تحصيلات تکميلي
پايان نامه کارشناسي ارشد درمهندسي شيمي گرايش طراحي فرآيند
عنوان:
بهينه سازي برج تقطير با استفاده از مفهوم انتگراسيون حرارتي داخلي و تحليل اکسرژي
استاد راهنما:
دکتر فرهاد شهرکي
استاد مشاور:
بهاره بيدار
تحقيق و نگارش:
ليلا ايزدي
خرداد 1393
بسمه تعالي
اين پايان نامه با عنوان بهينه سازي برج تقطير با استفاده از مفهوم انتگراسيون حرارتي داخلي و تحليل اکسرژي. قسمتي از برنامه آموزشي دوره كارشناسي ارشد مهندسي شيمي توسط دانشجو ليلا ايزدي با راهنمايي استاد پايان نامه دکتر فرهاد شهرکي تهيه شده است. استفاده از مطالب آن به منظور اهداف آموزشي با ذكر مرجع و اطلاع كتبي به حوزه تحصيلات تكميلي دانشگاه سيستان و بلوچستان مجاز مي باشد.
ليلا ايزدي

اين پايان نامه ……. واحد درسي شناخته مي شود و در تاريخ ………………….. توسط هيئت داوران بررسي و درجه ……………… به آن تعلق گرفت.
نام و نام خانوادگيامضاءتاريخاستاد راهنما: دکتر فرهاد شهرکياستاد مشاور: مهندس بهاره بيدارداور 1:دکتر جعفر صادقيداور 2:دکتر کيانوش رزاقينماينده تحصيلات تكميلي:دکتر فرامرز سرحدي
تعهدنامه اصالت اثر
اينجانب ليلا ايزدي تعهد مي كنم كه مطالب مندرج در اين پايان نامه حاصل كار پژوهشي اينجانب است و به دستاوردهاي پژوهشي ديگران كه در اين نوشته از آن استفاده شده است مطابق مقررات ارجاع گرديده است.اين پايان نامه پيش از اين براي احراز هيچ مدرك هم سطح يا بالاتر ارائه نشده است.
كليه حقوق مادي و معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه سيستان و بلوچستان مي باشد.
نام و نام خانوادگي دانشجو: ليلا ايزدي
امضاء
تقديم به آستان حقيقت و آنان که وصالش را مي‌جويند و آنان که در آغوشش کشيده‌اند و آنان که خود عين حقيقت‌اند.
تقديم به
پدر عزيز ومادر مهربانم
به پاس
يک عمر فداکاري و محبت بي پايانشان
سپاسگزاري
در انجام اين پايان‌نامه قدردان استاد گرانقدرم جناب آقاي دکتر فرهاد شهرکي مي‌باشم، که با راهنمايي‌ها و دلسوزي‌هاي ارزشمندشان مرا در طي نمودن اين مسير دشوار ياري کردند همچنين از مهندس بهاره بيدار استاد مشاور گرامي صميمانه تشکر مي کنم.

از همکار ودوست بزرگوارم مهندس سيد حامد علوي نژاد به خاطر الطاف فراوان و در اختيار قرار دادن تجربيات ارزشمندشان سپاس فراوان دارم.
از تمامي دوستانم که در اين مدت هميشه يار و همراهم بودن کمال تشکر را دارم
در پايان از دوست و همسرعزيزم مهندس محمد رئوفت که نمي‌دانم با چه زبان و جمله‌اي قدردان زحمات و کمک‌هاي ايشان باشم، کمال تشکر را دارم. ايشان در تمامي مشکلات پيش‌رو يار و همراهم بودند و براي ايشان از خداوند متعال آرزوي بهترين‌ها را دارم.
چكيده :
در اين پايان نامه روشي براي آناليز ترموديناميکي و ارزيابي مصرف انرژي برج تقطير با به کار بردن خنک کننده جانبي معرفي شده است. تحقيقات انجام شده در گذشته در جهت توزيع نمودار گرما و بررسي امکان اضافه شدن و يا استخراج گرما از کل قسمت هاي مختلف برج بوده است. مشکل اصلي اين نوع نمودار ها اين است که آنها را به برج هاي برگشت پذير ارجاع مي دهند و نمي توان به صورت مؤثر از اهداف به دست آمده از اين نمودار ها براي اصلاحات در برج واقعي استفاده کرد.
از ويژگي هاي اصلي روش پيشنهادي، بدست آوردن حداقل نيروي محرکه با به کار بردن شرايط تعريف شده براي تحقق اهداف مورد نظر در برج هاي واقعي است. توزيع اتلاف اکسرژي در برج هاي واقعي با به کار بردن مبدل هاي جانبي در برج براي بهينه شدن انرژي است که منجر به صرفه جويي قابل توجهي در انرژي مي شود . علاوه بر اين به منظور تحقق اهداف? رويکرد جديدي با استفاده از تعيين بهترين محل براي قرار دادن مبدل جانبي طراحي شده است و با استفاده از اين طراحي اصلاحاتي در اين برج صورت مي گيرد. در اين روش مي توان با استفاده از شبيه سازي هاي صنعتي برج معمولي را شبيه سازي کرد و اهداف مورد نظر را بر روي آن اجرا کرد.
در اين تحقيق نتيجه شبيه سازي بر روي سيستم چندجزئي با استفاده از اين رويکرد و امکان پذيري اهداف مورد نظر مطرح و بررسي شده است. از مقايسه ي اين روش با روش هاي قبلي به اين نتيجه مي رسيم که مشکلاتي نظير تغييرات دمايي و خطاهاي ايجاد شده در بار حرارتي بعد از جايگزين شدن جوش آور و خنک کننده جانبي که در روش هاي قبلي ايجاد مي شد? وجود ندارد و نيازي به شبيه سازي هاي اضافي و بررسي هاي دقيق تر نخواهد بود.
واژگان كليدي: اکسرژي- بهينه سازي – بار حرارتي هدف – حداقل نيروي محرکه
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فصل اول: پيشگفتار1
1-1 مقدمه2
1-2 بررسي مصرف انرژي در برج تقطير2
1-3 بيان روش هاي بهبود راندمان مصرف انرژي3
1-4ضرورت انجام پژوهش4
1-5 اهداف ونوآوري پژوهش7
1-6ساختار پژوهش7
فصل دوم: مروري برتحقيق‌هاي انجام‌شده9
2-1 مقدمه10
2-2 تحقيق هاي انجام شده پيرامون اکسرژي10
2-3 تحقيق‌هاي انجام شده پيرامون انتگراسيون داخلي برج تقطير13
2-4تحقيق‌هاي انجام شده پيرامون انتگراسيون داخلي برج تقطير با استفاده از اکسرژي15
2-5 نتيجه‌گيري 15
فصل سوم: مفاهيم اکسرژي17
3-1مقدمه16
3-2 مفهوم اکسرژي18
3-3 مقايسه انرژي و اکسرژي21
3-4 شبيه سازي و آناليز اكسرژي برج تقطير22
3-5 بهينه سازي23
3-6 بهينه سازي برج تقطير با استفاده از آناليز اكسرژي24
3-7 اثر انتگراسيون حرارتي داخلي بر روي کيفيت مصرف انرژي25
3-8 موازنه اکسرژي26
فصل چهارم: انتگراسيون حرارتي داخلي برج تفطير29
4-1 مقدمه30
4-2 بررسي بهبود کيفيت و راندمان مصرف انرژي در انتگراسيون حرارتي برج تقطير30
4-3 انتگراسيون حرارتي داخلي برج هاي تقطير32
4-4 مدل سازي برج تقطير و ساختارHIDiC36
4-5 پياده سازي ساختار انتگراسيون حرارتي داخلي37
4-6 مبدل حرارتي39
4-7 روش NTU-?39
4-8 روش حداقل دماي نزديکي40
4-9 شير فشار شکن41
4-10اثر انتگراسيون حرارتي داخلي بر روي ميزان مصرف انرژي41
4-11اثر انتگراسيون حرارتي داخلي بر روي کيفيت مصرف انرژي43
4-12 بهينه سازي ترموديناميکي برج تقطير43
4-13 نمودار دما-آنتالپي44
4-14 حداقل نيروي محرکه در طراحي فرآيند49
4-15 نيروي محرکه در برج تقطير51
4-16 تعيين حداقل اتلاف اکسرژي53
4-17 نمودار حداقل نيروي محرکه56
4-18 محاسبه ي الگوريتم (عددي )57
4-19 تعيين محل مناسب براي يک برج اصلاح شده58
فصل پنجم:بررسي الگوريتم بر روي برج تقطيردي بوتانايزر61
5-1مقدمه62
5-2 واحد دي بوتانايزر پالايشگاه شيرازUnit 100) )62
5-3 انتگراسيون حرارتي داخلي برج تقطير63
5-4 تعيين حداقل نيروي محرکه در طراحي فرآيند64
5-5 تعيين محل مناسب براي يک برج اصلاح شده70
5-6 نتيجه‌گيري 74
فصل ششم: نتيجه‌گيري وپيشنهادات75
6-1نتيجه‌گيري76
6-پيشنهادها77
مراجع78
پيوست82
فهرست جدول‌ها
عنوان جدولصفحه
جدول 4-1 مدل هاي اكتيويته مناسب براي حالت هاي مختلف محلول ها37
جدول5-1.نتيجه شبيه سازي اوليه 71
جدول 5-2. نتيجه شبيه سازي بعد از انتگراسيون 72
جدول 5-3. نتيجه شبيه سازي برج اصلاح شده 72
فهرست شکل‌ها
عنوان شکلصفحه
شکل1-1. نماي کلي از يک برج تقطير متداول 3
شکل1-2. نمودار برج برگشت پذير براي سيستم دو تايي5
شکل 4-1. نماي کلي از يک HIDIC ايده آل33
شکل 4-2. . نماي کلي از يک برج يکپارچه حرارتي داخلي38
شکل 4-3. تغييرات کار مصرفي کمپرسور بر حسب نسبت تراکم کمپرسور43
شکل4-4مراحل مورد نياز براي رسيدن به اهداف در برج44
شکل4-5. نمودار ترکيب براي برج هاي مختلف48
شکل 4-6.حداقل نيروي محرکه براي شبکه مبدل حرارتي50
شکل 4-7. تأثير سيال انرژي جانبي بر روي نيروي محرکه50
شکل 4-8. نمودار اتلاف اکسرژي53
شکل 4-9. بار حرارتي مبدل جانبي با استفاده از حداقل نيروي محرکه54
شکل 4-10 اطلاعات پينچ درسيستم هاي چند جزئي56
شکل 4-11درصد اکسرژي ذخيره شده59
شکل 4-12 اضافه کردن تعداد سيني هاي مورد نياز60
شکل5-1. شبيه سازي واحد دي بوتانايزر پالايشگاه شيراز63
شکل 5-2. شبيه سازي انتگراسيون داخلي برج دي بوتانايزر64
شکل 5-3نمودار اتلاف اکسرژي براي برج دي بوتانايزر65
شکل 5-4. نمودار اتلاف اکسرژي بعد از اصلاحات66
شکل5-5. نمودار بار حرارتي هدف در برج برگشت پذير67
شکل5-6.نمودار حداقل بار حرارتي براي05/0 = ?68
شکل 5-7نمودار اتلاف اکسرژي براي 05/0 = ?69
شکل 5-8درصد اکسرژي ذخيره شده در انرژي جانبي71
شکل 5-9 موازنه کلي جرم و حرارت73

فهرست نمادها
علامتنشانهجريان تقطير شدهکمبوداکسرژي جريانمقدارمولي جريان هاي: خوراک? محصول تقطير ?محصول پايين برجانتالپي جريانبارحرارتي منسوب به جوش آور و چگالندهانتگراسيون حرارتي داخلي برج تقطيراجزاءمرحلهورودي و خروجي جريان ها يا برجفاز مايع ? بخارکمترين مقدارمقدار مولي جريان گاز? مايعخوراک گرمانتروپيدماترکيب مولي در فازهاي گاز و مايعاختلافمحيط
فصل اول
پيشگفتار
1-1- مقدمه
يکي از مهم‌ترين بخش‌هاي واحدهاي صنعتي، واحد تقطير مي‌باشد. برج‌هاي عمليات تقطير يکي از رايج‌‌‌ترين عمليات واحد در صنايع فرآيندي و در عين‌حال، پرخرج‌ترين واحد از نظر ميزان مصرف انرژي هستند. اين فرآيند سهم قابل ملاحظه اي از مصرف انرژي را در صنعت به خود اختصاص داده است . لذا امروزه با توجه به افزايش بي رويه مصرف حامل هاي انرژي و همين طور قيمتهاي جهاني انرژي تلاش براي يافتن راه کارهايي جهت صرفه جويي انرژي در عمليات تقطير اهميت دو چندان يافته است .کاهش مصرف انرژي در عمليات تقطير? امروزه در کاهش قيمت تمام شده محصولات نيز مي تواند بسيارمؤثر باشد . بنابراين مصرف بهينه انرژي و مقايسه با يک معيار استاندارد و آناليز و تفسير انحراف از حالت استاندارد در مراحل امري ضروري است. به همين دليل ارائه روش هاي کاهش مصرف انرژي نسبت به معيار استاندارد اهميت ويژه اي داشته و مورد توجه قرار دارد. براي بهبود راندمان مصرف انرژي در برج‌هاي تقطير، ايده‌هاي زيادي در مراجع مربوطه، موجود است. اصلاح و بهينه سازي برج تقطير براي بازدهي بهتر انرژي کار بسيار پيچيده اي است]1[.
1-2- بررسي مصرف انرژي در برج تقطير
انرژي لازم در يک فرآيند تقطير از طريق جوش آور تأمين مي شود. با توجه به قابليت در دسترس بودن و همين طور اقتصاد فرآيند? منابع تأمين گرما براي جوش آور عموماً شامل بخارات آب? روغن هاي داغ و يا کوره ها هستند. اجزاء سبک تبخير شده و به فاز بخار وارد مي شوند در حالي که اجزاء سنگين ميعان مي يابند و از فاز بخار به فاز مايع منتقل مي شوند ]2[.
بخارات داغ در داخل برج به سمت بالا حرکت مي کنند و با مايعاتي که به سمت پايين حرکت مي کنند در چندين مرحله روي سيني ها تماس پيدا مي کنند و در صورت وجود زمان کافي به تعادل مي رسند . بخارات در بخش بالاسري که غني از اجزاء سبک است ميعان مي يابند . بخشي از اين مايعات به برج برگشت داده مي شوند و بخشي به عنوان محصول از بالاي برج خارج مي شود . شکل ( 1-1 ) نماي کلي يک برج تقطير را نشان مي دهد ]2[.
گرماي حاصل از ميعان اغلب به هوا يا آب و يا هر دو منتقل مي شود وگاهي نيز به عنوان پيش گرمکن جريان خوراک و يا در ساير موارد استفاده مي شود. در واقع مقدار اين انرژي قابل ملاحظه است و همين امر بازيافت آن را جذاب تر مي کند. اما به دليل سطح دمايي پايين تر آن در مقايسه با ديگر مراحل برج به خصوص جوش آور، امکان استفاده مفيد از آن براي گرمايش وجود ندارد . به علاوه بخشي از آن نيز به وسيله تشعشع و جابه جايي از بدنه برج به محيط منتقل مي شود ]2[.
[2]شکل 1-1 نماي کلي يک برج تقطير
انرژي حرارتي تزريق شده در جوش آور خرج تبخير مايع غني از اجزاء سنگين شده و از آن طرف انرژي ياد شده براي تأمين جريان برگشتي خارجي دور ريخته مي شود. به هر حال اين انرژي را به خاطر دماي پايين چگالنده نسبت به ساير مراحل نمي توان بازيابي کرده و مورد استفاده قرار داد ]2[.
1-3- بيان روش هاي بهبود راندمان مصرف انرژي در برج تقطير
تعداد حالات مختلفي براي بررسي وضعيت بهينه سازي انرژي برج در گذشته پيشنهاد شده است که شامل :
– بررسي وضعيت تعداد سيني ها يا سرعت جريان برگشتي
– تعيين سيني خوراک ورودي
– به کار بردن جوش آور و خنک کننده جانبي در طراحي مسائل ترکيبي
– انتگراسيون حرارتي داخلي
يکي ازجديد ترين روش هاي مورد استفاده براي بهبود راندمان مصرف انرژي انتگراسيون حرارتي داخلي است.
در يک برج تقطير متعارف? دماي بخش جذب پايين تر از بخش دفع است و لذا نمي توان انرژي جوش آور را در چگالنده استفاده کرد. حال اگر بخش جذب داراي فشار قابل ملاحظه تري نسبت به بخش دفع باشد? آنگاه مي توان در بخش جذب به دماي بالاتري رسيده و انرژي جوش آور را صرفه جويي کرد.
رويکرد ديگري که مطرح است? بررسي بهبود راندمان برج با در نظر گرفتن انتگراسيون حرارتي داخلي برج و تأثير بار حرارتي جوش آور و خنک کننده جانبي بر روي راندمان برج به طور همزمان،که هنوز به درستي به آن پرداخته نشده است. با استفاده از يک روش مناسب و طراحي جديد مي توان به بهترين مقدار بار حرارتي و بهترين مکان براي مبدل جانبي دست يافت که به بهبود راندمان انرژي مصرفي برج کمک مي کند. در اين پايان نامه اين رويکرد جديد مورد بررسي قرار گرفته است]2[.
1-4- ضرورت انجام پژوهش
بهينه سازي از طريق شبيه سازي هاي سيستماتيک براي کل تنظيمات موجود? از لحاظ زماني و محاسبات احتياج به زمان طولاني داشته و بسيارسخت و مشکل است همچنين از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه نيست. روش متداول بهبود بازده انرژي در برج تقطير، استفاده از حداقل شرايط ترموديناميکي ستون ها براساس مدل برج هاي برگشت پذير مي باشد. در گذشته تعداد بيشماري از مجلات و نشريه ها با بررسي و انجام محاسبات لازم? استفاده از برج هاي برگشت پذير براي سيستم هاي دوتايي و اهميت آن را مورد مطالعه قرار داده اند ]3 و 4[.
تنظيمات حداقل شرايط ترموديناميکي برج براي سيستم هاي دوتايي در شکل ( 1-2 ) نمايش داده شده است. در اين نمودار شرايط نيروي محرکه صفر در هر سيني مورد نياز در يک برج با تعداد سيني هاي نامحدود در بي نهايت مبدل هاي جانبي در نظر گرفته شده است. در هر برج خط عملياتي و خط تعادل همزمان در امتداد کل برج بر هم منطبق خواهد شد. نمودار برج برگشت پذير، به وسيله ي حل هم زمان معادلات عملياتي و تعادلي به دست مي آيد.
در سيستم هاي چندگانه، صرفاً در جداسازي هاي محدود وضعيت يک برج برگشت پذير به دست خواهد آمد ]1[ .
[2] شکل 1-2 نمودار برج برگشت پذير براي سيستم دوتايي
در برج برگشت پذير چندگانه ترکيبات سبک به صورت کامل از محصول پايين برج و ترکيبات سنگين از محصول بالاي برج حذف گرديده و ترکيبات تقطير شده پايين برج اهميت بيشتري دارند.. يک روش پيشنهادي براي جداسازي مخلوط چند جزئي در برج و امکان ايجاد شرايط برگشت پذيري? تخمين شرايط حداقل جريان برگشتي است که نيازمند محاسبات گسترده در قسمت برگشت پذيري برج جهت تعيين نقطه پينچ مي باشد. اخيرا مطالعاتي در اين زمينه صورت گرفته است و يک الگوريتم کلي براي محاسبه حداقل سرعت جريان برگشتي در برج تقطير ساده و ساختار يک برج برگشت پذير پيشنهاد داده شده است.
نمودار دما- آنتالپي يک روش پيشنهادي براي برج هاي برگشت پذير است. اين نمودار براي تخمين بار جوش آور و خنک کننده جانبي در برج هاي واقعي به کار برده مي شود و هدف رسيدن به شرايط حداقل جريان برگشتي براي ستون هاي عملياتي متداول مي باشد. نمودار هاي برگشت پذير به عنوان هدف براي بار حرارتي مبدل در برج هاي واقعي به کار برده مي شود ] 6 و 7.[
در سيستم هاي دوجزئي محاسبه ي نمودار برگشت پذير آسان است و دو داده تعادلي با استفاده از نتايج حاصل از شبيه سازي به دست مي آيد. به کار بردن اين روش در سيستم هاي چندجزئي و ترسيم نمودار برج واقعي و برج برگشت پذير در ترکيبات مختلف بسيار گسترده و دشوار است بنابراين امکان دارد برج برگشت پذير به صورت برج برگشت ناپذير آدياباتيک شود و شناسايي آن پيچيده باشد ]6[ .
مشکل اصلي به کاربردن نمودار برج برگشت پذير? تعيين ناحيه اي براي جوش آور و خنک کننده جانبي در برج ايده آل (بدون در نظر گرفتن نيروي محرکه) مي باشد در صورتي که در برج واقعي نيروي محرکه? نامعين توصيف شده است.
روشهايي جهت توسعه طراحي برج تقطير به وسيله ي آناليز توزيع نيروي محرکه پيشنهاد داده شده است. يکي از اين رويکردها در برج تقطير آدياباتيک است جايي که گرما اضافه و يا به وسيلهي مبدل ها خارج مي شود. در اين برج انتخاب صحيح بار حرارتي و دماي انرژي هاي جانبي1 منجر به بهبود توزيع نيروي محرکه مي شود و به طور کلي بازده قانون دوم ترموديناميک بهتر مي شود ]8 و 9[.
رويکرد ديگر انتگراسيون حرارتي دروني برج تقطير است HIDIC))که در اين روش برج اصلي به دو برج جذب و دفع تقسيم مي شود که با استفاده از انرژي توليد شده در قسمت بالايي بخش دفع و تعدادي مبدل هاي حرارتي جانبي انتگراسيون حرارتي اتفاق مي افتد و گرماي موجود در بخش دفع گرماي مورد نياز قسمت جذب را تأمين مي کند]10 .[
در حاليکه هر دو برج قسمت انتگراسيون حرارتي و روش برج برگشت پذير آدياباتيک، مفاهيم بازده انرژي در فرآيند تقطير بهبود داده است اما اجراي آنها در عمل نياز به يک ستون نسبتاً پيچيده با بسياري از مبدل هاي جانبي دارد. با اين وجود موقعيت مناسب مبدل هاي حرارتي و مفاهيم انرژي براي تغييرات مورد نياز در ستون تقطير به درستي مورد بررسي قرار نگرفته است.
1-5- اهداف و نوآوري پژوهش
در اين پژوهش سعي شده است مکان مناسبي براي مبدل جانبي به منظور ايجاد بار حرارتي هدف و در نتيجه صرفه جويي در مصرف انرژي تعيين شود که براي رسيدن به اين هدف از حداقل اتلاف اکسرژي به عنوان نيروي محرکه جديد (جايگزيني براي نيرو محرکه هاي اختلاف دما و اختلاف پتانسيل در برج ) استفاده شده است.
1-6- ساختار پژوهش
كليه‌ي مطالعات و فعاليت‌هاي انجام شده در اين پايان‌نامه در قالب 6 فصل جداگانه به شرح زير ارائه شده است:
در فصل اول مقدمه اي از برج تقطير و اهميت اقتصادي آن ورويکردهايي که منجر به بهينه شدن انرژي در فرآيند برج تقطير ميشود? آمده است و در پايان اين فصل اهداف و نوآوري اين تحقيق بيان شده است. در فصل دوم توضيحاتي در خصوص مطالعاتي که محققين در زمينهي انتگراسيون داخلي برج تقطير و کاربرد اکسرژي در برج انجام داده‌اند، بيان شده است.
در فصل سوم مفهوم اکسرژي و روش محاسبه ي اکسرژي در برج تقطير و همچنين محاسبه ي اتلاف اکسرژي در هر يک از سيني هاي برج مورد مطالعه قرار گرفته است.
درفصل چهارم، انتگراسيون حرارتي داخلي برج و روش شبيه سازي آن مطرح شده است. در ادامه از اهميت رسم نمودار دما و تعيين نيروي محرکه برج تقطير گفته شده است. در انتها روش محاسبه ي نيروي محرکه ي جديدي براي برج با استفاده از اکسرژي و بيان الگوريتمي جهت محاسبهي حداقل اتلاف اکسرژي بيان شده است و همچنين کاربرد استفاده از حداقل اتلاف اکسرژي براي مشخص شدن بار حرارتي هدف و تعيين محل مناسب مبدل هاي جانبي بحث شده است.
در فصل پنجم برج تقطير واحد دي بوتانايزر پالايشگاه شيراز مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته است. در ابتداي فصل توضيح مختصري از اين واحد داده شده است . در ادامه انتگراسيون حرارتي داخلي اين واحد شبيه سازي شده و در پايان، طرح مطرح شده در فصل سوم روي اين برج بررسي کرده و نتايج و نمودارهاي آن بيان شده است.
در فصل آخر مقايسه‌اي بين رويکرد پيشنهادي در اين پايان نامه با روش هاي گذشته? صورت گرفته است و نتيجه استفاده از اين روش نيز بيان شده است.
فصل دوم
مروري بر تحقيق‌هاي انجام‌شده
2-1- مقدمه
عمليات تقطير، متداول‌ترين فرآيند براي جداسازي مواد محسوب مي‌شود و از طرف ديگر، پرخرج‌ترين واحد از نظر ميزان مصرف انرژي است. اين فرآيند سهم قابل ملاحظه‌اي از مصرف انرژي را در صنعت به خود اختصاص داده است؛ لذا امروزه با توجه به افزايش بي‌رويه مصرف حامل‌هاي انرژي و همين‌طور، قيمت‌هاي جهاني انرژي، تلاش براي يافتن راه‌کارهايي جهت صرفه‌جوئي انرژي در عمليات تقطير، اهميتي دوچندان يافته است.
براي بهبود راندمان مصرف انرژي دربرج‌هاي تقطير، ايده‌هاي زيادي موجود است. يکي از جديدترين آنها، انتگراسيون حرارتي داخلي با استفاده از مفاهيم اکسرژي است. اکسرژي مفهوم تازهاي نيست اما براي يک مدت طولاني، تقريباً فراموش شده بود، ولي در چند سال اخير به خاطر استفاده از منابع جديد انرژي و روشهاي کارايي انرژي، دوباره مورد توجه قرار گرفته است. . ارزيابي بخش مفيد انرژي، بخشي که ميتواند کار مکانيکي انجام دهد، در واقع ارزيابي کيفيت انرژي است و اين موضوع از سالها پيش مورد توجه دانشمندان بوده است.
در اين فصل به معرفي فعاليت هايي که در زمينه اکسرژي و انتگراسيون حرارتي داخلي صورت گرفته? اشاره شده است.
2-2- تحقيق‌هاي انجام شده پيرامون اکسرژي
در اين قسمت به فعاليت هايي که در زمينه اكسرژي انجام گرفته، اشاره شده است.
اين ايده براي اولين بار در سال 1974 توسط فونيو ارائه شد و پس از آن روش هاي مختلفي جهت بهينه کردن بازده قانون دوم ترموديناميک از جمله مينيمم کردن توليد انتروپي و اتلاف اکسرژي براي فرايند تقطير پيشنهاد گرديد. در جهت دستيابي به اين اهداف ، مطالعات صورت گرفته است . توليد انتروپي در بخش هاي مساوي توسط توندور و کوالن در سال 1987، تقسيم مساوي نيروهاي برج (EOF) توسط راتکج و همکارانش در سال 1995، فواصل مساوي ترموديناميکي (ETD) توسط سالومون و همکارانش در سال 1998 نمونه هايي از اين گونه مطالعات است [3و4] .
لينگهف و دهول برج تقطير را بر اساس پروفايل اتلاف انر‍‍ژي براي هر مرحله تعادل ترموديناميكي در سال 1993 تحليل و بررسي كردند [6]. جهت بهينه سازي برج تقطير از روش هايي نظير پيش گرم كردن يا خنك كردن خوراك ورودي (لينگهف و دهول در سال 1993)، تقسيم كردن ميزان خوراك ورودي به برج و وارد كردن آن در دو مرحله يا بيشتر (وانکات و کسلر در سال 1993، اگراوال و هرون در سال 1997 وبمديوپادهي در سال 2002) ، محل ورود خوراك، ميزان و تعيين محل جريان برگشتي به برج، استفاده از چگالنده و جوش آور جانبي اضافي استفاده مي شود.در اين راستا، از نمودار اتلاف اكسرژي جهت مشخص كردن اهداف بهينه سازي در آناليز و طراحي فرآيندهاي شيميايي از جمله فرآيند تقطير ، بهره مي گيرند و در اكثر مواقع اطلاعات حاصل از اين آناليز، جهت ارائه راهكارهاي بالقوه با در نظر گرفتن معيارهاي از پيش تعيين شده ، به كار برده مي شود. استفاده از تحليل هاي گرافيكي ساده مانند فرآيند انتقال حرارت، انتقال حرارت و تقطير بصورت موازي و توزيع حرارت در برج تقطير در فهم هر چه بهتر اهداف تقطير ياري رسان است [6و11].
ليگف و همكارانش در سال 1996، برج تقطير را به عنوان واحد مبدل اكسرژي معرفي كردند كه اكسرژي حرارتي را به اكسرژي شيميايي تبديل مي كند و بر اساس اتلاف زياد اكسرژي در عمليات تقطير نوع جديدي از برج تقطير را با نام دياباتيك2 ارائه دادند كه در آن جوش آور و چگالنده با دو مبدل حرارتي پيوسته در خود برج تقطير جايگزين شدند. اين طراحي بر اساس مطالعات صورت گرفته، توليد انرژي در برج را به حداقل رسانده و در نتيجه اثرات اكسرژي را تا ماكزيمم مقدار خود افزايش مي دهد. از ديدگاه انرژي، برج دياباتيک كاهش عمده اي را در مصرف سيال واسطه اي كه جهت گرم كردن يا سردكردن مورد استفاده قرار مي گيرد نشان مي دهد و به تبع آن از نظر اقتصادي كاهش هزينه سرمايه گذاري را موجب مي شود[12].
از نقطه نظر اقتصادي و مهندسي، مطالعاتي كه در آنها ستونهاي تقطير با تعداد مراحل حرارتي فعال- استفاده ازجوش آور دروني و خنک کننده دروني 3 با ستونهاي تقطير مرسوم مقايسه مي شوند، در پالايشگاه ها از اهميت بالايي برخوردار است. مقاله اي در اين رابطه توسط سيراجوس و همکارانش در سال 2000 ارائه شده است.
مطالعات متعددي بر روي بهينه كردن برج هاي دياباتيک صورت گرفته است كه از آن جمله مي توان به پژوهشگران زير اشاره كرد:
رسجورد در سال 2005 ، ريورو در سال 2001، سايار و همكارانش در سال 1991، اسکالر و همكارانش در سال 2001،گيلين کويجر و ريکاردو ريورو در سال 2002 [8و9و13] . ريورو و دي کوايجر نرخ توليد انتروپي را بصورت تجربي در هر دو شرايط برج آدياباتيك و دياباتيك آب – اتانول بر اساس تئوري برگشت ناپذيري ترموديناميكي در سال 2003 به مرحله اجرا درآورند [14].
مطالعه علمي در سال 2005 هم توسط زيمپ و همكارانش انجام گرفت. نمودار اتلاف اكسرژي ميزان برگشت ناپذيري هر مرحله تعادلي را مشخص مي كند. با استفاده از نمودار اتلاف اكسرژي و نمودار انتالپي- دما براي ارزيابي بازده ترموديناميكي برج تقطير ، زيمپ توانست راه حل هايي جهت اصلاح برج تقطير ارائه دهد [15].
دوياني و همكارانش از آناليز اكسرژي براي تحليل عملكرد برج تقطير در سال 2007 استفاده كردند و نتايج اين تحقيق حاكي از اين بود كه اكسرژي خروجي نسبتاً پايين و شار برگشت ناپذيري توليدي در كل برج بصورت يكنواخت توزيع نمي شود و تنها در چگالنده،جوش آور و سيني ورود خوراك به برج از درجه اهميت بالاتري برخوردار است [16].
هويانگ و همكارانش در سال 2008 ، از فشار بخار بالاي تقطير جهت پيش گرم كردن خوراك ورودي استفاده كردند و يك برج تقطير حرارتي پيوسته4 را ارائه دادند كه بازده ترموديناميكي برج تقطير را بهبود مي بخشد [17].
قرباني و همكارانش در سال 2012 آناليز اكسرژي و ارزيابي اقتصادي مرتبط با آن را در فرآيند جداسازي گاز مطالعه كردند. در اين تحقيق بازده اكسرژي برج هاي دي-بوتانايز، دي-پروپانايز و دي- اتانايزر محاسبه شد و نتيجه حاكي از آن است كه بازده اكسرژي اين برجها بسيار پايين مي باشد و اين گونه برجهاي تقطير با اتلاف اکسرژي 64% بالاترين ميزان اتلاف را در كل تجهيزات پالايشگاهي گاز و نفت خام دارا ميباشند. پس از آنها مبدلهاي حرارتي با 15% اتلاف و كمپرسورها با 13% اتلاف به ترتيب در رده دوم و سوم از نظر اتلاف اكسرژي قرار دارند. اين تحقيق كه بر اساس مطالعات اقتصادي انجام گرفته است، موقعيت هايي بالقوه را براي اصلاح فرآيند پيشنهاد مي دهد[6].
کارلوس رودريکوايس و آنتنيو لاکردا آناليز اكسرژي را براي صنايع شيميايي، پتروشيمي و نفت انجام دادند و براساس ارزيابي هاي انجام گرفته و تعيين معيارهاي بهينه سازي ، پيشنهاداتي را در جهت اصلاح فرآيند ارائه دادند. در اين راستا برج تقطير و سيستم دياباتيك ايده آل مورد مطالعه قرار گرفته است. اتلاف اكسرژي و كار با استفاده از مفاهيم ساده تقطير مانند بهينه كردن محل خوراك ورودي محاسبه شد و بر اساس تابع ترمو- اقتصادي و بازدهي فرآيند، راه حل هايي براي بهبود عملكرد برج هاي تقطير رايج در صنايع پتروشيميايي ارائه شده است. نتايج اين تحقيق نشان داد كه تغييرات هر چند ساده در نقاط ورودي خوراك و انرژي در طول ستون تقطير افزايش 15% بازده را با مصرف انرژي ثابت به ارمغان خواهد آورد.
از نقطه نظر قانون دوم ترموديناميک، برج هاي تقطير مرسوم کاملاً ضعيف عمل مي کنند. يکي از راه هاي افزايش بازدهي در اين گونه برج ها استفاده از مبدل هاي حرارتي جهت توزيع گرماي اضافه شده و گرماي حذف شده در طول ستون تقطير مي باشد.
2-3-تحقيق‌هاي انجام شده پيرامون انتگراسيون داخلي برج تقطير
در اين قسمت به فعاليت هايي که در انتگراسيون حرارتي انجام گرفته، اشاره شده است.
اگوير و همکارانش در سال 1997? در مورد بهينه ي ترموديناميکي برج تقطير با استفاده از خنک کننده ها و گرم کننده هاي داخلي مطالعه کردند. در اين تحقيق در مورد اين که چگونه مي توان انرژي مصرفي در برج را با استفاده از تعيين مکان مناسبي براي خنک کننده و جوش آور جانبي به حداقل رساند? بحث و تحقيق شده است]11[.
باوساو همکارانش در سال 1998 روش اصلاحي در محاسبات حداقل انرژي براي برج تقطير را پيشنهاد دادند. روشهاي دسترسي آسان براي مخلوط غير ايده آل چند جزئي در برج تقطير ساده را مطرح کردند ]18[.
پانديوپادهايي و همکارانش در سال 1998 مطالعاتي بر روي نمودار دما و آنتالپي براي هدف قرار دادن انرژي در برج تقطير انجام داده اند .هدف از اين تحقيق رسيدن به حداقل جريان برگشتي براي برج هاي عملياتي متداول است]7[.
جاني و بيک پيترسون نيروي محرکه اي بر اساس اختلاف ترکيبات در برج را پيشنهاد دادند. که اين روش نياز به انتخاب ترکيبات کليدي در برج دارد و به عنوان تنها داده هاي تعادلي لازم و ضروري هستند اين مقاله در سال 2000 ارائه شده است ]19[.
ناکايوا و همکارانش در سال 2003 رويکرد جديدي را براي محاسبات داخلي در برج تقطير را مطرح کردند. روش انتگراسيون حرارتي دروني برج تقطير HIDiC) ) ? که اين روش مفاهيم بازده انرژي را در فرآيند تقطير بهبود داده است. همچنين گادالا و همکارانش در سال 2005 مقاله اي را با عنوان آناليز پينچ بر اساس تجزيه و تحليل رويکر طراحي انتگراسيون داخلي برج تقطير منتشر کردند . از نقطه نظر اقتصادي در سال 2006 ايواکبي و همکارانش پيشنهاداتي براي اين روش مطرح کردند و مقاله اي با عنوان صرفه جويي انرژي در جداسازي سيستم چند جزئي با استفاده از انتگراسيون حرارتي داخلي در ستون تقطير HIDiC) ) منتشر کردند]10و21و20[.
دي کوايجر و همکارانش در سال 2004 ? توزيع انتقال حرارت به وسيله آناليز نيروي محرکه و بهينه کردن انرژي در برج تقطير آدياباتيک را مورد مطالعه قرار دادند]22[.
دانيلو و همکارانش در سال 2007 و همچنين پتليوک و همکارانش در سال 2008 يک الگوريتم کلي براي محاسبه ي حداقل سرعت جريان برگشتي در برج تقطير ساده و ساختار يک برج برگشت پذير را پيشنهاد دادند ]23و24[.
مجتبي رسته در سال 1382 روش شبيه سازي برج هاي مزدوج را براي بهينه سازي برج متانول را مورد مطالعه قرار داده است . انتگراسيون حرارتي داخلي برج متانول را براي تلخيص متانول را در اين پايان نامه تشريح کرده است]1[.
2- 4- تحقيق‌هاي انجام شده پيرامون انتگراسيون حرارتي داخلي با استفاده از روش اکسرژي
در اين قسمت به فعاليت هايي كه در زمينه انتگراسيون حرارتي با به کار بردن رويکرد اکسرژي انجام گرفته، اشاره شده است.
محمد صابر در سال 1388 به بررسي بهبود کيفيت و راندمان مصرف انرژي در انتگراسيون حرارتي برج هاي تقطير با استفاده از رويکرد اکسرژي پرداخته است. در اين تحقيق شبيه سازي برج هاي مزدوج را به عنوان انتگراسيون حرارتي داخلي برج و همچنين محاسبه ي اکسرژي و اتلاف اکسرژي را براي بهينه شدن انرژي به صورت کامل تشريح داده شده است]2[.
رابين اسميت و همکارانش در سال 2011 روش جديدي را براي بهينه سازي برج تقطير پيشنهاد داده اند. در اين تحقيق به بهينه سازي ترموديناميکي در برج تقطير پرداخته شده است. به معرفي نيروي محرکه ي جديدي با استفاده از اتلاف اکسرژي و به کار بردن مبدل هاي جانبي در برج پرداخته است که منجر به بهبود کيفيت و راندمان مصرف انرژي مي شود] 26[.
2-5- نتيجه‌گيري
در مطالعاتي که پيرامون انتگراسيون حرارتي داخلي برج تقطير صورت گرفته است? تعداد حالات مختلفي را براي بررسي وضعيت بهينه سازي انرژي برج پيشنهاد داده شده است اما هنوز به بررسي بهبود راندمان برج با در نظر گرفتن انتگراسيون حرارتي داخلي برج و تأثير بار حرارتي جوش آور و خنک کننده جانبي بر روي راندمان برج به طور همزمان، به آن پرداخته نشده است. با استفاده از يک روش مناسب و طراحي جديد مي توان به بهترين مقدار بار حرارتي و بهترين مکان براي مبدل جانبي دست يافت که به بهبود راندمان انرژي مصرفي برج کمک مي کند. براي اين منظور ابتدا لازم است آگاهي کافي از مفاهيم اکسرژي و انتگراسيون حرارتي داخلي برج تقطير وجود داشته باشد. در دو فصل آينده مفاهيم اکسرژي و انتگراسيون حرارتي داخلي برج تقطير توضيح داده خواهند شد

فصل سوم

مفاهيم اكسرژي
3-1- مقدمه
اکسرژي مفهوم تازهاي نيست اما براي يک مدت طولاني، تقريباً فراموش شده بود، ولي در چند سال اخير به خاطر استفاده از منابع جديد انرژي و روشهاي کارايي انرژي، دوباره مورد توجه قرار گرفته است.
اکسرژي نشاندهنده پتانسيل واقعي يک سيستم براي انجام کار مطلوب است، بنابراين، آناليز برمبناي اکسرژي هنگامي که گونه هاي مختلف انرژي در مقايسه با هم هستند? مهم مي باشد. آناليز اکسرژي مي تواند در شناسايي عوامل? موقعيتها و مقدار ناکارآمدي هاي سيستم مفيد باشد. وقتي سيستمي از حالت ايده آل انحراف پيدا مي کند تلفات در آن سيستم رخ مي دهد.
شناسايي مقدار تلفات و علت آن ها بسيار مهم بوده و در افزايش راندمان اکسرژي موثر است. تلفات اكسرژي مقدار كمي انحراف از حالت ايده ال را نشان مي‌دهد كه ناشي از اتلاف اكسرژي منتشر شده و يا در اثر برگشت‌ ناپذيري داخلي در فرايند مي‌باشند.
دراين فصل مفهوم اکسرژي، راندمان اكسرژي و تلفات اكسرژي بيان شده و انواع اکسرژي جنبشي، پتانسيل، الکتريکي و… معرفي شده اند.
3-2- مفهوم اکسرژي
جهت درك بهتر مفهوم اکسرژي ، بيان تفاوت ماده و انرژي ضروري است. انرژي و ماده فقط مي توانند به اشکال مختلف تبديل شوند و نميتوانند ايجاد و يا مصرف شوند و اين يک اصل كلي در طبيعت است.
نيرو محرکه جريان انرژي و ماده در سيستم، کيفيت است. کيفيت انرژي و ماده به طور مداوم در جريان عبور به درون سيستم رو به هدر رفتن است. اين وضعيت در صورتي است که جريان يک مسير مشخص داشته باشد و به زمان وابسته باشد. هنگامي که انرژي و ماده در داخل يک سيستم جريان دارند، بخش بسيار کوچک آن در سيستم واقعي ذخيره ميشود و از طرفي يک تعادل بين ماده و انرژي وجود دارد.
انرژي و ماده تنها به عنوان حامل کيفيت عمل مي کنند و اين کيفيت است که در طول تبديل ماده و انرژي تحليل ميرود. با توجه به اين مطلب، تنها کيفيت است که ميتواند توليد يا مصرف شود.
انرژي و ماده تمايل به توزيع در بيش از يک مکان را دارند، بنابراين رفته رفته نيرومحركه در سيستم از بين ميرود. يک مثال براي اين موضوع ارائه ميشود. جريان گرم و سرد هرکدام کيفيتي دارند، نيرو محركه اين دو جريان به وسيله اختلاف دما بين آنها مشخص مي‌شود. حال اگر اين دوجريان با هم مخلوط شوند يک جريان ولرم ايجاد ميشود. جريان ولرم فاقد نيرو محركه است و بنابراين کيفيت پايينتري از جريان اصلي دارد. اين کميت به عنوان افزايش انتروپي براي کل سيستم بيان شده است. در جريان يک ماده در سيستم به جاي اين که بيان شود کيفيت کاهش پيدا کرده ميتوان گفت عدم کيفيت افزايش يافته، يا انتروپي افزايش يافته است. مفهوم انتروپي اندازهگيري عدم کيفيت است. با توجه به اين مفهوم، انتروپي يک معني منفي ميدهد. تعريفي كه در مقابل انتروپي ارائه شده و از اندازهگيري مستقيم کيفيت به دست مي آيد، نژنتروپي5 است. وقتي که کيفيت مصرف شده يا تلف شده، در واقع نژنتروپي مصرف شده است ]32[.
حال اين سؤال مطرح مي شود که چگونه ميتوان کيفيت يک سيستم يا جريان انرژي و ماده را اندازه گرفت. ارزيابي بخش مفيد انرژي، بخشي که ميتواند کار مکانيکي انجام دهد، در واقع ارزيابي کيفيت انرژي است و اين موضوع از سالها پيش مورد توجه دانشمندان بوده است.
رانت در سال 1953 پيشنهاد کرد که ترم اکسرژي بايد به معني ظرفيت کار فني استفاده شود. تعريف کامل توسط بايهر ارائه شد: اکسرژي بخشي از انرژي است که قابل تبديل به شکل هاي ديگر انرژي است. اکسرژي يک سيستم در يک محيط خاص ميزان حداکثر کار مکانيکي است که مي تواند از سيستم در اين محيط خارج شود. کار مکانيکي که مورد توجه قرار گرفته تنها به عنوان نمونهاي از شکل انرژي کاملاً منظم شده ميباشد يعني انتروپي آن برابر صفر است. اين تنها بخش مفيد انرژي است که ميتواند به تمامي اشکال ديگر انرژي تبديل شود. تعريف بايهر بديهي و بسيار کلي است و نه تنها انرژي بلکه ماده را نيز شامل ميشود ]32[.
ايوانس نشان داد که اکسرژي در خود مفاهيم ترموديناميکي ديگري نيز جاي داده است. پتانسيلهاي ترموديناميکي شبيه به اکسرژي هستند اما دامنه محدودتري دارند. انرژي آزاد گيبس، انرژي آزاد هلمهولتز و انتالپي همه موارد خاصي از اکسرژي هستند. به بيان ساده تر مي توان اكسرژي را اينگونه نيز تعريف كرد:]32[
اکسرژي ماکزيمم کار در دسترس است، زماني که فرم هاي مختلف انرژي بصورت برگشت پذير به يک سيستم انتقال مي يابد و در تعادل ترموديناميکي با محيط اطراف مي باشند و توانايي انجام کار را ندارند. همچنين مي توان اکسرژي را فاصله سيستم از تعادل جهاني تعريف کرد. از آنجا که اکسرژي مصرف مي شود، شرايط متغيرهاي دما، فشار و درصد ترکيب سيستـم به متغيرهاي مشابه در محيط نـزديک مي شوند. بنابراين، شرايط مرجع شرايط مرده ناميده مي شود. اکسرژي کلي جريانهاي چند جزئي از حاصل جمع سه شرايط زير محاسبه مي شود:]25[
* تغيير اکسرژي حاصل از اختلاط
* اکسرژي شيميايي
* اکسرژي فيزيکي
اكسرژي حاصل از اختلاط، از تركيب جريان هاي هم دما و هم فشار در شرايط فرآيندي واقعي ناشي مي شود.
اكسرژي شيميايي تفاوت پتانسيل شيميايي مابين اجزاء فرآيند و پارامترهاي مرجع، غلظت، دما و فشار در محيط اطراف آن ها ميباشد.
اكسرژي فيزيكي بيشترين ميزان كار محوري قابل حصول (مانند انرژي الكتريكي) مي باشد كه در آن جريان از شرايط فرآيندي (T,P) با استفاده انتقال حرارت برگشت پذير به تعادل با دماي محيط مي رسد.
استفاده زياد از منابع انرژي و ماده براساس بهرهبرداري معدني با تکنولوژي امروز، نميتواند با سالم ماندن محيط زيست همراه باشد. اين وضعيت را ميتوان تنها با تغيير اهداف تغيير داد. مفاهيم اساسي و روشهاي علمي براي توصيف واقعيت بايد نقش مهمي در روند اين تغييرات بازي کنند. بنابراين با در نظر گرفتن اهميت انرژي و بهينه سازي آن در عصر امروز، توجه به مفهوم اکسرژي مهم و ضروري است. مفهوم اکسرژي نه تنها به خاطر مطالعه راندمان و کارايي سيستمها بلکه به خاطر محاسبات و تحليلهاي اقتصادي بسيار مفيد است. استفاده از محتـواي اکسرژي به عنوان پايهاي براي حسابرسي هزينهها و مديريت براي قيمتگذاري محصـولات و ارزيابي سود آنها مهـم است. به اين ترتيب اکسرژي تنها اساس عقلاني براي ارزيابي منابع و سوخت ها، سيستم ها و بازدهي آنها مي‌باشد]32[
3-3- مقايسه انرژي و اکسرژي
1- انرژي فقط به خصوصيات ماده يا جريان وابسته است و به خصوصيات محيط وابسته نيست اما اکسرژي هم به خصوصيات ماده و انرژي و هم به محيط اطراف وابسته است.
2- وقتي سيستم در تعادل با محيط است، انرژي ميتواند مقادير مختلفي داشته باشد اما اکسرژي در حالت ساکن يا وقتي که سيستم در حالت تعادل کامل با محيط است، برابر صفر ميباشد.
3- انرژي در همهي فرآيندها طبق قانون اول ترموديناميک، حفاظت شده و باقي ميماند اما اکسرژي در فرآيندهاي برگشتپذير حفظ شده ولي براي فرآيندهاي



قیمت: تومان


پاسخ دهید