بخشی از مقاله
چکیده :
در برخی از فرآیندهای پتروشیمی ها و پالایشگاه ها برای انجام و کارکرد مناسب فرآیندها به دماهای پایینی حتی درحد -150 درجه نیاز می باشد. برای رسیدن به این دما از سیکل تبرید استفاده می شود. به عنوان مثال برای تبدیل گاز به گاز مایع جهت راحت شدن ذخیره سازی و حمل و نقل، تبدیل گازها به مایع جهت جداسازی آسان تر ترکیبات سنگین، از سیکل های تبرید استفاده می شود.
در این تحقیق سعی شده تا با استفاده از نرم افزار HYSYS سیکل تبرید یکی از پتروشیمی های جنوب کشور واقع در عسلویه را شبیه سازی کرده و سپس تا حد ممکن با بررسی تغییرات لازم و یافتن مقادیر بهینه برای پارامترهای تاثیر گذار بر سیکل، مصرف انرژی را در سیکل تبرید پروپیلن کاهش داد .
توجه به این امر ضروری می باشد که هر گونه تغییری در سیکل باید با در نظر گرفتن شرایط عملیاتی کلیه نقاط پتروشیمی همراه باشد و این امر موجب بروز محدودیت هایی در امر تغییرات جهت رسیدن به مصرف بهینه انرژی می گردد.
بنابراین با در نظر گرفتن این محدودیت ها و با هدف رسیدن به مصرف بهینه انرژی، این واحد شبیه سازی شده و نتایج بدست آمده با مقادیر واقعی پتروشیمی مقایسه شده و در نهایت پیشنهادات و راهکارهایی جهت رسیدن به مصرف بهینه انرژی در سیکل تبرید مورد نظر ارائه گردیده است.
مقدمه :
گاز خام که از مخازن هیدروکربنی استخراج می شود - چه از گاز طبیعی مخازن و چه از گاز همراه نفت - ، با گازی که جهت مصرف به خطوط لوله فرستاده می شود متفاوت است. گاز طبیعی استخراج شده از مخازن هیدروکربنی علاوه بر متان حاوی ناخالصی های مختلف همانند سولفید هیدروژن - HR2RS - ، دی اکسید کربن - COR2R - ، بخار آب - HR2RO - ، سولفید کربنیل - - COS، دی سولفید کربن - CSR2R - ، اسیدهای آلی، هیدروکربن های سنگین است که این ناخالصی ها در حین انجام فرآیند پالایش گاز طبیعی، جداسازی شده تا گاز قابل مصرف به خطوط اصلی گاز تزریق گردد.
وجود گازهای اسیدی به همراه آب، باعث ایجاد مشکلات مختلف از جمله خوردگی درصنایع نفت، گاز و پتروشیمی می شود. همچنین وجود آب در گاز طبیعی - به خصوص در حضور هیدروکربن های سنگین - ، در صورتی که فشار تا حد معینی افزایش یابد و یا دما کاهش یابد باعث تشکیل هیدارت های گازی می شود. جمع شدن هیدرات های گازی در اتصالات مربوط به خطوط لوله انتقال و فرآیندی یا تجهیزات باعث اختلال در امر انتقال گاز و بعضا" نیز باعث مسدود شدن خطوط لوله و قطع جریان می شود. هیدرات های گازی شبیه برف سبک و متخلخل هستند و ساختمان بلوری دارند و شبیه ذرات بلور تکثیر می شوند.
حذف هیدروکربن های سنگین به همراه آب صرفنظر از جلوگیری از ایجاد مشکلات خوردگی که سالانه باعث از بین رفتن میلیونها دلار سرمایه می گردد، از نقطه نظر ارزش سوخت هیدورکربن های سنگین همراه گاز بسیار مهم است. برای رسیدن به این هدف تنظیم نقطه شبنم آب و هیدروکربن گاز، این دو ماده حتی الامکان می بایست از گاز جدا شده تا جهت تحویل به خطوط انتقال آماده شود. برای حذف هیدروکربن های سنگین و همچنین حذف آب از گاز خام استخراجی نیاز به استفاده از سیکل تبرید در جهت کاهش دما گاز تا حد مورد نیاز می باشد.
در حالت کلی در صورت نیاز به استفاده از هر نوع سیستم تبرید، ساده ترین آن انتخاب می شود، زیرا باید از نظر مخارج اولیه و هزینه بهره برداری حداقل هزینه را داشته باشد. علاوه بر مخارج خرید و بهره برداری سیستم تبریدی که فرایند را کنترل می کند، فاکتورهای دیگری نیز همانند دمای تبخیر مبرد، فشار مکش یا فشار جذب مبرد، فشار خروجی مبرد از کمپرسور و نیاز های تعمیراتی و نگهداری برای سیکل تبرید نیز باید منظور شوند.
استفاده از سردسازها در صنعت برای مایع کردن گازهایی همچون اکسیژن، نیتروژن، پروپان، متان و.... بکار می رود . در پالایشگاه های نفت و گاز ، کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی از سردسازی در فرایند خاص برای ایجاد دماهای پایین مورد نیاز، استفاده می شود - برای مثال: جهت آلکیلاسیون بوتن و بوتان برای تولید بنزین با عدد اکتان بالا - . همچنین در صنعت گاز برای نم زدایی و تنظیم نقطه شبنم گاز محصول پالایشگاه مورد استفاده قرار میگیرد. استفاده از پروپان به عنوان مبرد در صنعت گاز برای اولین بار به سال 1940 بر میگردد.
جهت بهینه سازی سیکل های تبرید تاکنون تلاشهای زیادی صورت گرفته که بیشتر حول موارد زیر متمرکز شده است:
-1 بررسی سیکل های تبرید از نظر ترمودینامیکی
-2 بررسی سیکل های تبرید از نظر عملیات و کنترل
-3 بررسی اثر زیست محیطی مبردها و جایگزینی مبردهای تبرید
-4 بررسی اثر اختلاط مبردها بر روی کارایی سیکل های تبرید
-5 بررسی کاربرد سیکل های پی در پی
-6 بررسی تحلیل اگزرژی سیکل تبرید تراکمی
برخی از تحقیقاتی که اخیرا" در این زمینه ها انجام شده است به شرح ذیل می باشد:
لوپیس و همکارانش [1] یک مدل ریاضی بر مبنای پیوستگی جرم، بقای انرژی و اصول فیزیکی انتقال حرارت برای کندانسورهای پیوسته لوله ارائه دادند که به راحتی می تواند برای مدل سازی هر کندانسوری تطبیق داده شود. ارزیابی مدل بواسطه کندانسور در یک واحد تراکم بخار آزمایشگاهی انجام شده است که یک ارائه خوب از کارایی دینامیکی این مدل بدست آمده است. یک مقایسه تئوری در مورد اهمیت پاسخ های دینامیکی چگالنده و تبخیر کننده نیز در واحد آزمایشگاهی ارائه شده است. خطای پیشگویی مدل کمتر از 5 درصد است.
وانگ و همکارانش [2] یک مدل ریاضی دینامیک جدید بر پایه روند توزیع فضایی معرفی کرده اند که یک توافق خوب در پیشگویی COP سیستم و دیگر پارامترها ارائه می دهد. این مدل حتی به پیشگوئی تغییرات بسیار کوچک فراگرمایش و فروسرمایش کمک می کند. با توجه به موازنه جرم و انرژی توزیع فضایی مدل ساخته شده در اینجا بر مبنای سرعت، فشار، دمای مبرد و توابع دمای دیواره در مبدلهای حرارتی است.
تعدادی از دانشمندان [3] یک روش شبیه سازی کامپیوتری بر پایه ساختار مولکولی برای مدل سازی سیکل های تبرید تراکم بخار ارائه کرده اند که یک سیال عاملی را به طور دلخواه مورد مطالعه قرار می دهد. همچنین فقط با دانستن ترکیب شیمیایی سیال عامل می تواند برای پیشگویی خواص سیکل مورد استفاده قرار گیرد.
در این زمینه همچنین گروهی از دانشمندان چینی در سال [4] 2006 بر روی یک مدل برگشت ناپذیر چرخه برایتون با دو شرط متفاوت با احیا کننده و بدون احیا کننده انرژی تحقیقاتی را انجام داده اند. در این تحقیق کارایی های بهینه از یک سیکل تبرید احیا کننده و غیر احیا کننده از نظر کمی مقایسه شده و خصوصیات دو سیکل به تفصیل شرح داده شده است. همچنین منطقه بهینه از احیا تعیین شده و برخی پارامترهای بهینه عملیاتی از یک سیکل تبرید برایتون احیا کننده از قبیل دماهای کارکرد مبرد در نقاط و حالت های مختلف، نسبت فشار، و نسبت های گوناگون سطوح انتقال حرارت کلی تعیین شده است.
هون کانگ و همکارانش [5] پیشنهاد افزودن یک مبدل حرارتی انباشتگر را جهت بهینه سازی سیکل تبرید ارائه داده اند. یک مبدل حرارتی انباشتگر شامل یک انباشتگر و یک مبدل داخلی میشود ک ه درون یک پیوسته قرار گرفته اند. در این مطالعه مشخصات انتقال حرارت مبدل حرارتی انباشتگر به طور آزمایشگاهی بدست آمده است و تاثیرات آن بر روی کارایی یک سیکل تبرید که با فریون22 کار می کند اندازه گیری شده است. مقایسه نتایج نشان میدهد مشخصات عملیاتی سیستم تبرید با مبدل حرارتی انباشتگر دارای تفاوت قابل ملاحظه ای با شرایط بدون آن است.
دنیس لداک و همکارانش [6] امکان ذخیره انرژی پتانسیل بوسیله یک سری تنظیمات بهینه کلی در هر یک از دستگاه های به کار رفته در سیکل های تراکم بخار را مورد بررسی قرار داده اند. در این مطالعه در مورد الگوریتم کنترل بهینه پیشگویانه و بکار بستن این استراتژی با استفاده از یک مدل خطی ساده جهت محاسبه پروفایل های فرمانی بهینه بر روی سیکل تراکم بخار بحث می شود. انتخاب این پروفایل ها بر مبنای یک مقیاس چندگانه شامل راندمان سیکل و محدودیت های تخصصی می شود. روند نیز به طور آزمایشگاهی بر روی یک واحد سردسازی در مقیاس پایلوت با کمپرسور سرعت متغیر تایید شده است.
دو دانشمند دیگر [7] تحقیقاتی را در مورد کمینه کردن میزان هدایت کلی بر واحد ظرفیت تبرید و سیستم های پمپ گرمایی با توجه به بازگشت ناپذیری های داخلی و خارجی با دماهای متغیر مخازن حرارت ارائه کرده اند. به منظور دستیابی به این هدف دماهای سرد و گرم مبرد، رسانایی و نسبت های سطح انتقال حرارت بهینه شده است. مقایسه نتایج نیومریکالی که بر مبنای تبرید تراکم بخار آمونیاک و سیستم های پمپ گرمایی که با مخازن دمای تغییر کار می کند، بدست آمده است و نشان میدهد که برای دماهای مناسب مبرد، ضریب هدایت کلی کمینه و سطح انتقال حرارت نتایج برای سیستم های پمپ گرمایی از نتایج بهینه شده نیومریکالی حدود %1 انحراف دارد.
یکی از کامل ترین تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته است توسط دو دانشمند نروژی به نامهای جورجن باک جنسن و سیگارداسکوگستاد [8] بوده است. در این تحقیق از نقطه نظر کنترلی و عملیاتی 5 درجه آزادی حالت پایدار مورد بررسی قرار گرفته است.
