بخشی از مقاله
چکیده
در قرن حاضر انرژی به عنوان نیروی محرک صنعت اهمیت ویژهای یافته است و تأمین آن به یکی از چالشهای دولتمردان و صاحبان صنایع تبدیل شده است. صنایع شیمیایی از صنایع پر مصرف انرژی در جهان به حساب میآید. هزینه بالای مصرف سوختهای فسیلی به عنوان اصلیترین منابع انرژی از یکسو و انتشار گازهای گلخانهای به عنوان مهمترین عامل آلوده کنندهی هوا و محیط زیست صنایع را وادار به چارهاندیشی برای ارائه راهکارهای پیرامون کاهش مصرف انرژی و کاهش اتلاف انرژی نموده است.
امروزه به دلیل مصرف بالای منابع سوختهای فسیلی و کاهش آن در سالهای اینده و انتشار آلودگیهای زیست محیطی استفاده از سوختهای پاک که دارای آلایندگی کمتر هستند در حال گسترش است. هیدروژن یک انرژی جذاب، سوخت سبز و قابل تبدیل به الکتریسیته در پیل سوختی می باشد بدون آنکه انتشار کربن را در زمان استفاده به همراه داشته باشد
با توجه به اهمیت موضوع، در این پژوهش با انتخاب یک واحد تولید هیدروژن میزان مصرف انرژی مفید محاسبه شده و تحلیل اقتصادی حرارت مورد استفاده در این واحدسوخت پاک, مورد بررسی قرار گرفته است.این تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی حرارت در یک شرکت پتروشیمی صورت گرفته است. این فرایند در نرم افزار Hysys شبیه سازی شده است تا پارامترهای جریان در نقاط مختلف بدست آید، سپس مقادیر اگزرژی هرجریان و حرارتمورد نیاز فرایند مشخص شده است. در نهایت قیمت تمام حرارت های مورد استفاده در این واحد محاسبه شده است امید است درآینده راهکارهایی برای جلوگیری از اتلاف حرارت و سرمایه مورد نیاز آن ارائه گردد.
مقدمه
با توجه به توسعه صنعت و دانش و تمایل تمامی کشورهای جهان برای توسعه و تولید هر چه بیشتر، در قرن حاضر نیاز به انرژی به عنوان نیروی محرکه صنعت و تولید به بالاترین اهمیت خود در تاریخ حیات بشر رسیده است و مهمترین چالش بین تمامی سیاستمداران و بازار های جهانی به حساب می آید . بدون شک اصلی ترین معضل جوامع در حال حاضر مبحث انرژی و تامین آن می باشد . صرفه جویی در مصرف سوخت به عنوان یکی از بهترین راهکار های موجود در این مبحث به شمار می آید و از دیگر راهکار های موجود، استفاده از سوخت پاک که دارای آلودگی کمتر است می باشد .
صنعت پتروشیمی به عنوان یکی از پر مصرف ترین صنایع دنیا در مبحث انرژی که از نقطه نظر آلایندگی زیست محیطی نیز رتبه بالایی را دارد نیاز به صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی را به شدت احساس می نمایند.در این پژوهش با انتخاب واحد هیدروژن یک شرکت پتروشیمی ، سه هدف مهم یعنی کاهش مصرف انرژی و بررسی ترمودینامیکی فرآیند تولید هیدروژن و تحلیل اقتصادی حرارت آن انجام میشود
T. Morosuk. و همکاران در سال 2011 به این نتیجه رسیدند که در آینده اثرات زیستمحیطی نقش بسیار مهمی را در طراحی فرآیند ایفا میکنند. در این پژوهش علاوه بر تحلیل زیستمحیطی، ارزیابی چرخه عمر نیز صورت گرفته است. بزرگترین میزان اثرات مخرب زیستمحیطی در راکتور احتراق و واحد PSA و مبدل حرارتی وجود دارد و به این نتیجه رسیدند که باید اثرات زیستمحیطی با کاهش تخریب اگزرژی در قطعات کاهش مییابد که باید تجهیزات کارآمد، حتی با قیمت بسیار بالا را جایگزین قطعات با تخریب اگزرژی زیاد کرده و اثرات آن را مشاهده نمود.
Nikolaos M. P. Kakalis و همکاران در سال 2012 با توسعه یک مدل ریاضی پویا رفتار فیزیکی و شیمیایی سیستم در چارچوب مدل را توصیف کرده و با تجزیه و تحلیل اگزرژی، میتوان بازگشتناپذیریها را محاسبه و به این نتیجه رسیدند که بازگشتناپذیری به سیستم طراحی و فنی و محدودیتهای عملیاتی بستگی دارد و میتوان با طراحی بهینه، %50 میزان تخریب اگزرژی را کاهش داد و این روش در بهبود تعادل شیمیایی و تبادل گرما موفقیتآمیز بوده و نتایج حاصل از این پژوهش به عنوان نقطه شروع برای بهینهسازی یکپارچه از تمامی واحدها مبتنی بر سلولهای سوختی میباشد.
اغلب،هدف از طراحی مهندسی یک سیستم رسیدن به بالاترین بازده تکنیکی معقول،تحت شرایط تکنیکی، اقتصادی و قانونی و با در نظرگرفتن مسائل اخلاقی، بومی و اجتماعی میباشد. روشهای اگزرژی میتوانند به چنین فعالیتهایی کمک کنند و روشهای منحصر به فردی را در جهت امکان پذیری بهبودها پیشنهاد دهند. تحلیل اگزرژی ابزار مناسبی است برای نشان دادن اثر زیست محیطی استفاده از منابع انرژی، و برای رسیدن به هدف مصرف منابع انرژی با بازده بالا، و برای تخمین مکان ها، انواع و مقادیر واقعی افت ها . همچنین اگزرژی مشخص می کند که چه و توسط چه مقدار، امکان طراحی سیستم های انرژی پر بازده با کاهش ناکارآمدی ها سیر میشود ومیزان اتلاف اقتصادی حرارتی تخمین زده می شود.
مواد و روشها
هیدروژن:
برای اولین بار در سال 1776 به وسیله "هنری کاوندیش" به عنوان یک ماده مستقل شناخته شد. " آنتونی لاووازیه" نام هیدروژن را برای این عنصر انتخاب کرد.هیدروژن فراوان ترین عنصر در جهان است، به طوری که %75 جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از %90 اتمهای تشکیل دهنده آن ها اتمهای هیدروژن است .این عنصر به مقدار زیاد و به وفور در ستارگان و سیارات غول های گازی یافت میشود. به نسبت فراوانی زیاد آن در جاهای دیگر، هیدروژن در اتمسفر زمین بسیار رقیق است. متعارفترین منبع برای این عنصر در زمین آب است که از دو قسمت هیدروژن و یک قسمت اکسیژن ساخته شده است.چند مورد از کاربردهای آن به شرح زیر است:
. به مقدار قابل توجهی هیدروژن برای تولید آمونیاک ، هیدروژنه کردن چربیها و روغن ها و تولید متانول نیاز است.
. جوش کاری ، سوخت های موشک و احیاء سنگ معدن فلزی
. هیدروژن مایع در تحقیقات سرما شناسی مانند مطالعات ابررسانایی بکار میرود.
. هیدروژن میتواند در موتورهای درون سوز سوخته شود
.پیل های سوختی هیدروژنی ، به عنوان راه کاری برای تولید توان بالقوه ارزان و بدون آلودگی ، مورد توجه قرار گرفته است.
امروزه بحران انرژی در جهان به یک مشکل عمده برای کشورها تبدیل شده و به همین دلیل، دولتها به خودروسازان فشار میآورند تا با استفاده از روشهای مختلف ، سبب کاهش مصرف خودرو شوند. به عنوان مثال، در این راستا خودرو سازان آمریکایی دستور گرفتهاند که خودروهای کممصرف تولید و در افق دراز مدت خود به سوی استفاده از سوخت غیر فسیلی در خودرو حرکت کنند.
روشهای تولید هیدروژن
تولید هیدروژن به روش تبدیل با بخار آب، SMR
تبدیل هیدروکربنها به وسیله بخار1 یکی از مهمترین روش های صنعتی و اقتصادی تولید هیدروژن است. هیدروکربنها در طی یک واکنش تعادلی با بخار به هیدروژن و کربن منواکسید تبدیل میشوند. - 1 -
وجود بخار آب، فشار جزئی را کاهش میدهد و بدین تریتب با کم شدن فشار با توجه به تعادلی بودن واکنش بر اساس اصل لوشاتولیه واکنش به سمتی پیش میرود که تعداد بیشتری مولکول تولید شود. بنابراین، میزان تولید هیدروژن افزایش مییابد.
شکل :1 مراحل اصلی فرآیند تبدیل هیدروکربنها به وسیله بخار
الف- گوگرد زدایی
جذب ترکیبهای گوگرددار بر روی مکانهای فعال کاتالیست سبب کاهش فعالیت کاتالیست میشود. بنابراین، گوگردزدایی خوراک قبل از مرحله تبدیل آن، یکی از مراحل مهم تولید هیدروژن به روش تبدیل با بخار آب است. گوگرد به صورت خالص یا ترکیبهایی مانند مرکاپتان یا تتراهیدروتیوفن در خوراک موجود است که غلظت آن در خوراک بایستی به کمتر از 25 ppm رسانده شود.
روشهای گوگردزدایی عبارتند از: -1 گوگردزدایی به کمک هیدروژن الف- هیدروژندار شدن
ب- حذف هیدروژن سولفید - 3 -
-2 گوگردزدایی به وسیله جذب فیزیکی و شیمیایی
-3 گوگردزدایی با روش اکسایش کاتالیتیکی انتخابی
ب- تولید گاز سنتز
در این مرحله هیدروکربنهای سبک به گاز سنتز تبدیل میشوند. در زیر جنبههای متفاوت فرآیند تولید گاز سنتز توضیح داده میشوند: واکنشهای مرحله تبدیل هیدروکربنهای سبک به گاز سنتز به کمک بخار آب شامل مراحل زیر هستند:
-1 تجزیه - 4 -
برای هیدروکربنهای غیر از متان، واکنش فوق به صورت زیر نوشته میشود.
-2 شیفت آب- گاز
واکنش - 4 - از دیدگاه سینتیکی سریعتر از واکنش - 6 - است و از دیدگاه تعادلی واکنش - 4 - به طور کامل به مسیر برگشت تمایل دارد.
واکنش تبدیل با بخار آب به دلیل گرماگیر بودن نیاز به منبع خارجی گرما دارد. بر اساس لوشاتولیه کاهش فشار و افزایش دما، سبب افزایش واکنش تبدیل با بخار آب در مسیر رفت و در نهایت افزایش غلظت هیدروژن در گاز سنتز به دست آمده میشود.
ج- خالصسازی
پس از تیدیل خوراک به گاز سنتز هنوز درصد تبدیل به فراورده پایین است و جهت بالا بردن راندمان تبدیل و حذف ناخالصیها نیاز به مراحل خالصسازی دیگر است. مراحل زیر بسته خلوص مواد مورد انتظار از فراورده بایستی به طور جزئی یا کامل انجام شوند.
-1 شیفت آب- گاز به منظورکاهش کربن منواکسید تولید شده در طول واکنش تبدیل با
بخار آب از فرایند شیفت آب- گاز استفاده میشود. در طی این فرایند درصد تبدیل هیدروژن بالا برده شده و کربن منواکسید تبدیل میشود. واکنش شیفت آب- گاز به صورت معادله - 7 - است.
شیفت آب- گاز در طی دو مرحله دمای بالا3 و دمای پایین4 انجام میگیرد که به تفصیل توضیح داده میشوند.
- شیفت آب- گاز در دمای بالا - HTSC -
واکنش شیفت آب- گاز در دمای بالا در حضور مخلوطی از کاتالیستها80 - Fe3 O4 تا 95 درصد وزن کل - و 5 - Cr2O3 تا 15 درصد وزنی کل - صورت میگیرد. واکنش شیفت آب- گاز در دمای بالا گرماده بوده و در نتیجه انجام آن در دماهای پایین سبب تبدیل بهتر کربن منواکسید، اما با کاهش دما فعالیت کاتالیستها نیز کم میشود. براساس گزارشات و تجربه های به دست آمده دمای بهینه راکتور برای تبدیل کربن منواکسید در حدود 560 - 300 درجه سانتی گراد است.
- شیفت آب- گاز در دمای پایین در شیفت آب- گاز در دمای پایین واکنش کربن منواکسید در دمای
205 تا 303 درجه سانتیگراد صورت میگیرد. به دلیل کارکرد راکتور در دمای پایین واکنش تبدیل کربن منواکسید به طور کامل به سمت واکنش رفت - تبدیل کربن منواکسید - تمایل دارد لذا میزان کربن منواکسید به مقدار بسیار پایینی میرسد.کاتالستهای شیفت آب- گاز در دمای پایین، اکسید مس و اکسید روی بر پایه آلومینا هستند.کاتالیستهای شیفت آب - گاز در دمای پایین به کلر وترکیبهای گوگرددار حساس بوده و همچنین از مقاومت مکانیکی پایینی برخوردارند.
-2 فرایند متانسازی در فرایند متانسازی که برای خالصسازی هیدروژن انجام میشود،
بخشی از هیدروژن تولیدی صرف تبدیل کربن منواکسید به متان میشود. غلظت کربن منواکسید و کربن دیاکسید باقیمانده بر اساس واکنشهای زیر به کمترین مقدار ممکن میرسد.
واکنشهای فرایند متانسازی به وسیله کاتالیستهای نیکل بر پایه Al2O3 یا روتنیوم بر پایه Al2O3 انجام میشود. به دلیل گرماده بودن واکنشهای فرایند متانسازی، هر چقد دمای راکتور پایینتر باشد واکنشهای تعادلی، به سمت تبدیل بهتر متمایل میشود. اما در دماهای پایین فعالیت کاتالیست کم شده و لذا بازده واکنش کمتر میشود.
به این ترتیب شیفت آب- گاز با انجام واکنشهای یاد شده به وسیلهی دو کاتالیست صورت میگیرد.
از مهمترین مزایای این کاتالیستها موارد زیر است:
▪ عدم نیاز به فعالسازی و لذا عدم مشکلات این مرحله
▪ کارایی در گسترهی دمایی گسترده
▪ مقاومت در برابر آب و اکسیژن
گرانی فلزات پلاتین و پالادیم از مهمترین مشکلات این کاتالیستها در جهت صنعتی شدن است.شکل - 2 - عملکرد یک نوع از کاتالیستهای دو منظوره /Al2O3 مخلوط اکسیدهاPt / است.
-3 راکتورهای غشایی یکی دیگر از موضوعات پژوهشی در پیشرفت تبدیل کربن منو اکسید استفاده از راکتورهای غشایی است. غشاهای تبدیل کربن منو اکسید در برابر ترکیبهای گوگرددار و اکسیژن و آب مقاوم بوده و در دمای 350 تا 450 درجه سانتیگراد فعالبت میکنند. پایه این غشاها بیشتر از زئولیت و کاتالیستهای آن پلاتین یا پلادیم است.
-4 حذف کربن دیاکسید پس از طی مراحل حذف کربن منواکسید فراورده دارای 16 تا %20 کربن دیاکسید است که بر اساس یکی از روشهای زیر جداسازی کربن دیاکسید از فراورده صورت گرفته میگیرد:
· استفاده از کربنات داغ
· استفاده از محلول اتانول آمین
· استفاده از سلوکسل
· تشکیل بلور
· استفاده از غشا
· زئولیتها
- 5 روش جذب رفت و برگشتی فشاری - PSA - و غشای پالادیمی
روش انجام طرح
تحلیل ترمودینامیک قراردادی شامل کاربرد اول ترمودینامیک است، که به تحلیل انرژی نیز معروف میباشد.
