بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت و کاربرد فراوان سه ماده نیتروژن، اکسیژن و آرگون در صنعت و علوم زیستی و نیاز به تولید این مواد با خلوص بالا و در حجم انبوه، امروزه به روش های مختلفی برای این مواد به کار برده می شود بر این اساس موضوع طراحی و شبیه سازی فرایند تولید این سه ماده به روش سرمایشی هوا با استفاده از نرم افزار مورد مطالعه قرار گرفت . تکنولوژی به کار رفته در فرایند مورد بحث، تکنولوژی لینده می باشد.
مشخصه مهم این تکنولوژی تأمین بار سرمایشی فرایند با استفاده از انبساط هوا - براساس اثر ژول- تامسون - می باشد که این افزایش حجم توسط توربین انبساطی انجام می گیرد. در قسمت دوم شبیه سازی بار سرمایشی قابل استحصال ایستگاههای تقلیل فشار گاز شهری مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت امکان استفاده از بار سرمایشی ایستگاههای تقلیل فشار در فرایند تفکیک هوا جهت کاهش انرژی فرایند تفکیک هوا و نیز کاهش اتلاف انرژی در ایستگاه تقلیل فشار شبیه سازی شد. کلیه محاسبات و شبیه سازی ها با نرم افزار انجام گرفت
مقدمه
رایج ترین شیوه جداسازی هوا تقطیر تبریدی است. روش های غیر تبریدی مانند جذب سطحی، فرایند شیمیایی، جداسازی غشایی، نیز در واحدهای تجاری برای جدا سازی یک جزء از هوای معمولی استفاده می شود.[1] روش تبریدی توسط دکتر کارل ون لینده ابداع شد و امروزه در جاهایی که نیاز به تولید گازهای با خلوص بالاست کاربرد دارد. [2] فرایند جداساز برودتی نیاز به مبدل های حرارتی خاص و ستون های جداساز با راندمان بالا دارند.
در این روش حجم عظیمی از هوا توسط کمپرسورهای قوی، تحت فشار به داخل پکیج وارد می شود و در این مرحله بخار آب، هیدروکربن ها و دی اکسید کربن از هوا جدا می شوند و پس از جداسازی به روش تقطیر به پکیج سرد کننده وارد می شود و در این پکیج با پایین آوردن دما تا -176 درجه سانتیگراد اکسیژن را به صورت مایع تولید می کنند. در این روش تولید حجم عظیم اکسیژن و سایر گازهای موجود در هوا کاربرد دارد. گاز های تولیدی در نهایت توسط ناوگان حمل و نقل، برای مصرف کنندگان ارسال می شود. [3]
در این تحقیق طراحی و شبیه سازی فرایند تولید اکسیژن , نیتروژن و آرگون با استفاده از توربین انبساطی مورد بررسی قرار می گیرد.سپس شبیه سازی فرایند تقلیل فشار در یک ایستگاه تقلیل فشار گاز شهری - ایستگاه 1 CGS کمالوند خرم آباد - انجام می شود در نهایت با ترکیب این دو شبیه سازی امکان استفاده از بار سرمایشی ایستگاه تقلیل فشار در فرایند تفکیک هوا بررسی می شود. هدف از این تحقیق طراحی مفهومی فرآیند های مورد بحث و کاهش مصرف انرژی در تولید گاز های صنعتی و کاهش اتلاف انرژی در ایستگاههای تقلیل فشار بوده و اندازه و شرایط عملیاتی تجهیزات مورد استفاده در فرایند ها نیز بر اساس اصول مهندسی بررسی شده است.
-1 مراحل تفکیک هوا به روش تبریدی
مراحل اصلی این تکنولوژی به صورت زیر توصیف می شود:
متراکم سازی هوا: هوای محیط به داخل رانده می شود، تصفیه می شود و تقریباً تا 6 بار به وسیله ی متراکم کننده متراکم می شود.[4]
پیش آماده سازی هوا: برای تفکیک هوا به اجزایش، ابتدا باید هوا در دمای خیلی کم به مایع تبدیل شود. به عنوان اولین مرحله، دمای هوای متراکم شده با آب سرد پایین آورده می شود.
تخلیص هوا: ناخالصی هایی مانند بخار آب و دی اکسید کربن در غربالگر مولکولی جدا می شوند.
سرد کردن هوا: از آنجا که گازهای سازنده ی هوا تنها در دماهای خیلی کم تبدیل به مایع می شوند، هوای تخلیص شده در مبادل حارتی اصلی تا تقریباً -175℃ سرد می شود. سرد کردن به وسیله ی مبادله کننده ی گرمای داخلی حاصل می شود که جریانهای گاز سرد تولید شده در طول فرایند، هوای متراکم شده را سرد می کند. سپس، کاهش سریع فشار سبب می شود که هوای متراکم شده بیشتر سرد شود که به موجب آن دستخوش تبدیل به مایع شدن نسبی قرار می گیرد. حال، هوا برای ستون تفکیک کننده آماده است که تفکیک واقعی اتفاق می افتد.
تفکیک هوا: تفکیک ها به اکسیژن و نیتروژن خالص در دو ستون- ستون با فشار متوسط و ستون با فشار پایین- انجام می شود. از تفاوت در نقطه ی جوش اجزای تشکیل دهنده برای فرایند تفکیک بهره برداری می شود. اکسیژن در -183℃ و نیتروژن در -196℃ به مایع تبدیل می شوند . مایع نیتروژن خالص در بالای ستون اول و اکسیژن خالص در انتهای ستون دوم ایجاد می شود. آرگون در ستونهای اضافی تفکیک می شود و شامل بعضی مراحل اضافی در فرایند می شود.
استخراج و نگهداری: نیتروژن و اکسیژن برای انتقال به مصرف کنندگان مانند کارخانه های فولاد سازی وارد لوله می شود. در شکل مایع، اکسیژن، نیتروژن و آرگون در تانک ها نگهداری می شوند و به وسیله ی تانکرها به مشتریان انتقال داده می شود.[5]
-2 ترمودینامیک انبساط در ایستگاه تقلیل فشار
فشار گاز طبیعی در ایستگاه تقلیل فشار شکسته می شود تا به میزان مطلوب برای ارسال به دمای مطلوب برسد باکاهش فشار, مولکولهای گاز از هم دور می شوند .گاز برای ایجاد فاصله بین مولکولها و نهایتا افزایش انرژی جنبشی نیاز دارد گرمای محیط را بگیرد و به محیط سرما را پس دهد .در تمام ایستگاهای تقلیل فشار گاز در کشورمان فشار گاز توسط شیر فشار شکن به مقدار مورد نظر کاهش می یابد در این نوع کاهش فشار در حقیقت نوعی اتلاف انرژی بوجود می آید و با توجه به اثر ژول تامسون سبب کاهش دمای گاز می شود .میزان کاهش دما بستگی به نوع کاهش فشار دارد . باید توجه داشت کاهش دما برای گازی که بوسیله شیر فشار شکن دچار کاهش فشار می گردد, با میزان افت دمایی که به وسیله توربین انبساطی دچار کاهش می شود متفاوت است .
-3 معادله حاکم بر رگلاتورها
در ایستگاه تقلیل فشار، گاز در عبور از رگلاتور انبساط می یابد.انبساط در رگلاتور بر اساس فرآیند ژول-تامسون می باشد، فرایند انبساط ژول-تامسون عبارت است از حرکت گاز از یک مجرابند منفذ دار از ناحیه فشار بالا به ناحیه فشار پایین.
