بخشی از مقاله
شبیه سازي برج پتلیوك براي واحد خالص سازي 1و3بوتادین
چکیده
برج تقطیر دیوار میانی یکی از انواع برج هاي کوپل گرمایی است که در سال هاي اخیر براي جداسازي مخلوط هاي چند جزیی مورد توجه قرار گرفته است. در ساختار این برج یک دیواره وجود دارد که برج را به دو قسمت پیش جداساز و برج اصلی تقسیم می کند و باعث می شود که از پدیده نامطلوب Remixing براي جزء میانی جلوگیري کند برج تقطیر دیوار میانی از نظر ترمودینامیکی معادل با برج پتلیوك است، از این رو براي بدست آوردن پارامترهاي طراحی و شبیه سازي برج پتلیوك با استفاده از نرم افزارهاي موجود، باید این برج به برج هاي ساده تر تقسیم شود. براي به دست آوردن پارامترهاي اولیه از روش میانبر استفاده میشود. در این مقاله طراحی و شبیه سازي یک برج پتلیوك براي خالص سازي واحد 1و3بوتادین انجام شده است. شبیه سازي این برج با استفاده از نرم افزار ASPEN PLUS صورت گرفته است. نتایج حاصل از شبیه سازي نشان می دهد که با جایگزینی این برج با دو برج معمولی در واحد خالص سازي 1و3بوتادین پتروشیمی امیرکبیر، میزان بار حرارتی چگالنده و جوش آور به میزان قابل توجهی کاهش یافته است که در نتیجه باعث کاهش در هزینه عملیاتی میگردد.
کلمات کلیدي
برج دیوار میانی، برج پتلیوك، روش طراحی میانبر، ASPEN PLUS
-1 مقدمه
تقطیر در صنایع شیمیایی و پتروشیمی براي جداسازي کاربرد وسیعی دارد. برآورد شده است که %95 از جداسازي مایعات توسط تقطیر انجام می شود و حدود %3 از کل انرژي هاي مصرفی در جهان مربوط به تقطیر است.[1]
یکی از راه هاي انتگراسیون فرایندها،کوپل گرمایی کردن ستون هاي تقطیر است درکوپل گرمایی، اغلب یک چگالنده یا جوش آور از سیستم کم می شود مانند فرایند لینده در جداسازي اکسیژن و ازت از هوا .[2] در قسمت هاي کوپل گرمایی انتقال حرارتی که براي جداسازي لازم است بوسیله تماس مستقیم بین جریان هاي مایع و بخار اجزا تأمین می گردد مانند تقطیر آب و متانول .[3]
چینش برج هاي کوپل گرمایی براي جداسازي ترکیبات سه جزیی درشکل 1 نمایش داده شده است که از میان آنها برجهاي پتلیوك کاربرد صنعتی بیشتري دارند. با توجه به شکل 1-c ، خوراك سه جزئی براي یک جدا سازي سریع بین جزء
A وC ، ابتدا وارد قسمت پیش جدا ساز می شود و جزء B در بالا و پایین این برج توزیع می شود و جریان هاي خروجی وارد برج اصلی شده که اجزا را با خلوص بالا جدا می کند. میتوان با قرار دادن هر دو قسمت پیش جداساز و اصلی در یک پوسته و نصب دیواره در داخل آن، برج هاي دیوار میانی1 را معرفی نمود(شکل.(2
شکل.1الگوهاي برجهاي تقطیرکوپل گرمایی براي جداسازي سه جزیی((a :چینش مستقیم کوپل گرمایی،((bچینش غیرمستقیم کوپل گرمایی،((cبرجهاي تقطیر پتلیوك
شکل.2برج دیوارمیانی
ایده برج دیوار میانی توسط Wright درسال 1949 منتشرشد.کمبود در روش طراحی، آنالیز عملیاتی و شاید ارزانی انرژي باعث شد که حدود 36 سال بعد اولین کاربرد صنعتی این نمونه برج در سال 1985در شرکتBASF انجام شود .[1]
1Dividing-Wall Column
ویژگی منحصر به فرد این برج وجود دیواري است که فضاي داخلی برج را به دو قسمت خوراك و جریان جانبی تقسیم می کند. این دیواره از اختلاط طرف خوراك و جریان جانبی جلو گیري میکند .
مطالعات تئوري نشان داده است که به طور متوسط حدود 30 الی %50 کاهش هزینه انرژي در مقایسه با چینش هاي معمولی داریم.برج دیوار میانی باعث کاهش هزینه ي عملیاتی و سرمایه گذاري اولیه می شود و همچنین نشر گازهاي گلخانه اي کاهش میابد و در نتیجه کاهش دما نیاز به آب خنک کننده در کندانسور را کاهش می دهد.
امروزه برج دیوار میانی به یک تکنولوژي پذیرفته شده تبدیل شده است که تا کنون تعدادي بالغ بر 100 نمونه از آن در سراسر دنیا نصب شده است و در آینده اي نزدیک برج دیوار میانی در صنایع فرایند شیمیایی (CPI) به عنوان یک تقطیر استاندارد معرفی خواهد شد [4]
-2شبیه سازي برج هاي دیوار میانی
تا به حال مدل استاندارد برج دیوار میانی به عنوان یک بسته نرم افزاري ارائه نشده است، بنابراین این برج ها را به برج هاي معمولی تجزیه میکنند. براي شبیه سازي برج دیوار میانی چندین مدل معرفی شده است که هر کدام مزیت ها و معایبی دارد که عبارتند از:
-1-2 مدل پمپ جانبی:
در این مدل قسمت هاي مختلف برج دیوار میانی به طور عمودي در بالاي یکدیگر قرار می گیرندو تماس مایع و بخار با استفاده از پمپ هاي جانبی تنظیم می شود. این مدل از نظر محاسباتی ساده تر و آسان تر در مقایسه با مدل هاي دیگر است زیرا شامل تنها یک برج براي شبیه سازي میباشد. اما در همگرایی شبیه سازي این مدل مشکلاتی به وجود می آید زیرا در دو نقطه برج کل بخار و مایع از برج بیرون کشیده می شود که در شکل 3
نمایش داده شده است .[5]
شکل .3 مدل پمپ جانبی برج دیوار میانی [6]
-2-2 مدل دو ستون:
در این مدل قسمت پیش جدا ساز و اصلی به دو برج ساده تجزیه میشود. چندین چینش دو ستون موجود است که از نظر ترمودینامیکی با برج دیوار میانی برابر است. که دو نمونه از آن در شکل 4 نشان داده شده است. این دو پیکر بندي از نظر زمان همگرایی و نتایج تفاوتی با هم ندارند اما براي راه اندازي، این مدل نسبت به مدل پمپ جانبی آسان تر و از نظر انعطاف پذیري بهتر است .[6]
شکل.4 دو نمونه از مدل دو ستون براي برج دیوار میانی[6]
-3-2 مدل چهار ستون:
همانطور که در شکل 5 می بینید در این مدل برج دیوار میانی به چهار برج ساده تجزیه میشود که عبارتند از قسمت خوراك ، قسمت محصول ، قسمت بالا و پایین. این مدل بهترین موقعیت قسمت هاي برج را نشان می دهد اما سخت ترین مدل براي مقدار دهی اولیه است و نیز به آرامی هم گرا میشود. بیشترین انعطاف پذیري این مدل به خاطر ویژگی قسمتهاي
مختلف برج و جدا کنندههاي مایع و بخار است. بنابراین این پیکربندي براي شبیه سازي دینامیک مناسب ترین روش است]
.[7
شکل.5 مدل چهار ستون[6]
-3کاربرد برج دیوار میانی در صنعت
براي جایگزین کردن برج هاي معمولی با برج دیوار میانی دو روش موجود است. روش اول، ساخت یک برج دیوار میانی جدید است و روش دوم، برج دیوار میانی را با دوباره بکار بردن بعضی از تجهیزات و اجزا داخلی برج هاي معمولی، ساخته و راه اندازي می شود که به برج دیوار میانی جایگزین شده2 معروفند که این روش از نظر هزینه ساخت مقرون به صرفه تر است.
6. Retrofit
براي جایگزینی برج هاي معمولی با یک برج دیوار میانی ابتدا پارامترهاي طراحی و نیز نسبت سرعت جریان بخار به حداکثر سرعت آن اندازه گیري می شود که اگر این نسبت در محدوده قابل قبولی باشد[8] به عنوان یک پارامتر تصمیم گیري براي جایگزینی بکار می رود.
-4 مطالعه موردي:
در این مقاله طراحی برج دیوار میانی براي جایگزینی دو برج تقطیر واحد خالص سازي ماده 1و3 بوتادین پتروشیمی امیرکبیر به عنوان مطالعه موردي صورت گرفته است.
-1-4 شرح فرآیند
خالص سازي ماده 1و3 بوتادین که در صنعت لاستیک سازي کاربرد وسیعی دارد، مورد توجه پتروشیمی قرار گرفته است.
ازین رو خروجی واحد دي بوتانایزر که تحت عنوان C4 خام می باشد وارد واحد جداسازي 1و3 بوتادین می شود و پس از عبور از تقطیر استخراجی جریان 1و3 بوتادین با خلوص تقریبا 98 درصد وارد دو برج خالص سازي مورد نظر می گردد که در برج اول متیل استیلن و در برج دوم 1و2 بوتادین از 1و3 بوتادین جدا می گردد و محصول 1و3 بوتادین با درجه خلوص حدود
99/7 درصد از بالاي برج دوم جدا می گردد به منظور جلوگیري از پلیمریزاسیون از محلول 85 درصد TBC در آب استفاده می گردد که به جریان رفلاکس هر دو برج تزریق می شود.[9]
-2-4 شبیه سازي دو برج معمولی خالص سازي 1و3 بوتادین:
جریان خوراك جهت شبیه سازي این برج شامل 1و3 بوتادین، 1و2 بوتادین، متیل استیلن، سیس--2بوتن، ترانس -2
بوتن، ایزوبوتن، ترکیبات 5 کربنه اشباع نشده و هم چنین ناخالصی هاي غیر هیدروکربنی نظیر آب و TBC می باشد .
در این مقاله شبیه سازي دقیق دو برج براي خالص سازي 1و3 بوتادین با استفاده از نرم افزار ASPEN PLUS انجام شده است(شکل.(6
شکل.6 شبیه سازي دوبرج معمولی
-3-4 شبیه سازي برج پتلیوك :
با توجه به شکل (7) پارامترهاي مورد نیاز براي شبیه سازي برج پتلیوك مشخص شده است براي دستیابی به این پارامترها برج پتلیوك به برج هاي ساده تجزیه و مدل می شود. یک مدل سازي ساده از برج پتلیوك مدل ستون هاي سه گانه می باشد.
شکل .7 پارامترهاي مورد نیاز براي طراحی برج پتلیوك
دراین مدل قسمت پیش جداساز وقسمت هاي بالاوپایین برج اصلی به صورت مجزا به سه برج ساده تجزیه می شوند ومحصول پایین برج دوم و محصول بالاي برج سوم باهم مخلوط شده ومحصول میانی برج را تشکیل می دهد .[10]
طراحی اولیه برج پتلیوك در نرم افزار ASPEN PLUS، توسط مدل DSTWU انجام می شود که این مدل از روش وین-
آندروود-گلیلند3و کرکبرید4 استفاده می کند که معادلات وین حداقل تعداد مراحل، آندروود حداقل نسبت برگشتی و گلیلند مراحل مورد نیاز در نسبت برگشتی انتخاب شده را مشخص می کند و کرکبراید سینی خوراك را تعیین می نماید. در این مدل، فراریت نسبی و جریان مولی را ثابت فرض می کنند. در این طراحی قسمت اعظم خوراك متشکل از سه سازنده متیل استیلن ، 1و3بوتادین و 1و2بوتادین است که به ترتیب سازندهاي کلیدي سبک ، میانی و سنگین نامیده می شوند. در روش میانبر براي برج اول (پیش جداساز) دو سازنده کلیدي انتخاب شده براي طراحی، متیل استیلن به عنوان سازنده کلیدي سبک و 1و2بوتادین سازنده کلیدي سنگین می باشد. براي برج دوم 1و3بوتادین (سازنده کلیدي میانی) به عنوان سازنده کلیدي سنگین درنظر گرفته می شود و متیل استیلن به عنوان سازنده کلیدي سبک باقی می ماند.براي برج سوم 1و3بوتادین به عنوان سازنده کلیدي سبک و 1و2بوتادین سازنده کلیدي سنگین در نظر گرفته می شود .
