بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی فرآیند برج تقطیر با کمک روش باند گراف
چکیده - با توجه به اهمیت واحدهای تقطیر در پالایشگاهها شناخت و بررسی فرآیند برج تقطیر به عنوان مهمترین قسمت در این مجموعه در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق تلاش شده است تا برج تقطیر یک واحد تقطیر در خلاء که متشکل از ۷ بستر و یک ناحیه عریان ساز است با کمک روش باند گراف، که یک روش گرافیکی در مدلسازی سیستمهای دینامیکی است، مدلسازی گردد. در این تحقیق ابتدا روابط بالانس جرم و انرژی حاکم بر برج تقطیر مورد مطالعه در فضای باند گراف مدلسازی شده، سپس با مقایسه نتایج دبی خروجی مجموعه با نتایج حاصل از مدلسازی به بررسی صحت مدل ایجاد شده پرداخته خواهد شد. در ادامه با کمک مدل ایجاد شده تاثیر عواملی نظیر کاهش و یا افزایش دبی ورودی به برج تقطیر بر دبی محصولات خروجی از آن مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. در پایان نیز پدیده ریزش سیال از بسترهای برج به پایین و تاثیر آن بر دبی خروجی سایر محصولات ارزیابی خواهد شد.
کلید واژه: بالانس انرژی، بالانس جرم، باند گراف، برج تقطیر
۱- مقدمه
امروزه با توجه به نقش پالایشگاهها بعنوان واحدهای صنعتی که وظیفه تصفیه و پالایش نفت خام و در نتیجه استحصال مشتقات نفتی، که محصولات اصلی پالایشگاه و منابع تولید انرژی هستند، و همچنین با توجه به اهمیت تولید انرژی و سوخت به دلایل مختلف از جمله افزایش قیمت انرژی در سالهای اخیر، شناخت و بهینه سازی فرآیند استحصال مشتقات نفتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. بنابراین ساخت مدلی رایانه ای از چنین فرآیندهایی که بتوانند به درستی و با دقت بالا سیستم را توصیف نمایند انجام این امر را به راحتی و با کمترین هزینه میسر می سازند. استفاده از مدلسازی علاوه بر بهینه سازی شرایط عملیاتی واحد امکان ارزیابی عملکرد واحد تولیدی را در شرایط مختلف فراهم میسازد. بدین ترتیب با توجه به وجود شرایط مختلف در پالایشگاهها انتخاب مناسبترین گزینه خوراک ورودی با حداقل هزینه و بسهولت با استفاده از مدلسازی رایانه ای امکان پذیر خواهد بود. مدلسازی دینامیکی فرآیندهای پالایش نفت در مقایسه با سایر شاخههای مهندسی دارای پیچیدگی و سختی ویژهای می باشند. این امر ناشی از این واقعیت است که این فرآیندها بر پایه اصول شیمی و فیزیک که شامل شاخه - های مختلفی از علوم مهندسی همانند: ترمودینامیک، شیمی-فیزیک، مکانیک
سیالات، انتقال حرارت و انتقال جرم استوار می باشند.|1| از اینرو جهت بررسی این فرآیندها باید به مدلسازی آنها با توجه به حضور منابع مختلف تولید انرژی پرداخت. روش باند گراف با توجه به مدل کردن سیستمهای با دامنه های مختلف انرژی بوجود آمده است. [2.3 | تا سالهای ابتدایی قرن ۲۱ روش باند گراف بطور گسترده ای برای مدلسازی و کنترل سیستمهای مکانیکی، هیدرولیکی، گرمایی و الکتریکی با حالت گذرا بکار گرفته می شد. || 4 || از آن جمله بوواما و همکاران || 5 || به مدلسازی واحد تولید بخار پرداختند. عابس و همکاران [6] به مدلسازی فرآیند انتقال حرارت و جرم در یک گلخانه پرداختند. بووما || 7] از باند گراف بعنوان ابزاری جهت مدلسازی پدیدههای ترموسیالاتی بهره جست. کومار و اماندا || 8 || به مدلسازی تجهیز نمک زدایی پرداختند. بالینو و همکاران [9.10] به بررسی سیالات تراکم نا افزون جهت طراحی و راهبری بهینه واحدهای پالایشگاهی، از روش باند گراف با کمک روش باند گراف پرداخت. از آن پس و با توجه به نیاز روز برای مدلسازی دستگاهها و تجهیزات موجود در یک واحد پالایش نفت از جمله مبدل حرارتی، راکتور، پمپ و... || 11 و 1.4] استفاده شد.
۲- مدلسازی
اصولاً روشهای مختلفی برای جداسازی اجزای سازنده نفت خام وجود دارد که مهمترین آنها تقطیر است. در روش تقطیر جدا کردن اجزاء نفت خام از روی اختلاف نقطه جوش آنها انجام میگیرد. اساس معادلات و روابط حاکم در مدلسازی فرآیند یک واحد تقطیر عبارت از قوانین بالانس جرم و بالانس انرژی برای کل مجموعه است. پس از استخراج معادلات حاکم باید روابط هیدرولیکی و گرمایی راجهت یافتن پاسخ سیستم با هم ترکیب نمود. جهت سهولت مدلسازی واحد مورد بحث به بخشهای کوچکی تقسیم خواهد شد که در هریک از این بخشها به تنهایی نیز باید روابط بالانس جرم و بالانس انرژی برقرار گردد، و نتایج کلی از ترکیب نتایج هر یک از این بخشهای کوچکتر حاصل خواهد شد. جهت دستیابی به پاسخ سیستم و سهولت حل آن باید تا حد امکان فرضیاتی را در نظر گرفت که باعث ایجاد خطا در آن نگردند که مهمترین آنها عبارتند از: ۱- برج تقطیر بطور کامل عایق حرارتی بوده و با محیط اطراف تبادل حرارت ندارد. ت گرادیان دما داخل برج تقطیر بصورت خطی است. تغییرات گرادیان فشار داخل برج تقطیر بصورت خطی است. ۴- درون برج تقطیر واکنش شیمیایی صورت نمیگیرد. برج تقطیر مورد مطالعه از ۷ بستر تشکیل شده است، همچنین یک ناحیه عریان ساز متشکل از ۶ سینی در پایین آن قرار دارد. جهت مدلسازی کلی برج تقطیر هر یک از این بسترهای هفتگانه را همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است، با برجی کوچکتر که دارای ۳ سینی است مدلسازی می نماییم.
برای انجام مدلسازی مورد نظر با روش باند گراف در این تحقیق از نرم -افزار Slim-20 استفاده شده است. برای بدست آوردن و حل روابط حاکم بر برج باید در ابتدا روابط حاکم بر یک سینی را بدست آورد، سپس با تعمیم آن برای کل برج اقدام به حل برج مربوطه نمود. در حل معادلات حاکم بر یک سینی به دو معادله بالانس جرم و بالانس انرژی مواجه خواهیم شد.
بالائس جرم: همانگونه که در شکل ۲ نیز نشان داده شده است بالانس جرمی ماده برای سینی شماره n برابر با معادله ۱ خواهد بود.
بنابراین در حالت پایدار مجموع جرمی سیالات ورودی و خروجی به
سینی با هم برابر خواهند بود. حال با تعمیم این رابطه برای کل برج تقطیر معادله بالانس جرم به صورت معادله خواهد بود.
بالانس انرژی: علاوه بر بالانس جرمی بر روی هر یک از سینیها بالانس انرژی نیز برقرار است، بدین معنی که مجموع انرژیهای ورودی و خروجی بر روی هر سینی با هم برابر خواهند بود. در بسیاری از فرآیندها معادله بالانس انرژی را با صرف نظر کردن از انرژی مکانیکی پتانسیل و جنبشی می توان سادهسازی نمود. از طرفی در یک برج تقطیر عایق شده انرژی حرارتی مبادله شده برج با محیط اطراف در مقایسه انرژی حرارتی مبادله شده میان سیالات درون برج
نسبتاً ناچیز است و می توان از آن صرف نظر نمود. با این فرض می توان این فرآیند را آدیاباتیک در نظر گرفت. بنابراین و با توجه به موارد ذکر شده به جای بالانس انرژی می توان بالانس آنتالپی را برای یک سینی برقرار نمود. بنابراین برای سینی شماره n رابطه بالانس آنتالپی به صورت معادله ۳ خواهد بود. همچنین رابطه بالانس آنتالپی برای کل برج نیز برقرار است، یعنی مجموع آنتالپی های ورودی و خروجی برج برابر خواهند بود.
بنابراین بر روی هر سینی دو معادله بالانس جرم و بالانس انرژی برقرار خواهد بود.. از طرفی با معلوم بودن مقادیر جرمی گاز و مایع ورودی به سینی و حل همزمان معادلات ۱ و ۳ مقادیر گاز و مایع خروجی از سینی بترتیب از طریق معادلات ۴ و ۵ بدست خواهد آمد.
همچنین با توجه به خطی بودن گرادیان فشار و دما و با توجه به تغییرات ناچیز فشار میتوان Cp را در هر یک از برجهای کوچک ثابت فرض نمود. بر این اساس مقدار آنتالپی در هر نقطه از معادله ۶ قابل محاسبه خواهد بود.
بنابراین مقادیر آنتالپی در نقاط مختلف برج را میتوان با در دست داشتن مقادیر آنتالپی ورودی از معادله ۶ قابل محاسبه خواهد بود. در شکل ۳ فضای گرافیکی مدلسازی شده معادلات حاکم بر هریک از سینی ها در فضای نرم افزار Sim-20 نمایش داده شده است. از حل همزمان معادلات بدست آمده برای هریک از سینیهای برج مقادیر دبی جرمی سیال خروجی در هرنقطه از برج تقطیر قابل محاسبه خواهد بود. در شکل ۴ فضای گرافیکی هر یک از برجهای کوچکتر که از سه سینی تشکیل شدهاند نمایش داده شده است.
۳- ارائه نتایج
در این قسمت به بررسی نتایج حاصل از مدل بدست آمده و مقایسه آنها با اطلاعات موجود در کاتالوگهای مجموعه تحت بررسی پرداخته خواهد شد، و پس از آن با اعمال برخی از تغییراتی که بصورت مشکلات احتمالی در این تجهیزات بوجود می آیند، تاثیر آنها بر سیستم مورد بحث بررسی می گردد.
جدول ۱ بیانگر نتایج دبی محصولات خروجی از برج تقطیر 202-V، بدست آمده از مدلسازی و نتایج حل تئوری برج است. همانگونه که مشاهده میگردد مقایسه میان نتایج و درصد خطای محاسبه شده همگرایی قابل قبولی میان مدل ایجاد شده با نتایج حاصل از حل تئوری را در خصوص اکثر محصولات خروجی برج نشان میدهد.
تغییر در دبی ورودی
در خصوص برجهای تقطیر، عوامل مختلفی ممکن است فرآیند آنها را تحت تاثیر خود قرار دهند که از این میان به تغییرات در دبی ورودی
خوارک برج و دبی بخار آب ورودی به ناحیه عریان ساز می توان اشاره نمود. یکی از عواملی که در واحدهای پالایشگاهی همواره مورد توجه است، در این قسمت به تغییر در دبی خوراک ورودی به مجموعه و بررسی تاثیر این تغییر بر محصولات خروجی است. با اعمال تغییر در دبی خوراک ورودی به سیستم، به بررسی تاثیر آن بر پارامترهای مورد مطالعه در کل سیستم پرداخته میشود.
اکنون اثرات کاهش دبی ورودی بر محصولات خروجی از برج تقطیر بررسی خواهد شد. همانگونه که میدانیم از رابطه بالانس جرم می توان دریافت که مجموع محصولات خروجی از یک برج باید برابر دبی ورودی به آن باشد و از اینرو باید انتظار داشت که با کاهش دبی ورودی محصولات نیز به همان میزان کاهش یابند. با حل مدل ایجاد شده برای حالتی که دبی ورودی واحد با گذشت زمان به میزان %20 دبی جرمی کاهش یابد، نتایج بدست آمده از این مدلسازی در جدول ۲ ارائه شده است. همانگونه که مشاهده میشود کلیه محصولات خروجی با کاهش دبی ورودی به میزان )"20 با همگرایی قابل قبولی به سمت این مقدار کاهش مییابند.
