بخشی از مقاله
فناوري هاي بهینه سازي راندمان مصرف انرژي
براي فرآیندهاي تولیداُلفین در صنایع پتروشیمی
چکیده
تولید محصولات اصلی پتروشیمی نیازمند فرآیندهاي پر انرژي است. تولیداُلفین بیشترین مصرف انرژي (حدود 30
درصد) را در صنایع شیمیایی به خود اختصاص داده است. تجزیهي حرارتی به تنهایی، 67 درصد کل مصرف انرژي ویژهي کراکرهاي نفتا، و 33 درصد باقیمانده در بخشهاي تراکم و جداسازي مصرف میشوند. در کراکینگ نفتا انرژي مورد نیاز در بخش تجزیهي حرارتی، از احتراق گازهاي سوخت که محصولات جانبی درجهي سوخت در حجم قابل توجهی هستند، تأمین میشود. مروري بر فناوريهاي کراکینگ مدرن نفتا نشان میدهد که حدود 20 درصد مصرف انرژي میانگین کنونی قابل صرفهجویی است. پیشرفتها در بخشهاي تراکم و جداسازي میتوانند موجب صرفهجویی 15 درصدي مصرف انرژي کل شوند. فناوريهاي کاتالیستیاُلفینها میتوانند حداقل 20 درصد در مصرف انرژي کل صرفه جویی کند. به علت اهمیت زیاد اتیلن به عنوان مهمترین محصول کراکینگ بخار، مصرف انرژي ویژه بر واحد تن اتیلن، معیاري رایج از مصرف انرژي براي کراکینگ است. این مقدار در واحدهاي مدرن 14 گیگا ژول برتُن اتیلن براي کراکینگ اتان و
25 گیگا ژول برتُن براي کراکینگ نفتا یا گازوئیل است. تجزیهي حرارتی هیدروژنی (غیر کاتالیستی) نسبت به کراکینگ پیشرفتهي نفتا، 9 درصد در مصرف انرژي ویژه صرفهجویی میکند. این بررسی مروري بر کراکینگ بخار و فناوريهاي اُلفینی نوآورانه بر حسب بهرهوري انرژي را ارائه خواهد کرد، و همچنین میتواند به عنوان یک راهنما، براي اینکه بتوان اطلاعات بیشتر و عمیقتري در مورد بهبود راندمان فرآیندهاي تولیداُلفین در صنایع پتروشیمی بدست آورد، مفید واقع شود.
واژههاي کلیدي: صنعت پتروشیمی، راندمان انرژي، بهینهسازي، فناوري، تولیداُلفین، کراکینگ، اتیلن.
-1 مقدمه
تولیداُلفین بیشترین مصرف انرژي را در صنایع شیمیایی به خود اختصاص داده است، بطوري که حدود 30 درصد از مصرف انرژي کل این بخش را در بر میگیرد .[1] فرآیند اصلی تولیداُلفین کراکینگ با بخار است که هیدروکربن (نفتا، اتان و غیره) را بهاُلفینها (اتیلن و پروپیلن و غیره) تبدیل میکند. مصرف انرژي کراکینگ بخار در سرتاسر دنیا 2 تا 3 اگزا ژول بوده و حدود 180 میلیون تن دياکسیدکربن در سال را به محیط زیست منتشر میکند. هزینهي انرژي در واحدهاياُلفینی با خوراك اتان یا نفتا حدود 70 درصد هزینههاي تولید را شامل میشود .[3,2] از نقطه نظر زیست محیطی و اقتصادي، بهتر است که افت انرژي در فرآیندهاي تولید الفینها را بررسی کرده و پیشرفتهاي صورت گرفته در زمینهي صرفهجویی انرژي و فرآیندهاي جایگزین را مورد توجه قرار داد. بنابراین رسیدن به این هدف نیازمند مطالعهي فناوريهاياُلفینی است، که ممکن است در 20 تا 30 سال آینده بر مصرف انرژي تأثیرگذار باشد.
در این بررسی تحلیل راندمان انرژي شامل دو مرحله است که در مرحله اول ابتدا باید فرآیند موجود و چگونگی مصرف انرژي در این فرآیند را درك نمود؛ سپس فهرستی از فناوريهاي جدید و ویژگیهاي مربوط به آنها را بر حسب توسعهي راندمان انرژي مورد بررسی قرار داد. در اینجا بر روي فناورهایی کهاُلفینها را از خوراك مرسوم (اتان، نفتا، پروپان) و سنگین تولید میکند، تمرکز شده است . علاوه بر این بواسطهي سهم زیاد کراکینگ نفتا نسبت به کراکینگ اتان در تولید الفین، این فرآیند مورد بحث قرار میگیرد. براي این منظور در ابتدا باید فاکتورهایی که بر مصرف انرژي در تولیداُلفین تأثیرگذار هستند را بطور دقیق مورد بررسی قرار داد، سپس به توصیف کراکینگ نفتا پرداخت. در ادامه نتایج تحلیل انرژي را بررسی کرده و فناوريهاي نوین براي کراکینگ نفتا مورد بحث قرار خواهد گرفت .[4]
-2 تعاریف
مصرف انرژي در فرآیند تولیداُلفین شامل مجموع سوخت، بخار آب و الکتریسیتهي مصرفی در مراحل اولیه است، که براي کل فرآیند واکنش (تبدیل خوراك بهاُلفین و تراکم و جداسازي) استفاده میشوند. مصرف انرژي فرآیندمعمولاً به عنوان مصرف انرژي در یک فرآیند صنعتی تعریف میشود. مصرف انرژي در مورد کراکینگ نفتا/ اتان مجموع افت انرژي و انرژي تئوري مورد نیاز است. مصرف انرژي فرآیند بطور معمول بر حسب مصرف انرژي ویژه تعریف میشود. این دو عبارت براي اندازهگیري راندمان انرژي کراکرهاي اتان/ نفتا استفاده میشوند. مصرف انرژي کل کراکینگ بخار، همان مصرف انرژي فرآیند یا مصرف انرژي ویژه است؛ بنایراین این سه تعریف را در کراکینگ بخار میتوان به جاي یکدیگر استفاده نمود. براي فرآیندهاي جایگزین کراکینگ بخار، مصرف انرژي در فرآینداُلفین تنها بخشی از مصرف انرژي کل است. در برخی از این فرآیندها اکسیژن، هیدروژن، الکتریسیته و یا بخار را به سیستم وارد میکنند. مصارف اولیهي انرژي در تولید این واردات نیز به عنوان بخشی از مصرف انرژي کل در نظر گرفته میشوند. تمامی این مصارف انرژي بر حسب مصرف انرژي ویژه بیان میشوند .[5]
درجهي راندمان انرژي (SEC) بر حسب گیگا ژول برتُن اندازهگیري میشود. در این مقاله واحدها بر حسب گیگا ژول بر تُن خوراك، گیگا ژول برتُن اتیلن و گیگا ژول بر تن محصولات شیمیایی ارزشمند، بیان میشود. گیگا ژول برتُن اتیلن بدین معنی است که تمام انرژي مصرفی تنها به اتیلن تخصیص مییابد. این عبارت همیشه بهترین علامت نشاندهندهي مصرف انرژي نیستمثلاً. اگر کراکینگ اتان با کراکینگ نفتا مقایسه شود، درست نیست که از گیگا ژول بر تن اتیلن استفاده کنیم.
تولید اتیلن از کراکینگ اتان بیشتر از کراکینگ نفتا است، ولی کراکینگ نفتا محصولات ارزشمندتر بیشتري نیز تولید میکند.
به همین دلیل واحد گیگا ژول بر تن محصول شیمیایی ارزشمند شاخص بهتري براي فرآیند کراکینگ نفتا است. محصولات شیمیایی ارزشمند شاملاُلفینهاي سبک (اتیلن، پروپیلن و بوتادین و غیره) هستند و محصولات غیراُلفینیمعمولاً شامل آروماتیکها و C5+ میباشد. همچنین جرماُلفینها بطور کامل، درحالیکه جرم غیراُلفینها 50 درصد در نظر گرفته میشود که این نشان میدهد ارزش محصولات غیراُلفینیمعمولاً نصف ارزش محصولاتاُلفینی است .[5]
-3 تولید اتیلن
اتیلن از طریق کراکینگ بخار مواد خام هیدروکربنی مانند اتان، پروپان، بوتان، نفتا و بنزین تولید میشود. اتیلن یکی از محصولات مهم و پر تقاضاي صنایع پترشیمی است. در سال 1995 شاخص راندمان انرژي تمام واحدهاي کراکینگ در آمریکاي شمالی معادل 175 بوده است، که نشان دهندهي این است که مصرف انرژي بهترین کراکرهاي موجود (کراکرهایی که با کمترین مصرف انرژي بیشترین میزان اتیلن را تولید میکنند) 40 درصد کمتر از مصرف انرژي در بهترین شرایط عملیاتی است..[6]
راندمان کلی انرژي تنها فاکتور هزینهي با اهمیت و تأثیرگذار بر هزینهي واحدهاي کراکر بخار است. در اوایل سالهاي
1970، افزایش قیمت نفت، تولیدکنندگان را ترغیب نمود تا انرژي مصرفی را در فرآیندهاي پر انرژي (تولید الفین) کاهش دهند. بهطور کلی، مصرف انرژي در تکنولوژي کراکینگ،تقریباً به واسطهي دو فاکتور کراکر نفتا و اتان از سال 1970 کاهش یافته است. با توجه به عمر نسبتاً بالاي فرایند کراکینگ (بیش از 20 سال)، هنوز برخی از بحرانهاي بهبود راندمان انرژي در کراکرهاي موجود در فرایند، بهکار گرفته نشده است. برخی از اقدامات لازم جهت بهینهسازي انرژي، نیازمند جایگزینی و تغییرات کلیدي در تجهیزات فرآیندي با هزینههاي قابل توجه است. این هزینهها به عوامل بسیاري همچون هزینههاي سرمایهگذاري، هزینههاي سوخت و صرفهجویی در انرژي بستگی دارد. برخی از پیشرفتهاي قابل توجه در کاهش مصرف انرژي در تولید اتیلن، بهطور خلاصه در زیر مورد بحث و بررسی قرار گرفته است :[6]
بخش کراکینگ
• گزینشپذیر بودن بیشتر کویلهاي کوره
• بهبود مبدلهاي خط انتقال (TLEs) با بازیابی حرارتی بالا در افت فشار پایینتر
• افزایش بهرهوري سوخت در کورههاي کراکینگ (بهطور معمول با راندمان 92 تا 94 درصد)
• بهبود مبدلهاي خط انتقال ثانویه براي کراکرهاي گازي
• استفاده از خروجی توربین گازي بهعنوان هواي احتراق کوره فشردهسازي و سرمایش گاز کراك شده
• افزایش دما در بخش پایینی برج تقطیر بنزین
• افت فشار پایینتر در مراحل میانی سیستم کمپرسور سیستمهاي تقطیر سرد و تبرید
• یک منبسط کنندهي اضافی در متانساز جهت بهینهسازي پیشسرمایش خوراك
• اضافه کردن جوشآورهاي جانبی (Side reboilers) جهت فراهم آوردن رفع خسارت ناشی از سرد بودن خوراك
• استفاده از مبدلهاي با سطح گسترش یافته به منظور بهبود عملکرد انتقال حرارت دیگر سیستمها
• اضافه کردن توربین گازي/ ژنراتور الکتریکی
• بهینهسازي توازن بخار و توان
• بهبود عملکرد کمپرسور
ارتقاء یا تعویض کوره کراکر، به طورقابلتوجهی باعث صرفه جویی انرژي میشود. بهبود طراحی کویل کوره باعث افزایش انتقال حرارت، به حداقل رساندن کک گرفتگی در کویلها و بیشینه کردن تولید محصولاتاُلفینی میگردد. بازدارندههاي بر پایهي گوگرد را میتوان براي کاهش تشکیل کک مورد استفاده قرار داد. گزینههاي بلند مدتتر همچون کویلهاي سرامیکی و کویلهاي پوشیده از سرامیک، میتوانند فرآیند احتراق در دماي بالاتر را ممکن سازند .[6]
در کراکرهاي معمولی، مشعلهاي کوره از هواي احتراقی براي فراهم کردن اکسیژن جهت سوزاندن سوخت استفاده میکند. در انتگراسیون همراه با یک توربین گازي، هواي احتراقی جایگزین گازهاي خروجی از توربین گازي که حاوي 15 تا
17 درصد اکسیژن و دماي 580 درجه سانتیگراد هستند، میشود. بخش سرمایش و تقطیر گاز کراك شده یک سیستمکاملاً پیچیده میباشد که شامل فرایندهاي تقطیر، تبرید و جذب است. با توجه به اختلاف دماي زیاد در این فرآیند (گاز کرك شده بالاتر ار 800 درجه سانتیگراد و تبرید زیر -150 درجه سانتیگراد) فرصتهاي مختلف براي انتگراسیون حرارتی در فرآیند وجود دارد.
بازیابی بهینهي گرما در کورهي کراکینگ را میتوان با استفاده از برجهاي نفت کوینچ (Quench oil towers) و طراحی بهینهي بخش جابجایی مبدلهاي خط انتقال ثانویه در کراکر گازي به انجام رساند. سیستمهاي پمپ حرارتی مانند تراکم مجدد بخار مکانیکی (MVR) (بخار مکانیکی بخاري از نوع فوق داغ است که بوسیلهي کمپرسورهاي گریز از مرکز یا جابجایی مثبتمجدداً، متراکم میشود.) را میتوان استفاده کرد تا بطور کارآمدي نیازهاي سرمایشی و گرمایشی را با یکدیگر کوپل نمود. در تراکم مجدد بخار مکانیکی، محصول بالاسري تقطیر، متراکم میشود، که به دنبال آن چگالش رخ میدهد و گرماي مورد نیاز ریبویلر را فراهم میکند. این تکنولوژي بهطور موفقیت آمیزي در جداکنندههاي پروپیلن/ پروپان بهکار رفته است و میتواند تا 1 گیگا ژول بر تن اتیلن صرفه جویی کند .[6] باید به یاد داشته باشیم که فنآوريهاي مقطعی میانبر (براي مثال پمپها و کمپرسورهاي با راندمان انرژي بالاتر) نیز بهطور قابل توجهی باعث کاهش در مصرف انرژي خاص براي کراکرهاي بخار میشوند.
-1-3 بهبود راندمان انرژي در تولید اتیلن
به واسطهي تجهیزات فراوان و تنظیم پیچیدهي شبکههاي مبدل حرارتی به منظور افزایش بازیابی حرارت و سرما، واحدهاي اتیلن در میان پیچیدهترین فرایندهاي پتروشیمیایی قرار میگیرند. تغییرات و اثرات مثبت در بخشی از فرآیند میتواند منجر به اثراتی در دیگر بخشهاي واحد یا اثرات منفی بر کل فرایند گردد. شبیهسازي فرآیند یک ابزار قدرتمند براي به نمایش گذاشتن این وابستگی است. فرآیندهاي برودتی براي جداسازي گازهاي سبک، در میان اصلیترین تجهیزاتی قرار میگیرد که بیشترین مصرف انرژي را دارند و متشکل از یک سیستم تبرید سه مرحلهاي پروپیلن و یک سیستم چهار مرحلهاي اتیلن هستند. جریانهاي برگشتی، که یک نرخ جریان کمینه را براي تجهیزات عملیاتی تأمین میکنند، موجب کاهش راندمان کل انرژي فرآیند میشود. در واقع شبیهسازي واحد نشان میدهد که چه استراتژي کنترلی باید اعمال گردد تا مصرف انرژي براي تجهیزاتی که به طور تمام ظرفیت کار میکنند به میزان 2 درصد کاهش یابد .[7]
-2-3 میانگیندرراندمانتولید انرژي اتیلن
به خاطر تأکید بر اتیلن به عنوان مهمترین محصول کراکینگ بخار، مصرف انرژي ویژه بر واحد تن اتیلن معیاري رایج از مصرف انرژي براي کراکینگ است. این مقدار در واحدهاي مدرن 14 گیگا ژول برتُن براي کراکینگ اتان و 20 تا 27 گیگا ژول برتُن براي کراکینگ نفتا یا گازوئیل است .[6]
نسبت اجزاء تشکیل دهندهي محصول (اتیلن)، وابسته به خوراك و شرایط عملیاتی فرآیند است. استفاده از مصرف انرژي ویژه بر تن اتیلن به عنوان معیاري از راندمان انرژي، بدین معنی است که تمام مصرف انرژي فقط براي تولید اتیلن تخصیص مییابد. مصرف انرژي ویژه به صورت مصرف خالص انرژي بر واحد مواد شیمیایی با ارزش تعریف میشود. راندمان انرژي با نسبت مصرف انرژي واقعی به مصرف انرژي ویژهي مرجع، تعریف میشود. تحلیل مقالات در سال 1995 نشان داد که کراکرهاي اتان/ پروپان، کارآمدي کمتري نسبت به کراکرهاي نفتا/ گازوئیل دارند. شاخص راندمان انرژي کراکرهاي اتان برابر
200 بود، درحالیکه براي کراکرهاي پروپان این مقدار برابر 180 است. با در نظر گرفتن مخلوط محصول (میانگین تولید 51 تا
53 درصدي اتیلن)، بهترین تخمین از مصرف انرژي ویژه، 13 گیگا ژول برتُن کل محصول است .[6]
