بخشی از مقاله
چکیده
امروزه مصرف منطقی انرژی در صنایع بویژه صنایع نفت، گاز و پتروشیمی که از انرژی بری بالایی برخوردارند، به عنوان یک ضرورت مورد توجه صاحبان صنایع قرار گرفته است. بدین منظور برنامهریزیهای متعددی بر پایه استانداردها و معیارهای علمی مصرف بهینه حاملهای انرژی در بسیاری ازکشورها در دست اقدام است. " کیفیت حرارت" در کنار کمیت انرژی موجود در جریان خروجی، یکی از متغیرهای اصلی تأثیر گذار روی میزان توجیهپذیری اقتصادی طرحهای بازیافت حرارت میباشد.
کاهش هزینههای انرژی مصرفی به طور مستقیم و کاهش آلودگیهای زیست محیطی، اندازه تجهیزات و مصرف انرژی تجهیزات جانبی همگی از مزایای غیر مستقیم بازیافت حرارت از جریانهای خروجی میباشد. حتی در برخی از کاربردها بازیافت حرارت از جریانهای خروجی منجر به افزایش ظرفیت تولید در واحد صنعتی میشود. برخی از سیستمهای بازیافت حرارت متداول عبارتند از رکوپراتورها، بویلرهای بازیافت حرارتی، لوله های حرارتی، اکونومایزرها و بازیافت متناوب حرارت.
رکوپراتورها مبدل های حرارتی می باشند که با استفاده از انرژی حرارتی گازهای خروجی از دودکش کوره - Flue gas - جهت پیش گرم نمودن هوای احتراق ورودی به کوره مورد بهره برداری قرار می گیرند. استفاده از این سیستم سبب می گردد علاوه بر افزایش دمای شعله به مقدار قابل توجهی نیز در مصرف سوخت کوره صرفه جوئی حاصل گردد، لذا می توان بیان نمود به کارگیری صحیح این نوع مبدل ها علاوه بر اینکه نوعی بهینه سازی مصرف انرژی محسوب می شود سبب افزایش کارائی کوره مورد نظر نیز می گردد.
در این مقاله پس از اینکه رکوپراتورهای حرارتی و انواع آن به اختصار مورد بررسی قرار می گیرد، با استفاده از آنالیز گازهای خروجی از کوره BA-101 واحد آروماتیک پتروشیمی بندر امام خمینی شبیه سازی رکوپراتورهای حرارتی جهت کوره مذکور صورت می پذیرد. شبیه سازی بر مبنای قوانین انتقال حرارت در مبدل های حرارتی و نیز بهره گیری از استانداردهای جهانی موجود - استاندارد - TEMA ، و با بکارگیری نرم افزار Aspen Hetran که از زیر مجموعه های Aspen HTFS+ است، صورت می پذیرد. نتایج حاصل از شبیه سازی در جداولی جداگانه تهیه و ارائه گردیده است که امکان مقایسه آن ها را نیز فراهم می سازد.
-1 مقدمه
تمامی فرآیندها و تجهیزات صنعتی برای انجام وظیفه مورد نظر، نیاز به دریافت انرژی دارند لکن از آنجا از امکان تبدیل تمام انرژی ورودی به کار مفید وجود ندارد، بخشی از این انرژی به شکل حرارت تلف می شود. از اینرو به منظور استفاده مجدد از این حرارت تلف شده و صرفه جویی در مصرف سوخت، سیستمهای متعددی توسعه یافته اند که به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. برای انتخاب سیستم بازیافت حرارت مناسب قدم اول شناسایی تلفات حرارتی در فرآیند و برآورده پتانسیل صرفه جویی انرژی است.
برای انجام این کار، همواره باید دو عامل مورد بررسی قرار گیرند که عبارتند از : درجه حرارت و نرخ جریانهای خروجی. اصول کلی عملکرد اغلب سیستم های بازیافت حرارت، انتقال حرارت از جریان خروجی با دمای بالا به یک جریان ورودی با دمای پایین تر است. بدین ترتیب بخش عمده ای از حرارت تلف شده به یک جریان دیگر منتقل می شود.
البته باید توجه داشت، استفاده از سیستم ها بازیافت حرارت، زمانی توجیه دارد که بتوان حرارت تلف شده را در جایی دیگر و به شکلی مفید مورد استفاده قرار داد از جمله کاربردهایی که برای سیستمهای بازیافت حرارت وجود دارد، می توان به پیشگرم کردن هوای احتراق، گرمایش فضاهای بسته ، تولید آب گرم ، گرمایش فرآیند، تولید بخار و پیشگرم نمودن آب تغذیه بویلر اشاره نمود. برخی از سیستمهای بازیافت حرارت متداول عبارتند از رکوپراتورها، بویلرهای بازیافت حرارتی،لوله های حرارتی ، اکونومایزرها و بازیافت متناوب حرارت.
-2 رکوپراتورهای حرارتی و انواع آن
رکوپراتور ها مجموعه ای از مبدل های حرارتی هستند که جهت انتقال حرارت از گازهای گرم تولید شده در محفظه احتراق به هوای سرد مورد استفاده در فرآیند احتراق، به کار می روند. گرمایی که به کوره باز می گردد باعث افزایش راندمان آن می شود علاوه بر آن دمای شعله نیز به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد.
شکل : - 1-1 - بازیابی حرارت اتلافی با استفاده از رکوپراتور حرارتی
-1-2 رکوپراتور تشعشعی فلزی
ساده ترین شکل برای رکوپراتورها ، رکوپراتورتشعشعی فلزی است که شامل دو لوله هم مرکز طولی می باشد، لوله داخلی گازهای گرم خروجی از کوره را به همراه دارد و لوله بیرونی حاوی هوای مورد نیاز کوره جهت احتراق می باشد. بدین ترتیب هوای احتراق توسط انرژی گرمائی گازهای دودکش که بدون هیچگونه استفاده ای وارد محیط اطراف می گردید، گرم می شوند وبا انرژی افزوده وارد محفظه احتراق می گردد .
-2-2 رکوپراتور جابجائی
نوع دوم از رکوپراتورها به رکوپراتورهای نوع پوسته لوله ای یا جابجائی معروف می باشد. گازهای گرم حاصل از احتراق از درون تعداد لوله موازی با قطر کم عبور می نماید این در حالیست که هوای ورودی وارد محیط پوسته شده و با گازهای گرم حاصل از احتراق که در لوله در جریان است تبادل حرارت می نماید. رکوپراتورهای پوسته لوله نسبت به رکوپراتورهای تشعشعی دارای بازده بیشتری می باشند دلیل این امر هم وجود سطح مناسب جهت تبادل حرارتی مابین سیال گرم - گازهای حاصل از احتراق - و سرد - هوا - می باشد که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت در این نوع از رکوپراتورها می گردد.
-3-2 رکوپراتورهای هیبریدی
به منظور افزایش انتقال حرارت موثر از رکوپراتورهای هیبریدی استفاده می گردد، این نوع از رکوپراتورها ترکیبی از دو نوع رکوپراتور مذکور یعنی رکوپراتور جابجایی و تشعشعی می باشد که یک واحد تشعشعی با دمای بالا و به دنبال آن یک بخش جابجائی را شامل می گردد.
-4-2 رکوپراتور سرامیکی
محدودیت عمده بازیابی انرژی از رکوپراتور تشعشعی فلزی کاهش عمر آنها در دماهای بیشتراز 1100 PoPC می باشد. برای محدوده های دمایی بالا به سبب ناکارآمدی رکوپراتورهای فلزی از رکوپراتورهای با لوله های سرامیکی استفاده می گردد. این نوع رکوپراتورها از لحاظ عملیاتی می توانند در محدوده دمای گازی - دمای گاز خروجی از دودکش کوره - در حدود 1550 PoPC و برای پیش گرم کن هوا تا 815 PoPC مورد استفاده قرار گیرند.
-3 شبیه سازی سیستم پیش گرمکن هوائی کوره
در قسمت های قبل توضیحات اجمالی در ارتباط با انواع رکوپراتورهای حرارتی هریک ارائه گردید، در این بخش هدف بر این است که با استفاده از نرم افزار Aspen Hetran که از زیر مجموعه های Aspen HTFS+ می باشد، رکوپراتور حرارتی و یا به عبارتی دیگر مبدل حرارتی پیش گرمکن هوائی کوره، طراحی گردد. برای این منظور یکی از کوره های واحد آروماتیک پتروشیمی بندر امام خمینی با نام کوره BA-101 را به عنوان نمونه مورد مطالعه انتخاب نموده و با استفاده از انرژی حرارتی گاز خروجی از دودکش کوره - Flue gas - رکوپراتور حرارتی به منظور افزایش دمای هوای ورودی به کوره شبیه سازی می گردد .
-1-3 شبیه سازی رکوپراتور حرارتی جهت کوره BA-101 واحد آروماتیک پتروشیمی بندر امام خمینی با کمک نرم افزار Aspen Hetran
با توجه به نیاز روز افزون صنعت به انجام محاسبات سریع، دقیق و کم هزینه، استفاده از رایانه و مزایای آن اجتناب ناپذیر است. از کاربردهای موثر رایانه در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، شبیه سازی توسط نرم افزارهای خاص و از جمله نرم افزار Aspen HTFS+ است. این نرم افزار به گونه ای برنامه ریزی شده است که صحت و سرعت شبیه سازی را به سادگی کار شبیه سازی تلفیق می نماید.
این نرم افزار برای طراحی جدید قادر است به سرعت مدلها را برای ارزیابی گزینه های متعدد بوجود آورد، پس از گزینش چند طرح برتر، می توان مدلهایی بسیار واقع بینانه بر مبنای آنها ایجاد نمود. برنامه مورد استفاده جهت انجام شبیه سازی در مقاله پیش روی نرم افزار Aspen Hetran است که از زیر مجموعه های Aspen HTFS+ می باشد، این نرم افزار برنامه ای برای طراحی ، ارزیابی و شبیه سازی مبدل های پوسته و لوله در کلیه کاربردهای صنعتی نظیر انتقال حرارت بدون تغییر فاز ، میعان و تبخیر می باشد که از سه حالت شبیه سازی بهره مند می باشد :
- 1 در حالت طراحی - Design Mode - ، نرم افزار مبدل حرارتی بهینه را با بار حرارتی مشخص و با در نظر گرفتن محدوده های افت فشار مجاز ، سرعت ، قطر پوسته ، طول لوله و دیگر محدودیت هایی مشخص شده ، طراحی می نماید.
- 2 در حالت ارزیابی - Rating Mode - ، نرم افزار کارآیی یک مبدل موجود - ساخته شده - را در شرایط عملیاتی مورد نظر بررسی می کند. در این حالت نرم افزار مشخص می کند که آیا سطح انتقال حرارت موجود در شرایط مورد نظر اهداف را برآورده می سازد یا خیر.
