بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازي و بهینه سازي پارامترهاي عملیاتی برج واحد تثبیت میعانات گازي در پالایشگاه پنجم پارس جنوبی
چکیده
کیفیت محصول صادراتی واحد تثبیت کننده میعانات گازي از منظر تنظیم فشار بخار بسیار حائز اهمیت است . روش متداول براي اندازه گیري مقدار فشار بخار، تست عملی اندازه گیري فشار بخار رید((RVP می باشد که به دلیل نبود مطالعات تجربی و تئوري مناسب ، بهینه سازي فرآیند مذکور در راستاي بهبود محصولات تولیدي و کاهش زمان و هزینه بیش از پیش احساس می شود .لذا دراین مطالعه ابتدا شبیه سازي استاتیک و دینامیکی واحد تثبیت کننده میعانات گازي فاز 10&9 پارس جنوبی بااستفاده ازنرم افزارمتلب با استفاده از ممعادله هاي حالت پنگ-رابینسون (PR) و سو – ردلیش –کوانگ ( (SRK انجام شد و شرایط دینامیک برج با کنترلرهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با استفاده از مدل سازي ریاضی ، فرآیند بهینه سازي به منظورتنظیم RVP با استفاده از داده هاي شبیه سازي و الگوریتمی بر اساس مدل عدم آب و هوا-( air and-water free)و معادلات حالت سو – ردلیش- کوانگ انجام گرفت . سپس نتایج ومتغیرها مورد آنالیز قرار گرفت و نتایج حاصل ازبهینه سازي بررسی ومقایسه شد.RVP محصول ته ماندبرج به عنوان تابع هدف و پارامترهاي مؤثر در تغییر میزان RVP شناسایی و مورد بررسی قرار گرفت و در پایان نتایج مدل براي تخمین تئوري RVP برج تثبیت کننده میعانات گازي واحد تثبیت میعانات گازي فاز 10&9 پالایشگاه گاز پارس جنوبی ارائه گردیده است .
کلمات کلیدي:شبیه سازي ،بهینه سازي، فشار بخار رید ،تثبیت میعانات گازي
-1 مقدمه
پایداري میعانات گازي با روش تقطیر رایج ترین روش براي افزایش پایداري میعانات گازي در صنعت گاز می باشد. در طول این فرایند هیدروکربن هاي سبک متان – اتان – پروپان و بوتان از خوراك حذف شده و این جدایش باعث افزایش پایداري محصول می شود. محصول خروجی شامل مقدار زیادي پنتان و هیدروکربن هاي سنگین می باشد. البته درصد خیلی کمی بوتان نیز در محصول خروجی وجود دارد. این فرایند در واقع جدایش سبک ترین مایع(پنتان) از سنگین ترین گاز ( بوتان) است . هیدروکربن هاي مایع از جداکننده وارد مبدل حرارتی شده و پس از گرم شدن وارد مخزن ورودي برج تثبیت می شوند. مایع خروجی از مخزن تحت فشار 50 psi تا 200 (وابسته به ترش و شیرین بودن میعانات) وارد برج تقطیر می شود. برج تثبیت کننده با جدا کردن هیدروکربن هاي سبک باعث کاهش فشار بخار محصول خروجی می شود.[1]یکی ازمهمترین مسائل در محصول واحدهاي تثبیت کننده میعانات گازي تنظیم پارامتر RVP در مخازن نگهداري است .واحدتثبیت کننده میعانات گازي یکی ازحساس ترین ومهمترین قسمتهاي عملیاتی درصنایع گازبه شمارمی آید.هدف عملیاتی واحد تثبیت کننده میعانات گازي دستیابی به محصولی با RVP پایین ، استاندارد وتحت کنترل وپایدار،افزایش تولید وکیفیت محصول همراه باکاهش هزینه هاي عملیاتی به دلیل ملاحظه هاي اقتصادي است . بنابراین،طراحی مهندسی وراهبردکنترل وبهینه سازي فرآیند براي بهبود بازدهی وکیفیت تولید،به ویژه درصنایع گازدرچندسال اخیربسیارموردتوجه قرارگرفته است. [2] RVP به فشار بخار یک مخلوط در دماي °100 F گفته می شود . هر چه مخلوط داراي اجزاء سبک تري باشد، طبیعتاً RVP افزایش می یابد و بالعکس هرچه مخلوط داراي اجزایی باشد که فراریت پایینی داشته باشند، RVP مخلوط پایین می آید.[3] محصولات پایین برج تثبیت کننده که شامل میعانات گازي C5+ است داراي RVPمشخصی است . معمولاً میزان RVP با توجه به درخواست مشتري تنظیم می گردد. ولی در حالت استاندارد RVP در فصول سرد و گرم به ترتیب 12 Psia و 10 می باشد. همانطور که گفته شد RVP وابسته به ترکیب محصول می باشد که ترکیب محصول ارتباط مستقیم با دماي قسمت تحتانی و فشار عملیاتی برج دارد.
در این مقاله ابتدا مدل سازي برج تقطیر واحد تثبیت کننده پالایش گازي واقع در فاز 9و10 پارس جنوبی(عسلویه، ایران) ارائه شده است . مدل سازي انجام شده توسط معادله هاي حالت PR و SRK توسط نرم افزار متلب انجام شده است. سپس مقدار RVP محصول توسط نرم افزار Design Expert و داده هاي متلب بهینه سازي شده و نتایج توسط هر دو مدل ارائه شده است.
-2 مدل سازي ریاضی برج
برج تثبیت کننده واحد میعانات گازي شامل خوراکی ترش شامل گستره هیدروکربن هاي مختلف تا C20+ و گازهاي CO2 ، N2 و H2S می باشد. برج شامل 19 سینی عملیاتی بوده که توسط تغییر نقطه جوش ، هیدروکربن هاي C5+ را از خوراك جدا می کند. گازهاي جدا شده از بالاي برج پس از سرمایش وارد کندا نسور کامل شده و با درصد جریان برگشتی کم از سیستم خارج می شوند . برج داراي ریبویلر با ظرفیت حرارت مناسب براي تبخیر دبی مایع خارج شده از برج و تبدیل آن به بخار می باشد. مشخصات و شرایط خوراك، مشخصات جریان هاي کنارگذر در جدول 1 قابل مشاهده است. شکل 1 نیز به صورت شماتیک نمایی از برج را نشان می دهد.
روشی که براي مدل سازي برج تثبیت میعانات گازي در این مطالعه در نظر گرفته شده است روش مجموع دبی ها (Sum Rates)است. براي پیش بینی ضرایب تعادل در خوراك از مدل هاي SRK و PR استفاده شده است.[4]براي مدل سازي ابتدا حدسیابی براي ترکیب دما، دبی بخار انجام می گیرد. سپس توسط دو مدل SRK و PR مقادیر K براي هر سینی و ترکیب محاسبه می شود. سپس توسط روش ماتریس ABC معادلات انتقال جرم حل میشود. با حل ماتریس حاصل از معادلات انتقال جرم براي هر سینی توسط روش گوس مقادیر ترکیب فاز مایع براي هر ماده و در هر سینی بدست می آید. در ادامه با اصلاح مقادیر دبی بخار با استفاده از موازنه جرم کلی براي هر سینی و تصحیح مقادیر دما با استفاده از موازنه آنتالپی حول هر سینی فرایند تکرار ادامه پیدا کرده تا مقادیر حدس زده شده همگرا شوند. معادلات استفاده شده براي مدل سازي به قرار زیر است [5]:
با توجه به شکل 2 براي هر سینی معادلات موازنه جرم، انرژي، مجموع جزء مولی و معادلات تعادل فازي بوسیله معادلات (1) تا (5) محاسبه می شوند .
به جاي استفاده کردن از دو که مربوط به جزء مولی اجزا در هر سینی است؛ با استفاده از ترکیب این دو معادله با معادله موازنه جرم ، یک معادله موازنه جرم کلی بدست می آید که موازنه جرم براي مجموع اجزاء حول سینی 1 تا سینی j ام است.
معادلات مربوط به ماتریس سه قطري به شرح زیر است :
با استفاده از معادله (1) و جاگذاريyi,jاز معادله (2) و Lj از معادله (6) داریم :
که در معادله بالا ثابت ها به صورت زیر تعریف می شود:
و در نهایت داریم :
قبل از اینکه مقادیر x نرمالایز شود مقادیر Lj و Vj با استفاده از معادله 6 محاسبه می شود :
حال مقادیر x نرمالایز شده و سپس مقادیر yبا استفاده از معادله (2) استخراج می شود. سپس مقادیر y نرمالایز میشود
بعد از به دست آوردن و نرمالایز کردن مقادیر x , y ، دما درهر سینی با استفاده از معادله (5) محاسبه می گردد.در تمام
معادلات بالا به دلیل عدم وجود جریان جانبی در برج تقطیر واحد تثبیت U = 0 و W = 0 است.
که در این معادلات L دبی مایع،V دبی بخار ،F دبی خوراك،W دبی بخارات خروجی از سینی،U دبی مایعات خروجی از سینی،x جزء مولی فاز مایع،y جزء مولی فاز بخار،A و B و C وD ضرایب ماتریس سه قطري ،h آنتالپی است .
-3 مدل سازي دینامیک برج
داده هاي لازم جهت شبیه سازي دینامیک به سه دسته کلی داده هاي مربوط به طراحی برج تقطیر، خواص مربوط به ترکیبات ورودي و شرایط عملیاتی (دما ، فشار ، جریان و آنتالپی) در خوراك و جریان هاي جانبی و شرایط برج در حالت استاتیک که خروجی برنامه حالت پایا است و تحت تابع column فراخوانی می شود طبقه بندي می شوند.[8-6] اولین مرحله براي شبیه سازي دینامیک، محاسبه ماندگی مایع اولیه سینی ها، مخزن کندانسور و ریبویلر است. براي محاسبه ماندگی مایع روي هر سینی ابتدا با توجه به ترکیب هر سینی در حالت پایا، دانسیته و وزن مولکولی میانگین در هر سینی محاسبه شده و سپس با استفاده از معادله فرانسیس ماندگی هر سینی به دست می آید:[9 ]
D و L به ترتیب قطر و ارتفاع برج ،WHS و WLS به ترتیب ارتفاع و طول قسمت دفع برج است. براي محاسبه ماندگی مایع در درام کندانسور و ریبویلر از داده هاي مساحت و ارتفاع استفاده شده است و با توجه به اینکه مقدار ارتفاع سطح مایع در هر دو درام 50 درصد ارتفاع کل گرفته شده است ، ماندگی مایع نصف حجم محاسبه شده می شود. براي محاسبه ماندگی هر جزء در هر سینی، مقدار ماندگی در هر سینی در ترکیب همان جزء در سینی ضرب می شود.براي اعمال شرایط دینامیک حلقه زمانی با ساختار while آغاز می شود. شرط حلقه مقدار زمان دلخواه براي بررسی روند دینامیک برج است. در ابتداي حلقه مقدار دماي شبنم تمامی سینی ها محاسبه شده و ترکیب درصد مایع اصلاح شده سپس درصد فاز بخار محاسبه می شود. براي جلوگیري از پیچیده شدن محاسبات براي شبیه سازي دینامیک مقادیر k value از معادله تجربی ویلسون محاسبه شده است.[10] در این معادله با استفاده از خواص بحرانی و ضریب بی مرکزي، مقدار ضریب تعادل براي هر ماده تحت دما و فشار مشخص بدست می آید.
براي اصلاح دما طبق محاسبات نقطه حباب و شبنم ، مقادیر دما حدس زده می شود و سپس مقدار ترکیب فاز مایع محاسبه می شود. این حلقه تا زمانی که مجموع ترکیبات 1 شود ادامه می یابد. در مرحله بعد آنتالپی فاز بخار و مایع تمامی جریان ها با استفاده از ظرفیت حرارتی مایع و گاز و آنتالپی تبخیر، محاسبه می شوند [11]. سپس محاسبات تبخیر ناگهانی براي جریان کنارگذر برج( که از سینی 12 خارج شده و پس از تبادل گرما در مبدل به سینی شماره 13 بازگردانده می شود) انجام می شود و مقادیر ترکیب و دماي جریان ورودي به سینی 13 تعیین می شود. سپس آنتالپی این جریان ها محاسبه می شود.
مقادیر دبی بخار با استفاده از گرماي ریبویلر و موازنه انرژي سینی به سینی از قسمت تحتانی برج تا قسمت فوقانی برج محاسبه می شود.
