بخشی از مقاله
چکیده
در فرآیند تولید ایزو پروپیل بنزن - کومن - خوراک که مخلوطی از پروپیلن تازه، بنزن و بنزن برگشتی از واحد تفکیک میباشد در دو مرحله، ابتدا بوسیله بخار فشار بالا به شدت 182400 کیلوگرم در روز تا دمای 214 درجه سانتیگراد پیشگرم و سپس در کوره H-801 که از سوخت گازی به شدت 4 میلیون فوت مکعب استاندارد در روز تغذیه مینماید به دمای نهایی 350 درجه سانتیگراد میرسد.
واضح است که مصرف انرژی در این واحد بسیار بالا بوده و علاوه بر بالا بودن هزینه تامین این میزان انرژی، استفاده از کوره منجر به انتشار حجم عظیمی از گازهای آلاینده میشود. در این نوشتار ابتدا فرآیند تولید ایزوپروپیل بنزن با استفاده از نرم افزار Aspen Plus شبیه سازی شد و در ادامه انتگراسیون انرژی بر روی آن صورت گرفت.
انتگراسیون انرژی نشان داد که واحد تولید ایزوپروپیل بنزن قبل و بعد از راکتور سنتز، دارای مصرف بالائی از انرژی میباشد که از بیرون فرآیند تامین میگردد و میتوان با استفاده از امکانات حرارتی که در درون فرآیند وجود دارند مصرف انرژی را کاهش داد، که جهت صحت این امر نمودارهای منحنی ترکیبی بعنوان ابزاری برای تحلیل پینچ برای فرآیند مذکور ترسیم شدند. در نهایت میتوان گفت که اعمال انتگراسیون در کارخانه تولید ایزوپروپیل بنزن میتواند منجر به کاهش بیش از %95 سوخت کوره، اصلاح شبکه مبدل گرمائی بخش سنتز، بازیابی %100 آب خنک کننده، بازیابی %100 بخار فشار بالا گردد.
.1 مقدمه و مبانی نظری
بکار گیری روش های خاص به منظور تعیین راه حل موثر و اقتصادی یک مسئله در یک فرایند را بهینه سازی میگویند. بهینه سازی از عمده ترین ابزار تصمیم گیری در صنایع میباشد، بهینه سازی با انتخاب بهترین جواب یا راه حل از میان جوابهای محتمل با بکارگیری روشهای موثر کمی سر و کار دارد. البته رایانه و نرم افزارهای مرتبط با موضوع، محاسبات لازم را امکان پذیر و با حداقل هزینه انجام میدهند.
حفظ انرژی در طراحی یک واحد شیمیایی همواره یکی از مهمترین موارد مورد توجه میباشد به علاوه تعین کمترین مقدار انرژی گرمایی و سرمایی مورد نیاز یک پروسه از اصلی ترین محاسبات برای تعین مقدار ذخیره انرژی است بنابراین انتگراسیون حرارتی - یکپارچه کردن انرژی - یکی از عوامل مهم در طراحیهای اقتصادی میباشد. نام تکنولوژی پینچ برای پژوهشگران و دانشمندان فعال در عرصه بهینه سازی مصرف انرژی شناخته شده و آشناست. این تکنولوژی برای تحلیل و بررسی شبکه مبدلهای حرارتی به منظور کاهش مصرف انرژی استفاده میشود.
پژوهشگران به منحنی ترکیبی بعنوان ابزاری مهم در بازیافت انرژی پرداختند. تاکید آنها بر نقطه پینچ بعنوان نقطه کلیدی در بازیافت انرژی بود و به همین علت نام تکنولوژی پینچ را برای آن انتخاب نمودند. تا به امروز تکنولوژی پینچ پیشرفتهای زیادی نموده است و علاوه بر شبکه مبدلهای حرارتی برای بهینه سازی برج های تقطیر و کورهها استفاده میشد
مفهوم تکنولوژی پینچ براساس اصول ترمودینامیک میباشد، این تکنولوژی روشی سیستماتیک برای بهینه سازی انتگراسیون انرژی در یک فرایند ارائه میدهد. پیشرفتهای مرتبط با این تکنیک در فرایند، در نتیجه استفاده از عملیات واحد پیشرفته نیست بلکه در اثر ایجاد طرح انتگراسیون حرارتی میباشد. یکی از مزایای مهم تکنولوژی پینچ نسبت به روشهای طراحی معمولی توانایی تنظیم هدف انرژی برای طراحی است. هدف انرژی، حداقل انرژی نظری درخواستی برای کل فرایند میباشد.
هدف اصلی این فن آوری مطابقت جریانهای گرم و سرد فرایند با شبکهای از مبدلها بوده به گونهای که درخواست برای تأسیسات انرژی به حداقل برسد. تکنولوژی پینچ یک اختلاف درجه ایجاد کرده، به نحوی که دمای منطقه عملیاتی مشاهده شده در فرایند را به دو منطقه دمایی جدا میکند. هنگامی که تکنولوژی پینچ بکار گرفته شود، گرما از منابع بیرونی باید تنها در دمای بالای پینچ برای فرایند فراهم شودو تنها با سرد کردن تجهیزات در دمایی زیر دمای پینچ از بین رود. چنین روشی، بازیافت گرما در فرایند را با ایجاد شبکه تبادل گرمایی بر اساس اصول تجزیه و تحلیل پینچ به حداکثر خواهد رساند.
بهترین طرح برای یک شبکه مبدل حرارتی با انرژی کارآمد در نتیجه تبادل بین انرژی بازیافتی و هزینههای سرمایه گذاری در این بازیابی انرژی خواهد بود. موفقیت در فن آوری پینچ باعث شکل گیری ایدههای جامع تر یکپارچه سازی فرایند در فرایندهای شیمیایی که کارامدی هر دو گزینه جرم و انرژی بررسی شده است، میشود.[4] گرچه انتگراسیون فرایند یک تکنولوژی نسبتا جدید بوده، اهمیت آن در طراحی فرایند باعث ادامه رشد آن به عنوان فرایندهای پیچیده تر شده است.
همانطور که در بالا ذکر شد، یک مفهوم از تجزیه و تحلیل پینچ، تنظیم اهداف انرژی قبل از طراحی شبکه مبدل حرارتی میباشد. این اهداف میتوانند درواقع بدون تکمیل طراحی برای شبکه مبدل حرارتی تنظیم گردند. اهداف انرژی نیز میتوانند برای تأسیسات حرارتی در سطوح مختلف دما مانند یخچال و سطوح تأمین گرمای بخار تنظیم شوند. تجزیه و تحلیل پینچ، قوانین ترمودینامیکی را برای حصول اطمینان از اینکه اهداف انرژی درطول طراحی شبکه مبدل حرارتی بدست آمده است، فراهم میآورد.
نقطه آغازین برای تجزیه و تحلیل تکنولوژی پینچ در فرایند، شناسایی تمامی جریانهای فرایند که نیاز به گرم و سرد شدن دارند، میباشد. [6] یعنی شناسایی جریانها، سرعت جریان و ویژگیهای حرارتی، تغییرات فاز و دامنه دما که از طریق آنها باید گرم و سرد شوند، میباشد.[6] این امر میتواند پس از اینکه تعادل جرم انجام شده و دما و فشار برای جریانهای فرایند تثبیت شدند، انجام پذیرد. مقدار انرژی مصرفی میتواند به راحتی با استفاده از یک برنامه شبیه سازی شده یا با محاسبات سنتی ترمودینامیکی محاسبه شود
ممکن است برخی از خدمات گرمایی در تحلیل شبکه گنجانده نشود، چراکه بطور مستقل از انتگراسیون انجام میپذیرد. به عنوان مثال، گرمایش ریبویلر برج تقطیر و سرمایش کندانسور ممکن است به صورت مستقل از سایر خدمات گرمایی انجام پذیرد. گرچه چنین خدمات مستقلی همیشه باید برای قرارگرفتن درشبکه در نظر گرفته شود6]و.[7 تمامی جریانهای فرایند که گرم میشوند، دمای آنها و میزان تغییرات آنتالپی متناسب با تغییرات دمای مربوط از تغییرات فاز، جدولبندی میشوند مقادیر به دست آمده باعث اجازه وضع دما درمقابل میزان آنتالپی برای ارائه یک منحنی مرکب از تمام جریانهای مورد نیاز یک منبع گرما میشود. اطلاعات و رویکردهای مشابه برای ارائه یک منحنی مرکب از جریانهای سرد شده نیز استفاده میشود
.2 عملکرد فرآیند تولید ایزوپروپیل بنزن - واحد - 800
در بخش سنتز، خوراک بنزن که شامل بنزن تازه و بنزن برگشتی از واحد تفکیک و خالص سازی میباشد ابتدا وارد مخزن V-801 خوراک میگردند. خروجی از این مخزن با دمای 25درجه سانتیگراد و فشار 101/3 کیلوپاسکال وارد پمپ بنزن - شکل - 1 P-801 شده و فشار خوراک تا 3150 کیلوپاسکال افزایش مییابد.
ماده اولیه دیگر که پروپیلن %95 مولی میباشد با دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار 1166 کیلوپاسکال و دبی4640 کیلوگرم در ساعت ابتدا در پمپ پروپیلنP-802 شده و به فشار 3150 کیلوپاسکال میرسد و سپس با خوراک بنزن ترکیب میشود.جریان مخلوط شده از بنزن و پروپیلن با دمای 39 درجه سانتیگراد ابتدا در مبدل گرمایی E-801 در تبادل گرمایی با جریان بخار فشار بالا تا 214 درجه سانتیگراد پیشگرم میگردد. جریان خوراک که حالا پیشگرم شده جهت رسیدن به حالت بخار سوپرهیت به هیتر - کوره خوراک - H-801 ارسال میشود.
شکل.1 شماتیک شبیه سازی یخشهای سنتز و تفکیک فرآیند ایزوپروپیل بنزن با نرم افزار [8]Aspen Plus
بخش تفکیک به منظور جداسازی محصول فرعی از ایزوپروپیل بنزن و بازیابی بنزن واکنش نداده مورد استفاده قرار میگیرد. تفکیک اولیه در جدا کننده V-802 صورت خواهد گرفت در این جدا کننده جریان خام محصول در دمای 90 درجه سانتیگراد بصورت دو فازی می باشد که فاز بخار - جریان شماره 12 در شکل - 1 از بالا خارج و جهت سوخت کوره مورد استفاده قرار میگیرد. مایع خروجی از جدا کننده که عمدتا شامل ترکیبات سنگین میباشد، خوراک اولین برج تقطیر - T-801 - میباشد. این برج مشتمل بر 27 سینی بوده که محل ورود خوراک از روی سینی 13 ام میباشد. چگالنده برج از نوع کامل بوده و با استفاده از آب خنک کننده به شدت 85880 کیلوگرم در ساعت بخار بالاسری برج را چگالش میکند.
محصول بالای برج بنزن واکنش نداده میباشد که با شدت 8180 کیلوگرم در ساعت به مخزن خوراک بنزن ارسال میگردد. در پائین برج نیز از بخار جهت تامین گرما استفاده میشود که این عملیات در مبدل گرمایی E-804 صورت می-گیرد. در این مبدل مایع اشباع از آخرین سینی 27 - ام - وارد مبدل مذکور شده و در تبادل با بخار فشار متوسط به شدت 35600 کیلوگرم در ساعت بصورت بخار مجددا از زیر سینی 27 ام وارد برج میگردد و در اثر تبادل جرم میان فازهای مایع و بخار عملیات تفکیک صورت میپذیرد. در نهایت محصول تحتانی برج با دمای 179 درجه سانتیگراد به برج ایزوپروپیل بنزن -802 - - T ارسال میگردد.
این برج شامل 37 سینی و نسبت برگشتی 0/63 با بازده هر سینی % 50 میباشد. چگالنده برج از نوع کامل بوده و دبی محصول خروجی از کندانسور که ایزوپروپیل بنزن با خلوص %99/8 مولی است برابر با 11800 کیلوگرم در ساعت میباشد. ریبویلر این برج نیز مانند برج T-801 مبدل گرمایی است که با استفاده از بخار گرمای بخش پائینی را تامین مینماید. شدت بخار فشار بالا ورودی به ریبویلر - مبدل - E-806 برابر با 3250 کیلوگرم در ساعت میباشد. محصول پائینی ایزوپروپیل بنزن - محصول فرعی - با خلوص %75 مولی میباشد که با دمای 222 در جه سانتیگراد از سینی 37 ام خارج میشود
