بخشی از مقاله
چکیده
شکست حرارتی هیدروکربنها یکی از مهمترین مراحل در صنعت پتروشیمی برای تبدیل مواد خام هیدروکربنی به محصولات با ارزش بالاتر مانند اتیلن و پروپیلن است. کورههای کراکینگ در سراسر جهان بهعنوان هسته و قلب تجهیزات برای تولید الفینها در صنعت پتروشیمی شناخته میشود.
در این پژوهش به بررسی و شبیهسازی بخش جابهجایی کوره کراکینگ واحد الفین پتروشیمی مارون با استفاده از نرمافزار فلوئنت پرداخته شده است. شایان ذکر است که این کوره برای استفاده از هر دو خوراک اتان و پروپان طراحی شده و شبیهسازی همزمان از هر دو قسمت محفظه بخش جابهجایی و لولههای کویل - HTC-II - برای این کوره کراکینگ صنعتی با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - انجام شده است. برای بررسی و تفسیر ویژگیهای آشفتگی، از مدل k استاندارد در هر دو قسمت لولهها و محفظه جابهجایی در این کویل، استفاده شده است.
نتایج حاصل از شبیهسازی تطابق قابل قبولی را با دادههای صنعتی نشان داده است. حداکثر خطای محاسبات برای دمای خروجی از محفظه جابهجایی در مبدل 8% HTC-II و برای دمای خروجی از لوله در این مبدل حدود %10 بهدست آمده است و این موضوع با توجه به سادهسازیهایی که برای کاهش زمان و حجم محاسبات صورت گرفته است، مقداری منطقی و قابل قبول است. نتایج این شبیهسازی برای طراحی و بهرهبرداری در کورههای کراکینگ مفید خواهد بود و میتواند مبنایی برای تحقیقات آتی در زمینه کورههای مشابه باشد.
نکات برجسته پژوهش
· شبیه سازی سه بعدی بخش جابهجایی کوره کراکینگ با ابعاد صنعتی - هندسه نامتقارن - به روش CFD
· روند خطی پروفایل دمای درون لولههای مبدل حرارتی با وجود هندسه نامتقارن
-1 مقدمه
امروزه در سراسر جهان با رشد اقتصادی و افزایش تقاضا برای کالاهای مصرفی، نیاز به الفینها در حال گسترش است. الفینها، یکی از مهمترین مواد شیمیایی و مواد خام در صنایع نفتی هستند که برای تولید آنها از فرآیند کراکینگ حرارتی و یا کراکینگ کاتالیستی هیدروکربنهای گازی مثل اتان، پروپان و بوتان و LPG و یا خوراک مایع مثل نفتای سبک و سنگین و گازوئیل استفاده میشود
کوره کراکینگ یک تجهیز کلیدی در تولید اتیلن است که بازدهی و بهرهوری مواد اولیه، گزینشپذیری محصولات مهم، مصرف انرژی تجهیزات و... را تحت تاثیر قرار میدهد .[2] این کورهها، به دو بخش اصلی تقسیم میشوند :[1]
-1 بخش تشعشعی یا محفظه احتراق
-2 بخش جابهجایی یا بازیابی حرارتی در بخش تشعشعی عملیات احتراق صورت میگیرد و در بخش جابهجایی انرژی باقیمانده از گازهای
حاصل از احتراق که بخش تشعشعی را ترک میکنند، برای پیشگرم کردن و تبخیر کردن مواد خام هیدروکربنی و همچنین تولید بخار مافوق گرم استفاده میشود. در نتیجه، بخش جابهجایی با تعداد زیادی از مبدلهای حرارتی که به صورت افقی آویزان شدهاند، پر شده است
باتوجه به محدودیت وسایل اندازهگیری، بسیاری از پارامترهای مهم برای عملیات فرآیند و طراحی در کورههای کراکینگ قابل دسترس نیست و این محدودیت، درک مکانیسم عملیات و انجام بهینهسازی را در کورههای کراکینگ دشوار میکند. در سالهای اخیر بسیاری از محققان برای رفع این مشکل روش دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - را برای شبیهسازی جریان سیال، احتراق و انتقالحرارت در کوره کراکینگ استفاده کردهاند
اخیرا محققان توانستهاند با استفاده از روش قدرتمند CFD شبیهسازیهای دقیقتری را از بخش تشعشعی کوره و راکتورهای لولهای و پارامترهای مورد بررسی ارائه دهند 11]؛.[5 لن1 و همکاران [12] شبیهسازی انواع مختلف کورههای کراگینگ را با استفاده از نرمافزارهای CFD انجام دادهاند و پروفایلهای دقیق سرعت، دما و غلظت را بهدست آوردهاند.
هو2 و همکاران 14]،[13 روش حل همزمان برای شبیهسازی محفظه احتراق را بهبود دادهاند و از نرمافزار کامسول برای شبیهسازی یک بعدی لولهها استفاده کردهاند. نتایج نشان میدهند که این روش میتواند بازدهی محاسباتی سمت گاز فرآیندی را به مقدار زیادی بهبود دهد.
مطالعات بخش جابهجایی در اوایل بر روی محاسبات پدیدهی ماکروسکوپی تمرکز داشته است [17-15] در نتیجه، درک کاملی از فرآیندهایی که رخ میدهند را نمیتوان در نظر گرفت
با توسعه و پیشرفت روش CFD و تکنولوژی کامپیوتر، تحقیقات در پدیدههای میکروسکوپی بخش جابهجایی نیز بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
با توجه به اهمیت و تاثیر تشکیل کک در عملیات بازیابی حرارتی، فرایند تشکیل کک در سوپرهیتر بخش جابهجایی کوره واحد اتیلن یک کارخانه به کمک روش CFD توسط ماهول کار3 و همکاران [18] شبیهسازی شده است. مرتینگر4 و همکاران [19] علت خوردگی لولههای گرمایی در بخش جابهجایی را با نرمافزار فلوئنت مورد مطالعه قرار دادند.
دی چیپر5 و همکاران [3] به بررسی مدلسازی سه بعدی از تبخیر هیدروکربنها در داخل لولههای بخش جابهجایی کوره کراکینگ در شرایطی که شار حرارتی و خواص هیدروکربنها ثابت بماند پرداختهاند. این محققان از مدل کسر حجمی سیال برای مدلسازی جریان دو فازی مایع-بخار استفاده کردهاند.
اخیراً هو و همکاران [2] برای اولین بار یک شبیهسازی همزمان کامل از هر دو قسمت محفظه جابهجایی و لولهها با دو مرحله اختلاط بخار و خوراک برای یک کوره کراکینگ اتیلن صنعتی به روش CFD ارائه دادهاند و نتایج این تحقیق نشان میدهد که پروفایل دما و سرعت با توجه به ساختار نامتقارن محفظه بخش جابهجایی در جهت عرضی توزیع ناهمگنی را داراست.
بررسی مطالعات انجام شده نشان میدهد که عمده پژوهشهای موجود، به بررسی بخش تشعشعی کوره کراکینگ پرداخته است و کمتر به بررسی بخش جابهجایی توجه شده است. بنابراین بررسی این بخش میتواند راهی را برای پژوهشهای بعدی نمایان سازد. لذا در پژوهش حاضر شبیهسازی همزمان هر دو قسمت محفظه بخش جابهجایی و لولههای کویل - HTC-II - کوره کراکینگ واحد الفین پتروشیمی مارون - ابعاد صنعتی - با استفاده از نرمافزار فلوئنت انجام شده است.
با توجه به مطالعات انجام شده، در این پژوهش برای اولین بار به بررسی و شبیهسازی بخش جابهجایی کورههای اولفین در ایران با ابعاد صنعتی با استفاده از روش CFD پرداخته شده است. شایان ذکر است که دادههای حاصل از شبیهسازی تطابق قابل قبولی را با دادههای صنعتی نشان داده است و نتایج این پژوهش برای طراحی و بهرهبرداری در کورههای کراکینگ مفید خواهد بود و میتواند مبنایی برای تحقیقات آتی در زمینه کورههای مشابه باشد.
-2 شبیهسازی فرآیند انتقال حرارت در بخش جابهجایی کوره اولفین با استفاده از روش CFD
در این پژوهش با توجه به دادههای موجود، از دو مرحله شبیهسازی استفاده شده است. در مرحله اول با استفاده از نرمافزار Aspen HYSYS V8.8 ، یک شبیهسازی کلی از بخش جابهجایی کوره ارائه شده و خواص سیالات مورد استفاده در کوره از این طریق حاصل میشود
