هدف گذاری مصرف انرژی و سطح در شبکه مبدل حرارتی واحد تقطیر اتمسفریک پالایشگاه نفت کرمانشاه

کامپوزیت جایگزینی مناسب برای لوله های فلزی و بتنی
تیر ۳, ۱۳۹۷
پیگ هوشمند فومی به منظور بازرسی ارزان قیمت، آزمون میدانی و پردازش داده ها
تیر ۲۰, ۱۳۹۷

هدف گذاری مصرف انرژی و سطح در شبکه مبدل حرارتی واحد تقطیر اتمسفریک پالایشگاه نفت کرمانشاه

مهدی فلسفی- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی

 مژگان عباسی – استادیار دانشکده مهندسی شیمی

هدفگذاری صحیح و استفاده درست از مبدلها منجر به کاهش مصرف انرژی و صرفهجویی اقتصادی میشود. یکی از روشهای هدفگذاری انرژی در واحدهای صنعتی استفاده از فناوری پینچ است. یکپارچهسازی حرارتی صحیح شبکهی مبدل حرارتی واحد تقطیر اتمسفریک نفت خام کرمانشاه و استفاده از حداکثر بازیابی حرارتی بین چاله ها و منابع حرارتی موجود در واحد، موضوع اصلی این مقاله است. مقایسهی بار حرارتی کوره موجود با مقدار سرویس جانبی گرم بدست آمده از هدفگذاری انرژی و آبشار حرارتی و مقایسه ی سطح انتقال حرارت موجود در واحد با سطح بدست آمده از هدفگذاری سطح، انجام شد. با پیدا کرد و اصلاح مبدل هایی که حرارت را از مرز پینچ عبور می دهند می توان صرفه جویی مصرف انرژی را در این واحد انجام داد. چنانچه طراحی صحیحی بر مبنای اصول پینچ انجام گرفته بود، مصرف انرژی  mW25/9 (به جایmW  ۰۶/۱۴) بود. یعنی با ۳۴% کمتر از مقدار انرژی مصرفی کنونی، واحد قابل راهبری بوده است. همچنین سطح موردنیاز m2 1267 (به جای m2 1444) است که ۱۲% کمتر از میزان موجود در شبکه است.

 

کلمات کلیدی: هدف‌گذاری انرژی- هدف‌گذاری سطح- مبدل های حرارتی- فناوری پینچ – صرفه جویی مصرف

کارهای انجام شده بر روی واحد تقطیر اتمسفریک نفت خام و اصلاح مبدل های حرارتی عمدتا به دو منظور افزایش ظرفیت و کاهش مصرف انرژی انجام می شود. در این قسمت خلاصه ای از کارهای انجام شده در هر دو زمینه  ارائه می شود.

پروژه های طراحی اصلاحی در پی روش هایی برای افزایش استفاده ی بهینه از تجهیزات موجود و به سبب آن کاهش هزینه ها و صرفه جویی اقتصادی است. همچنین این طراحی ها برای رسیدن به اهداف زیر انجام می شوند:

کاهش میزان هزینه های عملیاتی و کاهش میزان مصرف انرژی

افزایش میزان خوراک ورودی به فرآیند

تولید محصولی با ارزش بالاتر

ورود برش های جدیدی از خوراک

به کارگیری فناوری های جدید در واحد

طراحی اصلاحی شبکه های مبدل حرارتی به طور کلی با دو هدف جداگانه انجام می پذیرد:

اصلاح شبکه موجود به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی

اصلاح شبکه ی موجود به منظور رفع گلوگاه

اهداف اصلی روش های علمی و سیستماتیک ارائه شده برای طراحی اصلاحی شبکه ی مبدل های حرارتی عبارت بودند از:

کاهش مصرف انرژی موجود و یا افزایش ظرفیت واحد

شناسایی اصلاحات مورد نیاز جهت بهینه نمودن شبکه بر اساس شرایط اقتصادی موجود

حداکثر استفاده از مبدل های موجود در شبکه

در تحقیقی توسط رضوانه خوش چهره  [۱]که به طراحی اصلاحی شبکه های مبدل حرارتی به منظور رفع گلوگاه های ناشی از افزایش ظرفیت پرداخته شد نتایج خوبی بدست آمد. هدف اصلی در این تحقیق افزایش خوراک ورودی به فرآیند بوده و گلوگاه هایی که در اثر این افزایش ظرفیت به وجود می آیند، به دو دسته گلوگاه های حرارتی و گلوگاه های هیدرولیکی تقسیم می شوند. در این پایان نامه برای بار نخست طراحی اصلاحی یکی از واحد های پالایشگاه گازی پارس جنوبی مورد بررسی واقع شد.

در سال ۲۰۱۱ اسمیت، جابسون و چن [۲] روش طراحی پینچ شبکه را به گونه ای اصلاح نمودند که در آن خواص حرارتی جریان ها وابسته به دما هستند. در همین سال پنجه شاهی، فلاحی، میریحیایی و طاهونی مقاله ی خود را در زمینه ی بکارگیری خواص فیزیکی متغیر در مراحل هدف گذاری و طراحی شبکه ی مبدل های حرارتی ارائه نمودند.

طراحی اصلاحی شبکه مبدل حرارتی براساس افت فشارهای بهینه کاربرد بسیار زیادی در طراحی اصلاحی مبدل ها پس از اعمال افزایش ظرفیت دارد. رفع نقاط گلوگاهی با استفاده از افت فشارهای بهینه سطوح انتقال حرارت مورد نیاز را با دقت خوبی تخمین می زند. به دلیل مشکلات ناشی از بکارگیری ضرایب انتقال حرارت ثابت، جدیدترین روش برای هدف گذاری و سنتز شبکه، روش بکارگیری افت فشار به عنوان یک متغیر فیزیکی قابل حس و ثابت برای شبکه های مبدل حرارتی است. فرض ثابت نبودن افت فشار مجاز جریان های یک شبکه، توانایی درنظرگرفتن امکان تغییر افت فشارهای مجاز به جهت احتمال یک طراحی بهتر را نداشته و سبب مشکلات زیر می شود:

۱- سرمایه گذاری لازم برای سطوح جدید می‌تواند بهینه نباشد.

۲- هزینه ی عملیاتی شبکه می تواند بهینه نباشد.

۳- بهینه نبودن نتایج هدف گذاری، شروع غلطی برای طراحی بود که شبکه ی نامناسبی را نتیجه خواهدداد.

اهداف مختلفی از یکپارچه سازی حرارتی بیان می شود، اعم از: صرفه جویی انرژی، کاهش آلودگی محیطی، افزایش ظرفیت، استفاده ی پربازده از مواد خام و افزایش سود.

طراحی شبکه ی مبدل های حرارتی برای بازیافت حرارت در فرایند شامل چندین مرحله است. اولین مرحله که هدف گذاری نامیده می شود شامل تعیین حد بازیافت انرژی است. این مرحله با استفاده از ابزار تقابل انرژی- سرمایه بر طبق شرایط خاص اقتصادی صورت می گیرد. دومین مرحله ی طراحی شبکه شامل سنتز شبکه است، در این مرحله با استفاده از اطلاعات مرحله ی هدف گذاری و نیز با استفاده از ابزارها و قوانین خاص (تکنولوژی پینچ)، ساختار شبکه ی موردنظر به نحوی ایجاد می شود که میزان بازیافت حرارتی بدست آمده در مرحله ی هدف گذاری را تامین کند. در نهایت در مرحله طراحی تفصیلی، مشخصات کامل تمامی مبدل های حرارتی نصب شده در شبکه، بدست می آید. در حال حاضر ثابت شده که درنظر نگرفتن افت فشار در طی این مراحل باعث بروز خطاهای بزرگی در مراحل هدف گذاری و نیز سنتز شبکه می شود.

در مرحله ی هدف گذاری که اولین مرحله در طراحی شبکه مبدل حرارتی با استفاده از تکنولوژی پینچ است، یک کشمکش هماهنگ مابین انرژی مصرفی شبکه و مقدار سرمایه مورد نیاز شبکه وجود دارد که از روی این تقابل، مقدار بهینه انرژی و سطح شبکه بدست می آید؛ که برای این مقادیر مقدار هزینه ی کل سالیانه حداقل می باشد. نمونه ای از این تقابل بین انرژی و سرمایه در شکل زیر دیده می شود:

 

شکل۱- تقابل انرژی و سرمایه

 

در سال ۲۰۱۲ رابین اسمیت، بهبود بازیابی انرژی با اصلاح شبکه مبدل حرارتی را به طور گسترده ای در جوامع علمی و صنعتی مورد مطالعه قرار داد. این مقاله یک روش بهینه سازی جدیدی را در رابطه با جزئیات اصلی هندسه مبدل برای مشکلات اصلاح سازی ارائه داده است. جزئیات شامل تعداد گذرهای سمت لوله و پوسته، مقدار انتقال حرارت ، اختلاف دمای میانگین لگاریتمی (LMTD) و ضریب تصحیح (FT) است که به طور سیستماتیک تحت تابع هدف و قیود توپولوژیک در سیستم هستند.[۳]

 

شرح فرآیند:

واحد تقطیر اتمسفریک نفت‌خام کرمانشاه حاوی یک سری مبدل‌های حرارتی پشت‌سرهم جهت گرم‌کردن خوراک سرد نفت‌خام است. این خوراک پس از گرم شدن در این مبدل‌ها وارد کوره واحد شده و پس از افزایش دما وارد برج تقطیر اتمسفریک می‌شود و پس از آن برج تقطیر بر اساس اختلاف فراریت نسبی اجزا برش های نفتی مختلف را از هم جدا می کند از آنجایی که قسمت عمده مصرف انرژی در واحد مذکور در کوره انجام می‌شود لذا، هرچه بیشتر گرم‌کردن خوراک ورودی پیش از ورود به کوره، منجر به کاهش انرژی می‌شود.

 

روش کار:

یکی از روش‌های هدف‌گذاری انرژی در واحدهای صنعتی استفاده از فناوری پینچ است. یکپارچه‌سازی حرارتی صحیح شبکه‌ی مبدل حرارتی واحد و استفاده از حداکثر بازیابی حرارتی بین چاله ها و منابع حرارتی موجود در واحد، موضوع اصلی است. هدف‌گذاری انرژی با استفاده از منحنی‌های مرکب و استفاده از جریان‌های سرد و گرم فرایند قادر است که سرویس‌های جانبی سرد و گرم را کاهش دهد. با پیدا کردن و اصلاح مبدل هایی که حرارت را از مرز پینچ عبور می دهند می توان صرفه جویی مصرف انرژی را در این واحد انجام داد.

شکل ۲، فرآیند جریانی واحد را نشان میدهد. با استخراج جریان ها و خواص فیزیکی، آنتالپی و دبی تمام جریان ها، حساب می شود. سپس بار حرارتی تمام مبدل های حرارتی استفاده شده در واحد محاسبه می شود. با یافتن اختلاف دمای مینیمم در هر مبدل و نقطه ی پینچ، مرز پینچ مشخص می شود. باید دقت شود که انتقال حرارت از مرز پینچ عبور نکند چرا که این مقدار انرژی هدر رفته محسوب می شود.

گرید پینچ دار، تمامی مبدل های استفاده شده در فرآیند را با توجه به نقطه پینچ نشان می دهد. منحنی های مرکب هم جریان های گرم و سرد و هم پوشانی جریان ها و سرویس های جانبی سرد و گرم مورد نیاز فرآیند را در کنار هم نشان می دهد.

 

هدف‌گذاری سطح نیز به ‌‌دنبال یافتن حداقل سطح مورد‌ نیاز برای انجام این فرآیند است. از آنجا که استفاده از روابط سطح انتقال حرارت در شبکه مبدل ها بسیار پیچیده است،  استفاده از نرم افزار برای یافتن سطح انتقال حرارت لازم بهینه پس از اعمال پینج بسیار مناسب است.

استفاده از پینچ هم برای مصرف انرژی و هم برای سطح انتقال حرارت بسیار مفید است از آن جهت که تا آنجایی که ممکن است با استفاده از جریان های داخل فرآیند سرمایش و گرمایش مورد نیاز را تامین می کند و به واسطه همین بهینه استفاده کردن از انرژی با استفاده از پینچ سطح انتقال حرارت کمتر می شود.

جدول۱- خواص فیزیکی برای جریان ها در شرایط مختلف

با یافتن اختلاف دمای سمت راست و چپ برای هر مبدل کمترین اختلاف دما را به عنوانT∆min در نظر می‌گیریم که این اختلاف دما در مبدل ۱ یافت شد.

با محاسبات، گرمای مقدار گرمای هدف گذاری شده کمتر از مقدار گرمای فعلی موجود در پالایشگاه است که این مسئله صرفه جویی در مصرف انرژی مصرفی در کوره را نشان می دهد.

Qtargeting < Qexisiting = saving of energy

 

با توجه به اینکه با توجه به قوانین پینچ انتقال حرارت نباید از مرز پینچ عبور کند در گرید رسم شده  مبدل E6  از این قاعده تخطی می کند که باید اصلاح شود. در واقع برای بهبود مصرف انرژی در این فرآیند مبدل E6 باید قبل از نقطه ی پینچ باشد. یعنی دمای خروجی از این مبدل پایین تر ازo 4/182= Tpinch باشد. در کل می توان گفت مقدار حرارتی که برخی مبدل ها از مرز پینچ عبور می دهند برابر با اختلاف مقدار انرژی موجود و انرژی هدف گذاری شده است.

Qtargeting — Qexisiting =amount of energy passed through the pinch

در شکل زیر گرید پینچ دار رسم شده است.

شکل ۵ – ساختمان منحنی مرکب کل

 

هدف گذاری سطح:

با درنظر گرفتن ضریب انتقال حرارت برای تمامی ۶ جریان برابر

و برای بخار و آب سرد  ۱۰۰۰۰، با استفاده از نرم افزار Hint سطح انتقال حرارت هدف گذاری شده حدود۱۲۶۷m2 بدست آمد که در مقایسه با سطح موجود یعنیm2  ۱۴۴۴ در حدود ۱۲% کمتر از سطح فعلی موجود است.

saving of area   Atargeting <   Aexisiting

 

نتیجه گیری:

کارهای انجام شده جهت اصلاح واحدهای حرارتی عمدتا با دوهدف افزایش ظرفیت و کاهش انرژی مصرفی در کوره انجام می شود. در این پروژه هدف انتگراسیون حرارتی صحیح شبکه مبدل حرارتی واحد یعنی کاهش انرژی مصرفی در واحد تقطیر اتمسفریک نفت خام پالایشگاه کرمانشاه با استفاده از حداکثر بازیابی حرارتی بین چاله ها (جریان های سرد) و منابع حرارتی (جریان های گرم) است. با استفاده از فناوری پینچ  و هدف‌گذاری انرژی، انرژی مصرفی فعلی در کوره از ۱۴/۰۶ MW به ۹/۲۵ MW یعنی مقدار هدف گذاری شده تقلیل یافت.

این به معنی کاهش ۳۴% در مصرف انرژی است. واضح است که با این صرفه جویی هزینه ی سرمایه گذاری هم کاهش می یابد که این مسئله بسیار حائز اهمیت است. همچنین با هدف‌گذاری سطح انتقال حرارت و با درنظرگرفتن ملاحظات، سطح موجود از ۱۴۴۴ m^2 به مقدار هدف گذاری ۱۲۶۷m^2 کاهش می یابد. این هم به معنی کاهش ۱۲% در سطح انتقال حرارت است که این موضوع نیز مقدار سرمایه گذاری کل را نیز تحت تاثیر خود قرار می دهد.

 

منابع و مراجع:

 

[۱] Khoshchehreh, R., Tahouni, N., Panje shahi,M.H .,  Debottlenecking of condensate stabilization unit in a gas refinery. Energy 77(2014) 742e751

[۲] Smith, R., Jobson, M., Chen, L., Recent development  in  the retrofit of heat exchanger networks, Applied Thermal Engineering 30(2011) 2281e2289

.,  [۳] Pan,M., Bulatov,I.,Smith.R.A novel optimization approach of improving energy recovery in retrofitting heat exchanger network with exchanger details. Energy 57(2013) 188e200

[۴]طاهونی، نسیم: طراحی فرآیندهای شیمیایی ۱۳۹۳، دانشگاه تهران.

[۵]  Angel Martı´n *, Fidel A. Mato., “Hint: An educational software for heat exchanger network design with the pinch method”, Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, University of Valladolid, Facultad de Ciencias, Prado de la Magdalena s/n, 47011 Valladolid, Spain, 200

شماره ۳۷ صفحه ۷۰

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *