مقاله شبیه سازی و تحلیل ترمودینامیکی واحد تولید هیدروژن دریک واحد صنعتی

بخشی از مقاله

چکیده

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. صنعت پتروشیمی به عنوان یکی از صنایع با مصرف انرژی بالا 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 و تحلیل ترمودینامیکی آن دو هدف مهم کاهش مصرف انرژی و تحلیل سوخت پاک هیدروژن مورد بررسی قرار گرفته است.این تحلیل ترمودینامیکی یا همان تحلیل اگزرژی و در واحد تولید هیدروژن یک شرکت پتروشیمی صورت گرفته است و با توجه به روشهای متعدد تولید هیدروژن, در این واحد روش SMR که یکی از بهترین روشهای تولید است انجام میشود.

این فرایند در نرم افزار Aspen Hysys شبیه سازی شده است تا پارامترهای جریان در نقاط مختلف بدست آید، سپس مقادیر تخریب اگزرژی و اتلاف اگزرژی کلیه اجزای فرایند محاسبه شده است. بیشترین بازده مربوط به PSA - بازده - %91/99 در حالیکه گرمکن 3 با %16/22 کمترین بازده را دارد.

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 ، دو هدف مهم یعنی کاهش مصرف انرژی و بررسی ترمودینامیکی فرآیند تولید هیدروژن به عنوان سوخت پاک در نظر گرفته شده است.

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.

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.

. تریتیوم که در رآکتورهای اتمی تولید میشود، در ساخت بمب های هیدروژنی مورد استفاده قرار میگیرد.

.هیدروژن چهارده و نیم بار از هوا سبک تر است و سابقاً به عنوان عامل بالا برنده در بالون ها و کشتی های هوایی مورد استفاده قرار میگرفت تا وقتی که فاجعه هیندنبرگ ثابت کرد که استفاده از این گاز برای این منظور بسیار خطرناک است.

. دوتریوم به عنوان یک کند کننده جهت کاهش حرکت نوترون ها در فعالیت های هستهای مورد استفاده قرار میگیرد.

. تریتیوم که یک ایزوتوپ طبقهبندی شده در علوم زیست شناسی است به عنوان یک منبع تشعشع در رنگهای نورانی کاربرد دارد.

. 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، SR

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.

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. مراحل اصلی فرآیند تبدیل هیدروکربنها به وسیله بخار عبارتاند از:

-1 گوگردزدایی -2 تولید گاز سنتز -3 خالصسازی

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 - 2 -

HR    R   SH   H2    H 2S

ب- حذف هیدروژن سولفید - 3 -

ZnO   H2S    ZnS   H2O

-2 گوگردزدایی به وسیله جذب فیزیکی و شیمیایی

- 3 گوگردزدایی با روش اکسایش کاتالیتیکی انتخابی

جدول:1 روشهای متداول گوگردزدایی

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: الف- واکنش شیمیایی واکنشهای مرحله تبدیل هیدروکربنهای سبک به گاز سنتز به کمک بخار آب شامل مراحل زیر هستند:

-1 تجزیه - 4 -

CH4   H2O    CO  3H2    H  206 kj / mol

برای هیدروکربنهای غیر از متان، واکنش فوق به صورت زیر نوشته میشود.

-2 شیفت آب- گاز            
41 kj / mol    H    CO2   H2    CO  H2O

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.

ب- کاتالیست کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا یکی از بهترین کاتالیستها برای

واکنش تبدیل گاز طبیعی به کمک بخار آب است. برای هیدروکربنهای سنگین از مخلوط کاتالیست نیکل بر پایه Al2O3 و SiO2 استفاده میشود.

ج- مکانیسمهای غیرفعال شدن کاتالیستهای تبدیل با بخار آب

د- راکتور:

راکتور تبدیل با بخار آب از جنس آلیاژ فولاد است که در بخش تشعشعی یک کوره گرم شده و شرایط لازم برای انجام واکنش را مهیا میکنند. واکنش در دمای 700 تا 850 درجه سانتیگراد، فشار 3 تا 30 بار و نسبت بخار آب به کربن 2/5 تا 5 انجام میشود.

ر- خوراک

خوراکهایی که در تولید هیدروژن بر اساس روش تبدیل با بخار آب استفاده میشوند، به انواع زیر تقسیم میشوند:

-1 گاز طبیعی: گاز طبیعی یکی از بهترین خوراکها در تولید هیدروژن بر اساس روش تبدیل با بخار آب است. گاز طبیعی شامل 87 تا 98 درصد متان، 3 تا 13 درصد اتان و 1 تا 3 درصد پروپان است.

-2 نفتا: این خوراک بیشتر در گذشته استفاده شده است و در حال حاضر به دلیل مشکلات فراوان آن - تسریع تشکیل کک، غلظت بالای ترکیبهای گوگرددار و لزوم آمادهسازی خوراک - کمتر مورد استفاده قرار میگیرد.

:LPG -3 یکی از خوراکهای ایدهال برای تولید هیدروژن براساس روش تبدیل با بخار آب است. LPG شامل 76 تا99 درصد پروپان بوده و از مهمترین مزیتهای این خوراک عدم تشکیل کک و عدم تشکیل گازهای NOx است.

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 میگردد.