مقاله مدل سازی و شبیه سازی فرایند عریان سازی آب ترش ( sour water stripping process )

بخشی از مقاله

مدل سازی و شبیه سازی فرایند عریان سازی آب ترش (sour water stripping process)
چکیده

از فرایند عریانسازی آب ترش در پالایشگاهها و سایر صنایع برای تصفیه آب حاوی سولفید هیدروﮊن و آمونیاک استفاده میشود. در اکثر مواقع این آب علاوه بر ترکیبات یادشده شامل دیاکسید کربن و سایر ناخالصیها نیز میشود. هدف اصلی از فرایند عریان سازی آب ترش رساندن غلظت آمونیاک به مقدار کمتر از 50 ppmw و غلظت سولفید هیدروﮊن به مقدار کمتر از 10 ppmw میباشد به نحوی که بتوان دوباره از این آب در پالایشگاه استفاده کرد و یا به عنوان یک جریان بیخطر آنرا به محیط زیست برگرداند. در این مقاله علاوه بر شبیهسازی این فرایند جنبههای مختلف طراحی آن مورد توجه قرار گرفته است. به نحوی که مشکلات عملیاتی واحد مطالعه شده و یک مقایسه بین نرمافزارهای متفاوت در نحوه مدلسازی و شبیهسازی این فرایند صورت گرفته است.

واﮊههای کلیدی: شبیه سازی؛ آب ترش؛ نرمافزار؛ مدلسازی

مقدمه

آب به عنوان یک سرویس جانبی مهم در عملکرد واحدهای پالایشگاهی و صنایع پتروشیمی به شمار میرود. به دلیل محدودیت منابع مورد استفاده توسط یک مجتمع پالایشگاهی از یک طرف و توجه به مسایل زیست محیطی و وضع قوانین مربوط به محدودیت در تولید منابع آلوده کننده محیط زیست در اکثر پالایشگاههای دنیا مسئله مدیریت منابع آب به شدت تحت توجه قرار گرفته است. به همین منظور با بررسی جریانهای آب موجود در پالایشگاهها، دستگاههاوفرایندهای استفاده کننده از آب و مطالعه عملکرد واحدهای مختلف تصفیه آب بهینه کردن سیستم توزیع آب در یک مجتمع پالایشگاهی صورت می گیرد. بهینه سازی مصرف آب به عنوان یکی از شاخههای یکپارچهسازی فرایندها به شمار میرود که با افزایش رقابت در بازار

جهانی، کمبود مواد اولیه و انرﮊی و مشکلات ناشی از آلودگی محیط زیست توجه زیادی در خلال یک دهه گذشته به آن شده است. در این میان تکنیکهای مختلفی برای انجام سنتز ویکپارچهسازی فرایندها ارائه شده که تعدادی از آنها در جدول شماره ١ آورده شدهاند. همانطور که اشاره شد یکی از مهمترین مراحل در انجام فرایند مدیریت منابع آب در یک مجتمع پالایشگاهی( مراحل انجام کار در شکل ١آورده شده است) شناسایی واحدهای تصفیه کننده آب و در کنار آن بررسی محدودیتها و امکان افزایش راندمان آنها میباشد.

همانطور که در شکل شماره یک نشان داده شده است با جمع آوری اطلاعات جریانهای مختلف که به عنوان مصرف کننده و تولید کننده آب در یک فرایند هستند و با استفاده از فنآوری پینچ و یا هر روش دیگر تحلیل یکپارچهسازی فرایند میتوان عملکرد سیستم را بهبود بخشید.

به نحوی که مطابق شکل شماره ٢ منحنی کلی همه جریانهای موجود در سیستم رسم میشود. در مرحله بعدی و با شناسایی گلوگاههای سیستم سعی میشود با انجام پارهای تغییرات در جهت کاهش مصرف آب تازه گام برداشت. به عنوان مثال در سیستمی که در شکل شماره ٢ آورده شد با انجام تغییری که در شکل شماره ٣ مشخص گردیده مصرف آب تازه کاهش پیدا کرده است. یکی از مهمترین واحدهای تصفیه آب در فرایندهای پالایشگاهی واحد عریانسازی آب ترش است. از فرایند عریانسازی آب ترش در پالایشگاهها و سایر صنایع برای تصفیه آب حاویسولفید هیدروﮊن و آمونیاک استفاده میشود. در اکثر مواقع این آب علاوه بر ترکیبات یادشده شامل دیاکسید کربن و سایر ناخالصیها نیز میشود. هدف اصلی از فرایند عریان سازی آب ترش رساندن غلظت آمونیاک به مقدار کمتر از 50 ppmw و غلظت سولفید هیدروﮊن به مقدار کمتر از 10 ppmw میباشد به نحوی که بتوان دوباره از این آب در پالایشگاه استفاده کرد و یا به عنوان یک جریان بیخطر آنرا به محیط زیست برگرداند

جدول شماره یک: تکنیکهای مختلف سنتز فرایند.

Application of process integration to reduce water consumption

Characteristic of plant freshwater consumption: if total fresh consumption is more than 50 m3/h and if at least 4 water streams with an individual flow rate more than 5 m3/h is available then start else potential to reduce freshwater consumption is probably too small or the plant

complexity is not sufficient to justify a process integration study.

What is the situation of the plant: a reduction in the availability of freshwater is expected in a near future plant management want to reduce freshwater costs the production capacity is limited by the availability of water

plant management wants to reduce the costs for a new effluent treatment system or effluent discharge cost the plant must satisfy a legislation on wastewater

a significant amount of energy is lost in wastewater

Identify the most critical contaminants for the process and contained in the water streams Collect the required data to perform the analysis for the most significant water streams Draw the plant flow sheet and perform a mass balance on water and critical contaminant
Try to group together some contaminants to reduce the complexity of the analysis. Identify constraints for each unit operation( maximum acceptable concentration, minimum and maximum flow rate) Apply process integration techniques to maximize water reuse while respecting process constraints

Perform sensitivity analysis to identify unit operations for which constraints are the most restrictive to water reuse Identify the network configuration that is most attractive for personnel

Determine the reduction of freshwater consumption resulting from new configuration and evaluate the technical and economical impacts

If the identified reduction in fresh water consumption satisfy the plant objective modify the plant network to take into account

modifications identified at the process integration study stage. Else apply other regeneration techniques to further reduce fresh water consumption

شکل شماره ١: مراحل مختلف در انجام یکپارچهسازی مصرف آب

شکل شماره ٢: استفاده از فن آوری پینچ برای کاهش مصرف آب تازه

شکل شماره ٣: انجام تغییرات در شبکه آب و بهبود در مصرف آب تازه

واحد عریان سازی آب ترش

همانطور که عنوان شد از واحد عریان سازی آب ترش به منظور جداسازی ترکیبات آمونیاک و سولفید هیدروﮊن از آب استفاده میشود. در شکل شماره ٤ مشخصات خوراک یک واحد نمونه عریان سازی آب ترش آورده شده است.

شکل شماره ٤: مشخصات خوراک یک واحد عریان سازی آب ترش

آب ترش بسته به پیچیدگی و تنوع فرایندهای موجود در پالایشگاه ممکن است از منابع مختلفی تامین شود. یکی از منابع عمده تولید کننده آب ترش در پالایشگاهها محصول آب حاصل از بالای برج تقطیر اتمسفری است که در اثر میعان بخار عریان کننده در برج تقطیر تشکیل میشود( از بخار در برجهای تقطیر نفت خام به منظور تنظیم نقطه ابتدای جوش محصولات و عریان سازی جریان باقیمانده پایین برج از مواد سبک استفاده میگردد). همچنین آب ترش میتواند از واحدهایی مانند FCC,HDS,Hydrocracking

هم گرفته شود. علاوه بر این خروجی قسمتهایی مانند سیستم تولید خلا برای برج خلا پالایشگاه نیز ممکن است به عنوان تولید کننده آب ترش منظور شوند. آب ترش حاصل از فرایندهای مختلف توسط پمپ به تانک ذخیره واحد که به عنوان Stabilization Tank عمل میکند فرستاده میشود. وظیفه این مخزن پایدارسازی خوراک از لحاظ ترکیب درصدو جداسازی هیدروکربنهای احتمالی همراه با آب می باشد. در هر صورت یک لایه هیدروکربنی به منظور جلوگیری از انتشار بوی نامطبوع در محوطه فرایند استفاده میگردد و در صورتی که مخزن به صورت سقف ثابت باشد استفاده از سیستم پوشش توسط نیتروﮊن به منظور

جلوگیری از انتشار بوی نامطبوع و اتمسفر قابل اشتعال توصیه میشود. یکی از پیچیدگیهای فرایند عریان سازی آب ترش به دلیل رفتار الکترولیتی فرایند جداسازی میباشد.

مطابق شکل شماره ٥ در یک سیستم الکترولیتی علاوه بر حضور ترکیبات معمول یونها نیز در فار مایع وجود دارند که به همین دلیل مدل سازی و شبیه سازی فرایند را با مشکل مواجه میکند.

شکل شماره ٥: رفتار تعادلی در یک محلول الکترولیت مدلهای ترمودینامیکی متفاوتی برای بیان رفتار تعادلی سیستمهای الکترولیتی ارائه شده است که تعدادی از آنها در جدول شماره دو آورده شدهاند. در اکثر این تئوریها یونها به صورت ذرات باردار بدون بعد (نقطهای) فرض شدهاند.

که همین امر پیشگویی حاصل از آنها را با خطا مواجه میسازد. همچنین در اکثر روشهای یاد شده درهمکنش بین یونها و سایر اجزای سیستم در نظر گرفته نشدهاند.

برای فرآیندهای غیر الکترولیتی امروزه شبیه سازی و طراحی در سطح وسیعی با استفاده از نرمافزارهای پیشرفته انجام میشود ولی مدلسازی سیستمهای الکترولیتی به دلیل پیچیدگیهای ذاتی آنها همواره با دشواریهائی همراه بوده است. بمنظور مدل سازی یک سیستم الکترولیتی موارد زیر بایستی به دقت در نظر گرفته شوند:

• واکنشهای درون سیستم و ماهیت ذرات شرکت کننده در این واکنشها.

• ثابتهای تعادلی مربوط به واکنشها.

• ضرایب فعالیت مربوط به ترکیبات درون محلول شامل یونها، مولکولهای حلال و الکترولیتهای تجزیه نشده.

• حالت مرجع و مقدار خواص فیزیکی در این نقطه برای اجزاﺀ درون سیستم.

• خواص ترمودینامیکی و انتقالی سیستم.

جدول شماره ٢: روابط ارائه شده برای بیان رفتار تعادلی محلولهای الکترولیت

در شکل شماره ٦ واکنش های الکترولیتی موجود در سیستم آب ترش آورده شده است.

شکل شماره ٦: واکنشهای الکترولیتی موجود در سیستم اب ترش

مدلهای ترمودینامیکی ارائه شده برای سیستمهای الکترولیتی نحوه نگرش متفاوتی نسبت به شیمی محلول دارند. منظور از شیمی محلول در اینجا تعادلهای شیمیایی منجر به تفکیک یونی، تشکیل زوجهای یونی و واکنشهای اسید و باز میباشد.مدلهای الکترولیتی موجود از این منظر به سه دسته تقسیم میشوند:

١- مدلهائی که در آنها الکترولیتها به صورت تجزیه نشده در نظر گرفته میشوند.

٢- مدلهائی که فرض تجزیه کامل همه الکترولیتها به یونهای سازنده آنها اعمال میشود.

٣- مدلهائی مبتنی بر تجزیه تعادلی که به طور ضمنی شیمی محلول را در نظر میگیرند.

یک مقایسه بین مدلهای مبتنی بر تجزیه تعادلی با سایر مدلها نشان میدهد در سیستمهای پیچیدهای که چندین واکنش به صورت موازی و سری رخ میدهد نتایج حاصل از این مدلها در محاسبات تعادلی از جمله تعادل فازی بین فاز مایع و بخار نتایج کاملاﹸ متفاوتی از خود نشان میدهند.

محلولهای حاوی الکترولیتهای تجزیه شده شامل کاتیونها (مولکولها و اتمهای با بار مثبت)، آنیونها

(مولکولها و اتمهای با بار منفی)، الکترولیتهای تجزیه نشده و مولکولهای تجزیه نشده حلال و اجزاﺀ حل شونده خواهند بود.در بعضی از سیستمهای الکترولیتی در هم کنش بین یونهای آنیون و کاتیون و اجزاﺀ مولکولی باعث تشکیل زوجهای یونی و یا کمپلکسهای یونی میشود. در شکلهای شماره ٧ و ٨ مقایسه بین دو مدل متفاوت برای سیستم آب ترش آورده شده است.

شکل ٧: رفتار سیستم آب ترش با دادههای واقعی

شکل ٧: رفتار سیستم آب ترش با دادههای واقعی