيات منحصر بفرد خود مي‌باشد.
كليه اين روش‌ها داراي مزايا و معايبي بوده و انتخاب هر يك از آنها بايد با توجه به شرايي خاص فرآيند كلي بررسي گردد.
مزايا و معايب استفاده از ستون‌هاي جذب سطحي به صورت خلاصه به شرح زير ارائه ميشود:
مزايا:
1. دستيابي به نقاط شبنم پايين تا 150 درجه فارنهايت را ميسر مي‌كند.
2. تغييرات كوچك فشار، دما و سرعت جريان گاز در عملكرد آنها بي‌تاثير است.
3. حساسيت آنها نسبت به پديده‌هاي خوردگي و كف‌زايي اندك است.
معايب:
1. هزينه‌هاي ثابت عملياتي بالا و همچنين افت فشارهاي بيشتري دارند.
2. امكان مسموم شدن جاذب‌ها توسط هيدروكربن‌هاي سنگين، هيدروژن سولفيد، كربن دي‌اكسيد كربن و غيره وجود دارد.
3. امكان شكستگي مكانيكي ذرات جاذب خشك‌كن وجود داردو
4. وزن بالا و نياز به فضاي زياد.
5. مقدار انرژي مورد نياز براي احياي آنها زياد بوده و در ضمن هزينه واحدهاي جانبي آنها نيز بالاست.
جاذب موبيل سوربيد
موبيل سوربيد شامل 97% سيليكا و 3% آلومينا مي‌باشد. ظرفيت جذب آن اساساً همانند سيليكاژل معمولي بوده، اما دانسيته توده آن و همچنين ظرفيت جذب آن به ازاي هر واحد حجم كمي بيشتر از سيليكاژل معمولي مي‌باشد.
در واقع موبيل سوربيد يك نوع سيليكاژل اصلاح شده و پيشرفته به شكل دانه‌هاي سخت كروي و نيمه‌شفاف است كه اين دانه‌ها گرچه غيرقابل نفوذ به نظر مي‌رسند، در حقيقت مشبك مي‌باشند و در حفره‌هاي ميكروسكوپي بسيار زيادي وجود دارد كه بخار در اين حفره‌ها بدام افتاده و مايع مي‌گردد. حفره‌ها در موبيل سوربيد آنقدر زياد است كه يك پوند از آن داراي سطحي معادل 300000ft2 يا بيشتر از آن مي‌باشد.
سوربيدها غيرخورنده بوده و تحت شرايط ايستا حدود 40% وزن خود آب جذب مي‌كنند. در بعضي از شرايط امكان ورود آب مايع به بستر خشك كننده وجود دارد. چون فعاليت موبيل سوربيد نوع R, H بسيار زياد است، آب مايع ميتواند سبب شكستن دانه‌ها شود. براي محافظت بستر خشك كننده از آب به صورت مايع، مي‌توان از سوربيد نوع W استفاده كرد. اين نوع سوربيد با آنكه داراي شرايطي (از نظر تركيب و خواص فيزيكي) شبيه به نوع R, H مي‌باشد، در حضور آب مايع نمي‌شكند. نوع W در رطوبت‌هاي نسبتاً بالا به اندازه R موثر است، اما اين بازدهي در رطوبت‌هاي نسبي پايين كاهش مي‌يابد. بنابراين استفاده از نوع W در تمام بستر پيشنهاد نمي‌شود.
طراحي واحد نم‌زدايي
سيستم‌هاي نم‌زدايي از نظر خشك كردن گاز تقريباً يكسان عمل مي‌كنند و تفاوت اساسي اين سيستم‌ها، نحوه احياي بستر اشباع مي‌باشد. بستر مواد جاذب با دريافت حرارت احيا ميشود و كليه موادي كه جذب شده، به صورت بخار از آن خارج مي‌شوند. احياي بسترهاي كوچك مواد جاذب با يك كويل گرم كننده برقي نيز امكان‌پذير است، اما براي بسترهاي بزرگتر احياي بستر بوسيله جرياني از گاز داغ صورت مي‌گيرد. در شكل زير، سيستم نم‌زدايي پالايشگاه گاز خانگيران نشان داده شده است. در اين شكل بسترهاي اول و دوم بطور موازي عمل نم‌زدايي گاز را انجام مي‌دهند و بستر سوم با جرياني از گاز مرطوب در وضعيت خنك شدن قرار دارد و گاز خروجي از آن پس از گرم شدن در كوره گاز احيا و رسيدن به دماي موردنظر احياي بستر چهارم را انجام مي‌دهد.
اين چرخه پس از زمان معيني به اتمام مي‌رسد و وضعيت ديگري به خود مي‌گيرد، به گونه‌اي كه بستر سوم پس از خنك شدن در وضعيت سرويس نم‌زدايي قرار مي‌گيرد و بستر چهارم پس از گرم شدن و از دست دادن مواد جذبي در وضعيت سرد شدن قرار مي‌گيرد. بستر اول پس از دو تعويض كه عمل نم‌زدايي را انجام داده و اشباع است، در وضعيت گرم شدن قرار مي‌گيرد و بستر دوم براي نوبت دوم عمچنان عمل نم‌زدايي را انجام مي‌دهد.
جريان رو به پايين گاز جهت نم‌زدايي به دلايل زير پيشنهاد مي‌شودك
1. افزايش سرعت جريان رو به بالا، بستر را منبسط كرده و سپس آن را سيال (Fluidized) مي‌كند. هرگونه حركت جاذب‌هاي خشك‌كن ميتواند باعث ساييدگي و شكستگي آنها شود.
2. حركت رو به پايين به ما اجازه مي‌دهد قبل از اينكه افت فشار باعث خرد شدن ذرات خشك‌كن گردد، به سرعت‌هاي بالاتر برسيم، سرعت‌هاي بالاتر سبب ميشود كه به قطرهاي كوچكتري از ستون دست يابيم و در نتيجه ستون ارزان‌تري را طراحي كنيم.
3. حذف آب و يا مايعات آزاد هميشه در ابتداي مسير كامل نيست. در نتيجه آلودگي‌هاي مايع دير يا زود با جاذب‌ها تماس پيدا كرده و باعث فوق اشباع شدن، كراكينگ و يا خرد شدن آنها مي‌شوند.
بهترين نم‌زدايي، زماني اتفاق مي‌افتد كه سرعت رو به پايين به اندازه كافي زياد بايد تا از پديده كاناليزه شدن جلوگيري شود و همين‌طور به اندازه كافي پايين تا به ذرات خشك‌كن جامد صدمه‌اي وارد نشود.
شكل 1: مسير جريان گاز (PFD) در يك واحد نم‌زدايي
تئوري حاكم و مدل رياضي مورد استفاده
معادلات لازم براي طراحي در مراجع مختلف توسعه داده شده و موجود مي‌باشد. بنابراين در اينجا فقط به چگونگي بكارگيري اين معادلات پرداخته ميشود.
از آنجا كه تعدادي از متغيرهاي وابسته وجود دارند، برخي از آنها بايد مشخص شوند. مراحل كار در محاسبات تكراري كه رابط بين متغيرها را تعيين مي‌كند، براي يك چرخه زماني مشخص به ترتيب زير است:
1. حدس سرعت ظاهري مجاز. مقدار معمول اين سرعت، 30ft/min است.
2. با استفاده از مشخص بودن محتواي آب موجود در گاز ورودي، مقدار آبي كه بايد در هر سيكل جذب شود، محاسبه ميشود (فرض ميشود تمام آب موجود در گاز ورودي جذب و گاز كاملاً خشك شود).
3. قطر برج با استفاده از معادله 1 بدست مي‌آيد (سپس با كم كردن دو برابر ضخامت برج و عايق درون آن، قطر بستر به دست مي‌آيد):
(1)
كه در اين معادله:
D: قطر بستر بر حسب m or ft؛
C: عدد ثابت معادل 27/3 در سيستم متريك يا 25 در سيستم آمريكايي؛
K: سرعت جريان بر حسب ميايون متر مترمكعب در روز (MMSCFD)؛
Z: ضريب تراكم‌پذيري گاز (بي‌بعد)؛
T: دماي گاز ورودي بر حسب R or k؛
P: فشار جذب بر حسب bar or psia
Vg: سرعت ظاهري گاز بر حسب m/min or ft/min
4. از معادله 2، سرعت حقيقي Vg بدست مي‌آيد. سرعت به دست آمده با سرعت‌هاي مجاز مقايسه ميشود. چنانچه در محدوده سرعت‌هاي مجاز قرار نداشت، محاسبات تكرار ميشود.
