بخشی از مقاله
خلاصه
گاز طبیعی یکی از منابع عظیم انرژی در جهان بوده که بهعلت ارزان بودن و پاک بودن، مصرف بسیار زیادی را در جهان دارد. در میان روشهای موجود برای انتقال گاز طبیعی بهعلت کاهش آلودگی زیست محیطی، استفاده در مواقع اوج مصرف و قابلیت انتقال به مناطق صعب العبور، بهترین گزینه مایعسازی گاز طبیعی میباشد. فرآیندهای بسیاری برای تولید گاز طبیعی مایع ارائه شده است که اختلاف آنها در ساختار فرآیند میباشند.
در این میان فرآیند مبرد آمیخته تکمرحلهای - KSMR - بهعلت سادگی و افزایش راندمان مورد توجه است. ابتدا شبیهسازی این فرآیند با استفاده از نرم افزار Aspen HYSYS انجام شد. در این مقاله با تحلیل کمی انرژی، مصرف ویژهی انرژی و ضریب عملکرد بررسی میشوند و با تحلیل اکسرژی برگشت ناپذیریهای فرآیند و بازدهی اکسرژی تجهیزات فرآیند بهدست میآید. مصرف ویژهی انرژی و ضریب عملکرد این فرآیند به ترتیب 0/41 kWh/kgLNG و2/3 است. همچنین بازدهی اکسرژی فرآیند %40 است.
-1مقدمه
از زمانی که گاز طبیعی بهعنوان یکی از مهمترین و پاکترین منابع تامین کنندهی انرژی مورد توجه ویژهی کشورهای صاحب صنعت و پیشرفتهی دنیا قرار گرفته است کمتر از 7 دهه میگذرد؛ اما در همین زمان، صنایع مربوط به آن از پیشرفت قابل توجهی برخوردار شدهاند. از آنجا که گاز طبیعی توزیع یکنواختی در نقاط مختلف جهان نداشته و مخازن حاوی آن در چند نقطهی خاص جغرافیایی متمرکز گردیدهاند، انتقال گاز، یکی از مهمترین صنایع مرتبط با آن است. انتخاب روش مناسب انتقال گاز از بین روشهای مرسوم نظیر خط لوله، گاز طبیعی مایع شده، هیدروکربن مایع، الکتریسیته و ... بستگی به هزینههای هر کدام از روشها دارد.
-2 فرآیندهای مایع سازی گاز طبیعی
گاز طبیعی خام پس از تصفیه و پالایش در واحدهای شیرینسازی، نمزدایی و جیوهزدایی بهعنوان خوراک به واحد تولید گاز طبیعی مایع ارسال میشود. بخش اعظم خوراک ورودی به واحد LNG را متان و درصد ناچیزی از آن را نیتروژن، اتان، پروپان و هیدروکربنهای سنگینتر تشکیل میدهد. رسیدن به دمای پایین -162 œC و به دنبال آن مایعسازی گاز طبیعی برای تولید LNG، نیازمند استفاده از فرآیندهای سردسازی است.
درتمام فرآیندهای سردسازی، گاز طی تبادل حرارت با سیال مبرد در یک الی سه چرخه سرمایش، پیشسرد، مایع و فوقسرد میشود و در نهایت به دمای جوش متان، یعنی œC -162 میرسد. اساس تمام چرخههای سرمایشی که در آنها از یک جزء خالص یا یک مخلوط هیدروکربنی بهعنوان سیال مبرد استفاده میشود، چرخهی سردساز کارنو میباشد که شامل چهار مرحلهی تراکم آدیاباتیک، سردکردن و میعان، انبساط آدیاباتیک و تبخیر سیال مبرد میباشد .[1]
تاکنون فرآیندهای زیادی برای مایعسازی گاز طبیعی پیشنهاد شده است که انتخاب فرآیند بستگی به عوامل مختلفی ازجمله: هزینههای ثابت و عملیاتی، در دسترس بودن تجهیزات، اندازه و قابلیت انتقال مبدلها، بازدهی محرکهای اصلی توربینهای گازی، محرکهای الکتریکی دارد. اختلاف بین فرآیندهای مایعسازی گاز به نوع چرخه سردسازی که بهکاربرده میشود وابسته است. این فرآیندها بهطور عمده به دو گروه تقسیم میشوند 2]،3،:[4
- فرآیندهای تراکم بخار
- فرآیندهای بر مبنای انبساط
فرآیندهای تراکم بخار به دو دستهی کلی مبرد خالص و مبرد آمیخته تقسیم بندی میشوند. همچنین فرآیندهای تراکم بخار مبرد آمیخته به سه دستهی کلی تکمرحله، دو مرحله و آبشاری تقسیمبندی میشوند. فرآیند KSMR یکی از چند فرآیند تراکم بخار با مبرد آمیخته تکمرحلهای میباشد.
-3فرآیند مبرد آمیخته تکمرحلهای - SMR -
از سال 1970 فناوریهای مختلف SMR به بازار عرضه شدند و اولین واحد عملیاتی SMR در سال 1981 در شهر اسکیکدا* الجزایر و تحت لیسانس شرکت Pritchard احداث شد .[5] فرآیندهای SMR به ساختار سادهتر، سرمایه اولیه کمتر، فضای کوچکتر، راهاندازی راحتتر و هزینه تعمیر و نگهداری کمتر نیاز دارند. با وجود اینکه تجهیزات عملیاتی مربوطبه این فناوری انرژی مصرفی بیشتر و در نتیجه هزینه عملیاتی بیشتری را به واحد تحمیل میکنند، اما باید در نظر داشت که فناوری SMR از سادهترین فرآیندهای تراکم بخار با مبرد آمیخته مایعسازی گاز طبیعی است.
در چرخه SMR تنها از یک جریان مبرد آمیخته بهمنظور پیشسردسازی، مایعسازی و فوقسردسازی درون یک مبدل حرارتی استفاده میشود. از جمله مزایای این فناوری کاهش تعداد تجهیزات است اما در عوض میزان راندمان انرژی آن کمتر از فرآیندهای دو مرحلهای و آبشاری است. فرآیندهای SMR برای واحدهای روی خشکی با ظرفیت کمتر از 1 MTPA طراحی شدهاند. برای دستیابی به ظرفیتهای بیشتر میتوان از چندین واحد کنار هم استفاده کرد، البته استفاده از یک محرک توربین گازی یا افزودن مرحله پیشسردسازی برای هر واحد نیز میتواند منجر به افزایش تولید شود .
[6] فرآیندهای SMR به مبدلهای حرارتی بلندتر و بزرگتری نسبت به فرآیندهای DMR نیاز دارند، زیرا باید تمام بار حرارتی مورد نیاز در مرحله پیشسردسازی را نیز فراهم کنند. علاوه بر این برای مقیاسهای در حدود 2 MTPA به دو مبدل حرارتی نیاز است .[7] ترکیب مبرد آمیخته به شرایط خاص محیطی و بهخصوص ترکیب گاز طبیعی بستگی دارد که عمدتاً شامل متان، اتان، پروپان، بوتان، پنتان و نیتروژن است و نسبت این ترکیبات با توجه به بهینهسازی انرژی مصرفی فرآیند تعیین میشود. زمانی که نمودار تبخیر مبرد شبیه نمودار خنکسازی و مایعسازی گاز طبیعی باشد، راندمان فرآیند بهینه خواهد بود .[8]
یک چرخه سردسازی ساده SMR از چهار مرحله تراکم، میعان، انبساط و تبخیر تشکیل میشود و مبرد پس از عبور از این مراحل، در تبخیرکننده با جذب گرما از منبع سرد و تولید سرمایش، به حالت اولیه بازگشته و چرخه را ادامه میدهد. هر چرخه تا دمایی در حدود دمای جوش مبرد خود دما را کاهش داده که اگر این مبرد یک ماده خالص باشد، مراحل تبخیر و میعان در دمای ثابت انجام خواهد شد؛ بنابراین برای تولید سرمایش در سطوح دمایی بسیار پایین - فوق سرد - از ترکیب چند ماده بهصورت مبرد آمیخته استفاده میشود.
این عمل همچنین میتواند کار تراکم مورد نیاز را کاهش دهد. فرآیند مبرد آمیخته تک مرحلهای، همانطورکه در شکل 2 نشان داده شدهاست، ساختاری کاملاً مشابه با ساختار یک چرخهی ساده سردسازی دارد. در این فرآیند منبع سرد، جریان گاز طبیعی است و تبخیر مبرد در یک مبدل حرارتی صفحه - پره1 انجام میشود . مبرد آمیخته با عبور از کمپرسور فشرده شده و در کندانسور خنک میشود.
کاهش بیشتر دمای مبرد در مبدل اصلی فرآیند همراه با گاز طبیعی است که این امر توسط مبرد مایع شده در اثر عبور از شیر انبساط صورت میگیرد. تفاوت عملیاتی این چرخه با چرخه بخار تراکمی ساده با مبرد خالص در آن است که بهدلیل وجود چند جزء متفاوت در مبرد مخلوط، طبعاً تغییر فاز در دمای ثابت رخ نمیدهد و در این فرآیند همواره بازه دمایی تبخیر و میعان وجود دارد. هرچند که استفاده عملی آن با چنین ساختاری، بهلتع ملاحظات عمدتاً اقتصادی، امکانپذیر نخواهد بود.
