[۲] شکل ۱-۲ نمودار برج برگشت پذیر برای سیستم دوتایی

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در برج برگشت پذیر چندگانه ترکیبات سبک به صورت کامل از محصول پایین برج و ترکیبات سنگین از محصول بالای برج حذف گردیده و ترکیبات تقطیر شده پایین برج اهمیت بیشتری دارند.. یک روش پیشنهادی برای جداسازی مخلوط چند جزئی در برج و امکان ایجاد شرایط برگشت پذیری˓ تخمین شرایط حداقل جریان برگشتی است که نیازمند محاسبات گسترده در قسمت برگشت پذیری برج جهت تعیین نقطه پینچ می باشد. اخیرا مطالعاتی در این زمینه صورت گرفته است و یک الگوریتم کلی برای محاسبه حداقل سرعت جریان برگشتی در برج تقطیر ساده و ساختار یک برج برگشت پذیر پیشنهاد داده شده است.
نمودار دما- آنتالپی یک روش پیشنهادی برای برج های برگشت پذیر است. این نمودار برای تخمین بار جوش آور و خنک کننده جانبی در برج های واقعی به کار برده می شود و هدف رسیدن به شرایط حداقل جریان برگشتی برای ستون های عملیاتی متداول می باشد. نمودار های برگشت پذیر به عنوان هدف برای بار حرارتی مبدل در برج های واقعی به کار برده می شود ] ۶ و ۷.[
در سیستم های دوجزئی محاسبه ی نمودار برگشت پذیر آسان است و دو داده تعادلی با بهره گرفتن از نتایج حاصل از شبیه سازی به دست می آید. به کار بردن این روش در سیستم های چندجزئی و ترسیم نمودار برج واقعی و برج برگشت پذیر در ترکیبات مختلف بسیار گسترده و دشوار است بنابراین امکان دارد برج برگشت پذیر به صورت برج برگشت ناپذیر آدیاباتیک شود و شناسایی آن پیچیده باشد ]۶[ .
مشکل اصلی به کاربردن نمودار برج برگشت پذیر˓ تعیین ناحیه ای برای جوش آور و خنک کننده جانبی در برج ایده آل (بدون در نظر گرفتن نیروی محرکه) می باشد در صورتی که در برج واقعی نیروی محرکه˓ نامعین توصیف شده است.
روش­هایی جهت توسعه طراحی برج تقطیر به وسیله ی آنالیز توزیع نیروی محرکه پیشنهاد داده شده است. یکی از این رویکردها در برج تقطیر آدیاباتیک است جایی که گرما اضافه و یا به وسیله­ مبدل ها خارج می شود. در این برج انتخاب صحیح بار حرارتی و دمای انرژی های جانبی^[۱] منجر به بهبود توزیع نیروی محرکه می شود و به طور کلی بازده قانون دوم ترمودینامیک بهتر می شود ]۸ و ۹[.
رویکرد دیگر انتگراسیون حرارتی درونی برج تقطیر است HIDIC))که در این روش برج اصلی به دو برج جذب و دفع تقسیم می شود که با بهره گرفتن از انرژی تولید شده در قسمت بالایی بخش دفع و تعدادی مبدل های حرارتی جانبی انتگراسیون حرارتی اتفاق می افتد و گرمای موجود در بخش دفع گرمای مورد نیاز قسمت جذب را تأمین می کند]۱۰ .[
در حالی­که هر دو برج قسمت انتگراسیون حرارتی و روش برج برگشت پذیر آدیاباتیک، مفاهیم بازده انرژی در فرایند تقطیر بهبود داده است اما اجرای آنها در عمل نیاز به یک ستون نسبتاً پیچیده با بسیاری از مبدل های جانبی دارد. با این وجود موقعیت مناسب مبدل های حرارتی و مفاهیم انرژی برای تغییرات مورد نیاز در ستون تقطیر به درستی مورد بررسی قرار نگرفته است.
۱-۵- اهداف و نوآوری پژوهش
در این پژوهش سعی شده است مکان مناسبی برای مبدل جانبی به منظور ایجاد بار حرارتی هدف و در نتیجه صرفه جویی در مصرف انرژی تعیین شود که برای رسیدن به این هدف از حداقل اتلاف اکسرژی به عنوان نیروی محرکه جدید (جایگزینی برای نیرو محرکه های اختلاف دما و اختلاف پتانسیل در برج ) استفاده شده است.
۱-۶- ساختار پژوهش
کلیه‌ی مطالعات و فعالیت‌های انجام شده در این پایان‌نامه در قالب ۶ فصل جداگانه به شرح زیر ارائه شده است:
در فصل اول مقدمه ای از برج تقطیر و اهمیت اقتصادی آن ورویکردهایی که منجر به بهینه شدن انرژی در فرایند برج تقطیر می­ شود˓ آمده است و در پایان این فصل اهداف و نوآوری این تحقیق بیان شده است. در فصل دوم توضیحاتی در خصوص مطالعاتی که محققین در زمینه­ انتگراسیون داخلی برج تقطیر و کاربرد اکسرژی در برج انجام داده‌اند، بیان شده است.
در فصل سوم مفهوم اکسرژی و روش محاسبه ی اکسرژی در برج تقطیر و همچنین محاسبه ی اتلاف اکسرژی در هر یک از سینی های برج مورد مطالعه قرار گرفته است.
درفصل چهارم، انتگراسیون حرارتی داخلی برج و روش شبیه سازی آن مطرح شده است. در ادامه از اهمیت رسم نمودار دما و تعیین نیروی محرکه برج تقطیر گفته شده است. در انتها روش محاسبه ی نیروی محرکه ی جدیدی برای برج با بهره گرفتن از اکسرژی و بیان الگوریتمی جهت محاسبه­ی حداقل اتلاف اکسرژی بیان شده است و همچنین کاربرد استفاده از حداقل اتلاف اکسرژی برای مشخص شدن بار حرارتی هدف و تعیین محل مناسب مبدل های جانبی بحث شده است.
در فصل پنجم برج تقطیر واحد دی بوتانایزر پالایشگاه شیراز مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. در ابتدای فصل توضیح مختصری از این واحد داده شده است . در ادامه انتگراسیون حرارتی داخلی این واحد شبیه سازی شده و در پایان، طرح مطرح شده در فصل سوم روی این برج بررسی کرده و نتایج و نمودارهای آن بیان شده است.
در فصل آخر مقایسه‌ای بین رویکرد پیشنهادی در این پایان نامه با روش های گذشته˓ صورت گرفته است و نتیجه استفاده از این روش نیز بیان شده است.
فصل دوم
مروری بر تحقیق‌های انجام‌شده
۲-۱- مقدمه
عملیات تقطیر، متداول‌ترین فرایند برای جداسازی مواد محسوب می‌شود و از طرف دیگر، پرخرج‌ترین واحد از نظر میزان مصرف انرژی است. این فرایند سهم قابل ملاحظه‌ای از مصرف انرژی را در صنعت به خود اختصاص داده است؛ لذا امروزه با توجه به افزایش بی‌رویه مصرف حامل‌های انرژی و همین‌طور، قیمت‌های جهانی انرژی، تلاش برای یافتن راه‌کارهایی جهت صرفه‌جوئی انرژی در عملیات تقطیر، اهمیتی دوچندان یافته است.
برای بهبود راندمان مصرف انرژی دربرج‌های تقطیر، ایده‌های زیادی موجود است. یکی از جدیدترین آنها، انتگراسیون حرارتی داخلی با بهره گرفتن از مفاهیم اکسرژی است. اکسرژی مفهوم تازه­ای نیست اما برای یک مدت طولانی، تقریباً فراموش شده بود، ولی در چند سال اخیر به خاطر استفاده از منابع جدید انرژی و روش های کارایی انرژی، دوباره مورد توجه قرار گرفته است. . ارزیابی بخش مفید انرژی، بخشی که می ­تواند کار مکانیکی انجام دهد، در واقع ارزیابی کیفیت انرژی است و این موضوع از سا­ل­ها پیش مورد توجه دانشمندان بوده است.
در این فصل به معرفی فعالیت هایی که در زمینه اکسرژی و انتگراسیون حرارتی داخلی صورت گرفته˓ اشاره شده است.
۲-۲- تحقیق‌های انجام شده پیرامون اکسرژی
در این قسمت به فعالیت هایی که در زمینه اکسرژی انجام گرفته، اشاره شده است.
این ایده برای اولین بار در سال ۱۹۷۴ توسط فونیو ارائه شد و پس از آن روش های مختلفی جهت بهینه کردن بازده قانون دوم ترمودینامیک از جمله مینیمم کردن تولید انتروپی و اتلاف اکسرژی برای فرایند تقطیر پیشنهاد گردید. در جهت دستیابی به این اهداف ، مطالعات صورت گرفته است . تولید انتروپی در بخش های مساوی توسط توندور و کوالن در سال ۱۹۸۷، تقسیم مساوی نیروهای برج (EOF) توسط راتکج و همکارانش در سال ۱۹۹۵، فواصل مساوی ترمودینامیکی (ETD) توسط سالومون و همکارانش در سال ۱۹۹۸ نمونه هایی از این گونه مطالعات است [۳و۴] .
لینگهف و دهول برج تقطیر را بر اساس پروفایل اتلاف انر‍‍ژی برای هر مرحله تعادل ترمودینامیکی در سال ۱۹۹۳ تحلیل و بررسی کردند [۶]. جهت بهینه سازی برج تقطیر از روش هایی نظیر پیش گرم کردن یا خنک کردن خوراک ورودی (لینگهف و دهول در سال ۱۹۹۳)، تقسیم کردن میزان خوراک ورودی به برج و وارد کردن آن در دو مرحله یا بیشتر (وانکات و کسلر در سال ۱۹۹۳، اگراوال و هرون در سال ۱۹۹۷ وبمدیوپادهی در سال ۲۰۰۲) ، محل ورود خوراک، میزان و تعیین محل جریان برگشتی به برج، استفاده از چگالنده و جوش آور جانبی اضافی استفاده می شود.در این راستا، از نمودار اتلاف اکسرژی جهت مشخص کردن اهداف بهینه سازی در آنالیز و طراحی فرآیندهای شیمیایی از جمله فرایند تقطیر ، بهره می گیرند و در اکثر مواقع اطلاعات حاصل از این آنالیز، جهت ارائه راه­کارهای بالقوه با در نظر گرفتن معیارهای از پیش تعیین شده ، به کار برده می شود. استفاده از تحلیل های گرافیکی ساده مانند فرایند انتقال حرارت، انتقال حرارت و تقطیر بصورت موازی و توزیع حرارت در برج تقطیر در فهم هر چه بهتر اهداف تقطیر یاری رسان است [۶و۱۱].
لیگف و همکارانش در سال ۱۹۹۶، برج تقطیر را به عنوان واحد مبدل اکسرژی معرفی کردند که اکسرژی حرارتی را به اکسرژی شیمیایی تبدیل می کند و بر اساس اتلاف زیاد اکسرژی در عملیات تقطیر نوع جدیدی از برج تقطیر را با نام دیاباتیک^[۲] ارائه دادند که در آن جوش آور و چگالنده با دو مبدل حرارتی پیوسته در خود برج تقطیر جایگزین شدند. این طراحی بر اساس مطالعات صورت گرفته، تولید انرژی در برج را به حداقل رسانده و در نتیجه اثرات اکسرژی را تا ماکزیمم مقدار خود افزایش می دهد. از دیدگاه انرژی، برج دیاباتیک کاهش عمده ای را در مصرف سیال واسطه ای که جهت گرم کردن یا سردکردن مورد استفاده قرار می گیرد نشان می دهد و به تبع آن از نظر اقتصادی کاهش هزینه سرمایه گذاری را موجب می شود[۱۲].
از نقطه نظر اقتصادی و مهندسی، مطالعاتی که در آنها ستون­های تقطیر با تعداد مراحل حرارتی فعال- استفاده ازجوش آور درونی و خنک کننده درونی ^[۳] با ستون­های تقطیر مرسوم مقایسه می شوند، در پالایشگاه ها از اهمیت بالایی برخوردار است. مقاله ای در این رابطه توسط سیراجوس و همکارانش در سال ۲۰۰۰ ارائه شده است.
مطالعات متعددی بر روی بهینه کردن برج های دیاباتیک صورت گرفته است که از آن جمله می توان به پژوهشگران زیر اشاره کرد:
رسجورد در سال ۲۰۰۵ ، ریورو در سال ۲۰۰۱، سایار و همکارانش در سال ۱۹۹۱، اسکالر و همکارانش در سال ۲۰۰۱،گیلین کویجر و ریکاردو ریورو در سال ۲۰۰۲ [۸و۹و۱۳] . ریورو و دی کوایجر نرخ تولید انتروپی را بصورت تجربی در هر دو شرایط برج آدیاباتیک و دیاباتیک آب – اتانول بر اساس تئوری برگشت ناپذیری ترمودینامیکی در سال ۲۰۰۳ به مرحله اجرا درآورند [۱۴].
مطالعه علمی در سال ۲۰۰۵ هم توسط زیمپ و همکارانش انجام گرفت. نمودار اتلاف اکسرژی میزان برگشت ناپذیری هر مرحله تعادلی را مشخص می کند. با بهره گرفتن از نمودار اتلاف اکسرژی و نمودار انتالپی- دما برای ارزیابی بازده ترمودینامیکی برج تقطیر ، زیمپ توانست راه حل هایی جهت اصلاح برج تقطیر ارائه دهد [۱۵].
دویانی و همکارانش از آنالیز اکسرژی برای تحلیل عملکرد برج تقطیر در سال ۲۰۰۷ استفاده کردند و نتایج این تحقیق حاکی از این بود که اکسرژی خروجی نسبتاً پایین و شار برگشت ناپذیری تولیدی در کل برج بصورت یکنواخت توزیع نمی شود و تنها در چگالنده،جوش آور و سینی ورود خوراک به برج از درجه اهمیت بالاتری برخوردار است [۱۶].
هویانگ و همکارانش در سال ۲۰۰۸ ، از فشار بخار بالای تقطیر جهت پیش گرم کردن خوراک ورودی استفاده کردند و یک برج تقطیر حرارتی پیوسته^[۴] را ارائه دادند که بازده ترمودینامیکی برج تقطیر را بهبود می بخشد [۱۷].
قربانی و همکارانش در سال ۲۰۱۲ آنالیز اکسرژی و ارزیابی اقتصادی مرتبط با آن را در فرایند جداسازی گاز مطالعه کردند. در این تحقیق بازده اکسرژی برج های دی-بوتانایز، دی-پروپانایز و دی- اتانایزر محاسبه شد و نتیجه حاکی از آن است که بازده اکسرژی این برج­ها بسیار پایین می باشد و این گونه برجهای تقطیر با اتلاف اکسرژی ۶۴% بالاترین میزان اتلاف را در کل تجهیزات پالایشگاهی گاز و نفت خام دارا می­باشند. پس از آنها مبدل­های حرارتی با ۱۵% اتلاف و کمپرسورها با ۱۳% اتلاف به ترتیب در رده دوم و سوم از نظر اتلاف اکسرژی قرار دارند. این تحقیق که بر اساس مطالعات اقتصادی انجام گرفته است، موقعیت هایی بالقوه را برای اصلاح فرایند پیشنهاد می دهد[۶].
کارلوس رودریکوایس و آنتنیو لاکردا آنالیز اکسرژی را برای صنایع شیمیایی، پتروشیمی و نفت انجام دادند و براساس ارزیابی های انجام گرفته و تعیین معیارهای بهینه سازی ، پیشنهاداتی را در جهت اصلاح فرایند ارائه دادند. در این راستا برج تقطیر و سیستم دیاباتیک ایده آل مورد مطالعه قرار گرفته است. اتلاف اکسرژی و کار با بهره گرفتن از مفاهیم ساده تقطیر مانند بهینه کردن محل خوراک ورودی محاسبه شد و بر اساس تابع ترمو- اقتصادی و بازدهی فرایند، راه حل هایی برای بهبود عملکرد برج های تقطیر رایج در صنایع پتروشیمیایی ارائه شده است. نتایج این تحقیق نشان داد که تغییرات هر چند ساده در نقاط ورودی خوراک و انرژی در طول ستون تقطیر افزایش ۱۵% بازده را با مصرف انرژی ثابت به ارمغان خواهد آورد.
از نقطه نظر قانون دوم ترمودینامیک، برج های تقطیر مرسوم کاملاً ضعیف عمل می کنند. یکی از راه های افزایش بازدهی در این گونه برج ها استفاده از مبدل های حرارتی جهت توزیع گرمای اضافه شده و گرمای حذف شده در طول ستون تقطیر می باشد.
۲-۳-تحقیق‌های انجام شده پیرامون انتگراسیون داخلی برج تقطیر
در این قسمت به فعالیت هایی که در انتگراسیون حرارتی انجام گرفته، اشاره شده است.
اگویر و همکارانش در سال ۱۹۹۷˓ در مورد بهینه ی ترمودینامیکی برج تقطیر با بهره گرفتن از خنک کننده ها و گرم کننده های داخلی مطالعه کردند. در این تحقیق در مورد این که چگونه می توان انرژی مصرفی در برج را با بهره گرفتن از تعیین مکان مناسبی برای خنک کننده و جوش آور جانبی به حداقل رساند˓ بحث و تحقیق شده است]۱۱[.
باوساو همکارانش در سال ۱۹۹۸ روش اصلاحی در محاسبات حداقل انرژی برای برج تقطیر را پیشنهاد دادند. روش­های دسترسی آسان برای مخلوط غیر ایده آل چند جزئی در برج تقطیر ساده را مطرح کردند ]۱۸[.
پاندیوپادهایی و همکارانش در سال ۱۹۹۸ مطالعاتی بر روی نمودار دما و آنتالپی برای هدف قرار دادن انرژی در برج تقطیر انجام داده اند .هدف از این تحقیق رسیدن به حداقل جریان برگشتی برای برج های عملیاتی متداول است]۷[.
جانی و بیک پیترسون نیروی محرکه ای بر اساس اختلاف ترکیبات در برج را پیشنهاد دادند. که این روش نیاز به انتخاب ترکیبات کلیدی در برج دارد و به عنوان تنها داده های تعادلی لازم و ضروری هستند این مقاله در سال ۲۰۰۰ ارائه شده است ]۱۹[.
ناکایوا و همکارانش در سال ۲۰۰۳ رویکرد جدیدی را برای محاسبات داخلی در برج تقطیر را مطرح کردند. روش انتگراسیون حرارتی درونی برج تقطیر HIDiC) ) ˓ که این روش مفاهیم بازده انرژی را در فرایند تقطیر بهبود داده است. همچنین گادالا و همکارانش در سال ۲۰۰۵ مقاله ای را با عنوان آنالیز پینچ بر اساس تجزیه و تحلیل رویکر طراحی انتگراسیون داخلی برج تقطیر منتشر کردند . از نقطه نظر اقتصادی در سال ۲۰۰۶ ایواکبی و همکارانش پیشنهاداتی برای این روش مطرح کردند و مقاله ای با عنوان صرفه جویی انرژی در جداسازی سیستم چند جزئی با بهره گرفتن از انتگراسیون حرارتی داخلی در ستون تقطیر HIDiC) ) منتشر کردند]۱۰و۲۱و۲۰[.
دی کوایجر و همکارانش در سال ۲۰۰۴ ˓ توزیع انتقال حرارت به وسیله آنالیز نیروی محرکه و بهینه کردن انرژی در برج تقطیر آدیاباتیک را مورد مطالعه قرار دادند]۲۲[.
دانیلو و همکارانش در سال ۲۰۰۷ و همچنین پتلیوک و همکارانش در سال ۲۰۰۸ یک الگوریتم کلی برای محاسبه ی حداقل سرعت جریان برگشتی در برج تقطیر ساده و ساختار یک برج برگشت پذیر را پیشنهاد دادند ]۲۳و۲۴[.
مجتبی رسته در سال ۱۳۸۲ روش شبیه سازی برج های مزدوج را برای بهینه سازی برج متانول را مورد مطالعه قرار داده است . انتگراسیون حرارتی داخلی برج متانول را برای تلخیص متانول را در این پایان نامه تشریح کرده است]۱[.
۲- ۴- تحقیق‌های انجام شده پیرامون انتگراسیون حرارتی داخلی با بهره گرفتن از روش اکسرژی
در این قسمت به فعالیت هایی که در زمینه انتگراسیون حرارتی با به کار بردن رویکرد اکسرژی انجام گرفته، اشاره شده است.
محمد صابر در سال ۱۳۸۸ به بررسی بهبود کیفیت و راندمان مصرف انرژی در انتگراسیون حرارتی برج های تقطیر با بهره گرفتن از رویکرد اکسرژی پرداخته است. در این تحقیق شبیه سازی برج های مزدوج را به عنوان انتگراسیون حرارتی داخلی برج و همچنین محاسبه ی اکسرژی و اتلاف اکسرژی را برای بهینه شدن انرژی به صورت کامل تشریح داده شده است]۲[.
رابین اسمیت و همکارانش در سال ۲۰۱۱ روش جدیدی را برای بهینه سازی برج تقطیر پیشنهاد داده اند. در این تحقیق به بهینه سازی ترمودینامیکی در برج تقطیر پرداخته شده است. به معرفی نیروی محرکه ی جدیدی با بهره گرفتن از اتلاف اکسرژی و به کار بردن مبدل های جانبی در برج پرداخته است که منجر به بهبود کیفیت و راندمان مصرف انرژی می شود] ۲۶[.
۲-۵- نتیجه‌گیری
در مطالعاتی که پیرامون انتگراسیون حرارتی داخلی برج تقطیر صورت گرفته است˓ تعداد حالات مختلفی را برای بررسی وضعیت بهینه سازی انرژی برج پیشنهاد داده شده است اما هنوز به بررسی بهبود راندمان برج با در نظر گرفتن انتگراسیون حرارتی داخلی برج و تأثیر بار حرارتی جوش آور و خنک کننده جانبی بر روی راندمان برج به طور همزمان، به آن پرداخته نشده است. با بهره گرفتن از یک روش مناسب و طراحی جدید می توان به بهترین مقدار بار حرارتی و بهترین مکان برای مبدل جانبی دست یافت که به بهبود راندمان انرژی مصرفی برج کمک می کند. برای این منظور ابتدا لازم است آگاهی کافی از مفاهیم اکسرژی و انتگراسیون حرارتی داخلی برج تقطیر وجود داشته باشد. در دو فصل آینده مفاهیم اکسرژی و انتگراسیون حرارتی داخلی برج تقطیر توضیح داده خواهند شد
فصل سوم
مفاهیم اکسرژی
۳-۱- مقدمه
اکسرژی مفهوم تازه­ای نیست اما برای یک مدت طولانی، تقریباً فراموش شده بود، ولی در چند سال اخیر به خاطر استفاده از منابع جدید انرژی و روش های کارایی انرژی، دوباره مورد توجه قرار گرفته است.