بخشی از مقاله
شبيه سازي واحد آرگون با نرم افزار Hysys در يک واحد پتروشيمي ايران
چکيده
واحد آرگون پتروشيمي مورد مطالعه يکي از نادرترين واحدهاي آرگون ، درکشور ايران است ، به اين دليل که خوراک اين واحداز گاز زدايش (purge gas) واحد آمونياک تهيه مي گردد. در اين پروژه تاحدود زيادي ازخطاهاي يک شبيه سازي فرآيند کاسته شده است ومحصولي بامشخصات کاملا دقيق ومشابه فرآيند واقعي بدست آمده است . درانجام پروژه ازنرم افزار Hysys که از ترموديناميک جامعي برخورداراست استفاده شده است . با ارائه مدلهاي مختلف بوسيله شبيه ساز و استفاده از معادلات حالت مختلف ( Peng Robinson, PR.SV)در مراحل مختلف فرآيند بهترين وکاملترين جواب را ازخروجي نرم افزاردريافت شده است . درگردآوري اطلاعات لازم جهت شبيه سازي ازاطلاعات طراحي شرکت فرانسوي Air liquid و اطلاعات موجوددر رايانه هاي کنترل فرآيند وخروجي آناليزورگرها در اطاق کنترل واحد درحالت پايا استفاده شده ونتايج شبيه سازي بسيار به اين اطلاعات نزديک شده است . درنتيجه باتوجه به نتايج بدست آمده ، مدل سازي توسط نرم افزار Hysys ،دقت بالا وکارايي بالايي دارد.
کلمات کليدي: شبيه سازي، برج تقطير، جذب
١. مقدمه :
آرگون يک عنصر شيميايي با عدد اتمي ١٨ جرم مولکولي(gr/mole)٣٩,٩٤٨ مي باشد.آرگون سومين عنصر از آخرين گروه جدول تناوبي است . عناصر گازهاي اين گروه به گازهاي نادر يا بي اثر مشهورند. آرگون توليدي مجتمع بررسي شده داراي خلوص %٩٩,٩٩٩٥ بوده و حداکثر ppm 5 ناخالصي دارا مي باشد.اين فراورده به صورت گازهاي فشرده با فشارBar ٢٠٠- ١٥٠در کپسولهاي ٤٠ و ٥٠ کيلوگرمي نگهداري و حمل و نقل مي شود. جهت انتقال آرگون به نقاط دور دست (خصوصا صادرات ) از تانکهاي دو جداره مخصوص حمل و نقل گازهاي مايع استفاده مي شود[١]
منظور از مدل سازي، توصيف سيستم توليد (يعني موازنه جرم و موازنه انرژي) در قالب معادلات رياضي است شبيه سازي يعني به دست آوردن اطلاعات خروجي (مثلا مشخصات محصول يک برج ) از طريق حل مدلهاي مورد نظر بر اساس اطلاعات ورودي که به سيستم داده ميشود.[٢]
در اين مقاله با شبيه سازي واحد آرگون ، هدف رسيدن به موارد زير ميباشد:
١- ايمني ، قابليت اعتماد و سودمند در طول عمر مجتمع .
٢- انتخاب بهينه و درست تجهيزات مطابق با اهداف طراحي .
٣- ارزيابي صحيح تغييرات خوراک ، نوسانات ، و خارج از سرويس بودن تجهيزات .
٢. تئوري:
واحد آرگون پتروشيمي مورد مطالعه يکي از نادرترين واحدهاي آرگون ، در کشور ايران است ، به اين دليل که خوراک اين واحد از گاز زدايش ٣ واحد آمونياک تهيه مي گردد. از آرگون به دليل مصرف نشدن (inert gas) در واحد آمونياک و چندين بار چرخش (Lop)درReactor اين واحد به جهت وجود جريان برگشتي (Recycle)درهر دورچرخش مقدار آن زيادترشده و عامل مزاحمي در اين واحد مي شود(حجم راکتور را اشغال ميکند). پس اين گاز اضافي رابه عنوان خوراک به واحد آرگون فرستاده مي شود تا هم عامل مزاحم از بين برود و هم آرگوني که درصد آن در هوا بسيار کم است (ppm ) و پس ازچندين چرخش در واحد آمونياک درصد آن به ٤,٣٣% رسيده ،جهت توليد آرگون خالص به واحد آرگون فرستاده شود و نيز با اين عمل بازده واحد آمونياک را ٤,٦٦% افزايش بيابد و روزانه ١٥ تن آرگون با خلوص بالا توليد گردد. .[٣]
فرايند توليد گاز آرگون به صورت زير ميباشد.
١- واحد خالص سازي گاز زدايش :
بخش عمده آمونياک موجود در گاز ورودي به واحد آرگون در برج جذب ودر فشار bar 80 با آب شسته شده و جدا مي شود که حذف مختصر آمونياک و آب باقي مانده در گاز توسط برج جذب که به همين منظور در نظر گرفته شده صورت مي گيرد .
٢- واحد کرايوژنيک :
گاز خالص خروجي از واحد فوق که محتوي گازهاي هيدروژن ، آرگون ، متان و ازت است در اين بخش به جعبه سرد (COLD BOX) وارد مي شود و با توجه به اختلاف نقطه جوش ،گازهاي نامبرده تفکيک مي شوند. قسمتي از گازهاي ورودي به جعبه سرد در اثر برودت دما به مايع تبديل مي شود وگاز باقيمانده که عمدتا هيدروژن است پس از تبادل حرارت و گرم شدن به کمپرسورهاي سنتز آمونياک برگشت داده مي شود. مايع توليدي از اين قسمت پس از افت فشار قسمتي به گاز تبديل مي شود که با باقيمانده هيدروژن موجود در گاز سنتز ورودي همراه است و به کمپرسور سنتز آمونياک برگشت داده مي شود. فشار مايع باقيمانده از قسمت قبل مجددا کاهيده مي شود و تنها گازهاي آرگون ، متان و ازت به صورت مايع جدا مي شوند که در مراحل بعدي در برجهاي تقطير با توجه به اختلاف نقطه جوش به ترتيب متان ، آرگون و ازت از يکديگر جدا مي شوند و متان مايع پس از تبادل حرارت ، به صورت گاز با گازهاي جدا شده از قسمت هاي ديگر مخلوط شده و دوباره به واحد آمونياک فرستاده مي شود (RECOVERY GAS) و در آنجا سوزانده مي شود.
آرگون مايع پس از توليد به مخزن ذخيرة آرگون ارسال مي گردد و ازت به صورت مايع و گاز براي ايجاد انرژي لازم جهت سيستم تبريد و مايع سازي و جداسازي گازها از يکديگر در سيکل جريان مي يابد و بخش اضافي آن نيز به واحد آمونياک برمي گردد. ازت به دو صورت فشار بالا ( High pressure Bar 80) و فشار پايين (Bar 6: Low pressure) توسط کمپرسورهاي مربوطه فشرده شده و به سيستم ارسال مي گردد و پس از افت فشاردر مراحل مختلف فرايند مجددا به کمپرسورهاي ازت برگشت داده مي شود.[٤]
شکل ١- نمايي از تجهيزات يک واحد کرايوژنيک CRYOGENIC UNIT
٣. روش کار:
دراين واحد نمونه هايي از خواص و معادلات ترموديناميکي روز دنيا مانند انبساط گازها ، در منبسط کننده ٥ با سرعت چرخش بسيار بالا و کاهش دما در حدود C °٧٠ ، کاهش دما به طريق افت فشار درون ظروف ٦ و غيره و نيز نمونه هايي از انتقال حرارت هدايتي ، جابجايي در مبدل هاي حرارتي با بازده بسيار زياد و نمونه هاي بارزي از انتقال جرم و عمليات واحد در برج هاي تقطير٧ ، جداکننده ها٨ ،برج هاي شستشو و... استفاده شده است که اين نمايانگر نياز مبرم به علم مهندسين شيمي در طراحي و راه اندازي اين واحد را مي رساند .
واحد آرگون اين مجتمع به صورت يک جعبۀ بسته (Package) مي باشد و از روز شروع به کار (Start Up) هنوز اين جعبۀ سرد ( Cold Box ) باز نگرديده است وانحصار ساخت آن نيز در دست شرکت فرانسوي است (Air Liquid) ،پس اطلاعات دقيقي از تجهيزات و نوع آنها در دست نيست پس تصميم بر اين شد تا اين واحد را با حدسيات و اطلاعات خودمان و نيز اطلاعات و حدسيات مهندسين اين واحد شبيه سازي گردد .
به کمک نرم افزار Hysys اين واحد شبيه سازي شده و تک تک جريان ها را با مقادير واقعي آنها مقايسه مي گردد و خطا ها درج نموده شده است تا قدرت نرم افزار در اجراي شبيه سازي مشاهده شود. سپس با تغيير در فشار ، دما ، دبي و... در جريان ها و تجهيزات به تغييرات در خروجي و بازدهي و نحوة تاثيرگذاري اين تغييرات در فرايند کلي پرداخته ميشود و در نمودارهاي تنظيم شده بررسي مي گردند . خوراک وارد شده به واحد آرگون پس از گذشتن از شيرفشارشکن ، فشار آن از کاهش خواهد يافت وا از طريق خط لوله وارد برج شستشوي آمونياک مي شود . به دليل برخي محدوديت هاي نرم افزار از جمله نبودن سيستم هاي جذب سطحي و مبدل هاي حرارتي چند ورودي و چند خروجي در کتابخانه
Hysys از تکنيکهاي خاصي جهت جذب آمونياک و آب و عمليات انتقال حرارت اصلي استفاده شده است که جزو نقاط قوت اين مجموعه مي باشد.
٤. بحث و تجزيه و تحليل :
٤-١- تاثير فشار بر برج جذب :
برج های جذب اغلب تحت فشار کار میکنند تا ظرفیت و اهنگ های انتقال جرم بالاتری داشته باشند . فشار جزیی تعادلی حل شده فقط به دما و ترکیب مایع بستگی دارد و کسر مولی تعادلی در گاز ها به طور معکوس با فشار کل متناسب است .
در اين پروژه فشار برج تغيير داده شده و تغيرات درصد آمونياک را درگاز خروجي از برج در شکل (٢) نشان داده شده است .
همان طورکه مشخص است افزايش فشار در برج جذب ، ميزان جذب گاز را بيشتر نموده ، مايع خروجي از گاز غني تر شده و گاز خروجي از برج از گاز حل شده فقيرتر مي گردد.که اين نشانگر قدرت شبيه ساز دراجرا و تخمين متناسب شرايط برج است .
اما بايد به اين نکته توجه داشت ، بااينکه افزايش فشار، ميزان جذب آمونياک را در برج افزايش مي دهد اما به دليل شرايط عملياتي با اينکه فشار در خوراک ورودي واحد ٩٠.٢٢٤ است اما به ٧٤ به وسيلۀ شيرفشارشکن
