تحقيق اصول اندازه‌گيري روش‌هاي بازيافت انرژي در فرآيند تقطير

روش‌هاي بازيافت انرژي در فرآيند تقطير
چكيده:
پالايشگاه‌ها، مجتمع‌هاي پتروشيمي و صنايع شيميايي از عمده‌ترين مصرف كنندگان انرژي در ميان صنايعي هستند كه انرژي را به صورت سوخت، بخار و برق مصرف مي‌كنند. هر يك از مجتمع‌هاي فوق داراي گونه‌هاي مختلف فرآيندهاي عملياتي مي‌باشند كه بطور مشترك و يا مستقل از هم در سرويس مي‌باشند. از ميان فرآيندهاي متداول، عمليات تقطير در پالايشگاه‌ها از نقطه نظر مصرف انرژي از اهميت ويژه‌اي برخوردار هستند.
مقدمه
عمليات تقطير درپالايشگاه‌ها عبارت است از فرآيند اقتصادي جداسازي برش‌هاي نفتي جهت حصول به يك مشخصه كيفي خاص مي‌باشد. در فرآيند تقطير كه پارامتر اختلاف نقاط جوش اجزا تشكيل دهنده، عامل جداسازي است، عمليات تكراري تبخير و ميعان كه تا جداسازي موردنظر انجام مي‌گيرد، باعث به هدر رفتن مقادير زيادي انرژي مي‌گردد. انرژي لازم در يك

فرآيند تقطير از طريق جوش‌آور تامين مي‌گردد. با توجه به قابليت در دسترس بودن و اقتصاد فرآيند، منبع تامين گرما جهت جوش‌آور شامل بخار آب، روغن‌هاي داغ و يا كوز‌ه‌ها مي‌باشند.
بخارات داغ در داخل برج به سمت بالا حركت مي‌كنند و با مايعاتي كه با سمت پايين در جريان هستند، در چندين مرحله (روي سيني‌ها) تماس پيدا مي‌كنندو در نهايت با تبادل حرارت به تعادل مي‌رسند. اجزا سبك تبخير شده، در حالي كه اجزا سنگين ميعان مي‌شوند. بخارات در بخش بالاسري كه غني از اجزا سبك است، ميعان مي‌شوند. بخشي از اين مايعات به برج برگردان مي‌شود و بخشي به عنوان محصول از بالاسري خارج مي‌گردد . گرماي حاصل از ميعان اغلب به هوا يا آب و يا هر دو منتقل مي‌شود و گاهي نيز به عنوان پيش گرمكن جريان

خوراك و يا ساير موارد استفاده مي‌گردد. در واقع مقدار اين انرژي تعيين كننده است و همين امر آن را براي بازيافت جذاب‌تر مي‌كند، اما به دليل سطح دماي پايين، استفاده مفيد از آن امكان‌پذير نمي‌گردد. به علاوه بخش اعظم آن نيز بوسيله تشعشع و جابجايي از سيستم تقطير به محيط منتقل مي‌شود.

كاهش مصرف انرژي در عمليات تقطير، امروزه در كاهش قيمت تمام شده محصولات بسيار موثر است. بنابراين پايش مصرف انرژي و مقايسه با يك معيار استاندارد و آناليز و تفسير انحراف از حالت استاندارد و در تمام مراحل و بطور مداوم امري ضروري است. به همين دليل ارائه روش‌هاي كاهش مصرف انرژي نسبت به معيار استاندارد اهميت ويژه‌اي داشته و مورد توجه خاص قرار مي‌گيرد.
بهبود شرايط عملياتي
جريان برگردان

فعاليت اساسي در اين بخش جهت بهينه‌سازي مصرف انرژي عبارت است از بهبود كيفيت عمليات و تعيرات. نظر به اينكه هر دو فعاليت مزبور نياز به سرمايه‌گذاري زيادي ندارند، دستاوردي باارزش تلقي مي‌شوند.
در يك واحد تقطير، مهمترين متغير، ميزان جريان برگردان مي‌باشد. معمولا ً تغيير در ميزان برگردان سبب تغيير در ميزان جداسازي و در نهايت كيفيت محصولات مي‌گردد، مگر آنكه ساير پارامترهاي عملياتي به نحوي تغيير يابند كه اين عدم تغيير جبران گردد. هرگونه كاهش در ميزان جريان برگشتي سبب كاهش بار حرارتي ورودي به برج (از طريق جوش‌آور يا كوره) خواهد شد. بنابراين بازيافت انرژي از طريق كاهش نسبت جريان برگشتي بايستي با درنظر گرفتن سطح كيفي محصولات باشد. معمولاً كيفيت محصولات توليدي بالاتر از سطح حداقل مي‌باشد.

پس بهتر است با كاهش مرحله‌اي ميزان جريان برگردان، سطح كيفي محصولات تا رسيدن به حداقل سطح قابل قبول آزمايش گردد. ملاحظه مي‌شود كه در اينجا بازيافت انرژي بدون نياز به سرمايه‌گذاري قابل انجام است. پيشنهاد ديگر عبارت است از افزايش خوراك ورودي بدون افزايش ميزان جريان برگردان برج كه در هر دو روش مذكور مقدار قابل توجهي انرژي بازيافت خواهد شد.

محل ورودي خوراك
يك متغير عملياتي مهم ديگر عبارت است از محل ورودي خوراك (سيني خوراك)، به برج كه مصرف انرژي را تحت الشعاع قرار مي‌دهد. انتخاب نامناسب نسبت عريان‌سازي به قسمت غني‌سازي در يك برج تقطير، سبب كاهش بازدهي در يكي از قسمت‌هاي برج تقطير خواهد شد. در چنين حالتي انرژي زيادتري جهت استحصال محصولات موردنظر مصرف خواهد گرديد. بنابراين اغلب ممكن است در طراحي اوليه (با سرمايه‌گذاري اندك) چند محل ورودي خوراك درنظر گرفته شود. در نهايت مي‌بايست داده‌هاي عملياتي بدست آمده از هر يك از محل‌هاي خوراك ورودي مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته و محلي انتخاب گردد تا با مصرف حداقل ميزان انرژي، محصولاتي با حداكثر كيفيت بدست آيد. اين مساله بخصوص در واحدهايي كه خوراك‌هاي مختلفي را استفاده مي‌كنند، حايز اهميت است.

فشار
فشار نيز يك متغير عملياتي مهم محسوب مي‌شود كه معمولاً با توجه به دماي آب خنك كننده در دسترس جهت ميعان بخارات بالاسري انتخاب مي‌گردد. در واقع عمليات تقطير بدليل فراريت نسبي اجزاء و سهولت عمليات در فشارهاي پايين مطلوب‌تر است. در فصل زمستان و فصل باراني به علت كاهش دماي محيط و افت دماي آب برج خنك كننده، مي‌توان فشار برج را كاهش داد.

بهبود در تعميرات و روش‌هاي تعميراتي
ميعان كننده بالاسري، كولر هوايي و جوش‌آور (يا كوره) مجموعه يك سيستم تقطير به شمار مي‌روند. پيش گرمايش خوراك و خنك كردن محصولات ته برج توسط مبدل‌هاي حرارتي انجام مي‌گيرد. مبدل‌هاي حرارتي هم در بازيافت انرژي و هم در افزايش راندمان تقطير نقش اساسي بازي مي‌كنند. عملكرد موثر مبدل‌هاي حرارتي توسط عواملي چون گرفتگي و ايجاد رسوب روي سطوح انتقال حرارت، تحت‌الشعاع قرار مي‌گيرد. بنابراين تركيب مناسب عمليات تعميركاري و بازرسي مداوم در كاهش مصرف انرژي بسيار مفيد خواهد بود.
معمولاً عوامل زير در كاهش گرفتگي و رسوب‌گذاري مبدل‌ها موثر هستند:

۱٫ پيش تصفيه جريان خوراك قبل از عمليات تقطير، نمك‌زدايي موثر و فيلتراسيون و جلوگيري از انتقال گل و لاي؛
۲٫ استفاده از برخي از مواد شيميايي ضدرسوب و جرم جهت ممانعت از ترسيب و چسبيدن گل و لاي و مواد جامد به سطوح انتقال حرارت؛
۳٫ تميزكاري مناسب و برنامه مدون تميزكاري دوره‌اي.

به علاوه انجام بازرسي‌هاي منظم جهت پايش و جلوگيري از خوردگي لازم است. در برخي از برج‌هاي تقطير از مواد ضدكف استفاده مي‌شود. اين مساله بخصوص در ميعان كننده بالاسري مفيد مي‌باشد. در كنار عوامل فرق، بازرسي چشمي تجهيزات، لوله‌ها، فلنج‌ها و شيرآلات، تعويض عايق‌هاي مستهلك و از بين رفته، تعميز تله بخارهاي معيوب امري لازم و ضروري مي‌باشد.

استفاده از بازيافت اتلاف حرارتي
هدف از اين روش‌ها بازيافت كامل انرژي از كليه جريانی‌هاي گرم خروجي از واحد تقطير مي‌باشد. در اين مرحله انرژي جريان‌هاي گرم خروجي توسط مبدل‌هاي حرارتي به جريان‌هاي ديگر منتقل مي‌شود. اين جريان‌ها را مي‌توان از واحد تقطير و يا از واحدهاي همجوار ديگر انتخاب نمود.

بهترين مثال اين سيستم، بازيافت انرژي تمركز تقطير در اتمسفر و در خلأ در پالايشگاه‌هاي امروزي است كه بسياري از محصولات و Pump aroundها جهت پيش گرمايش خوراك ورودي به برج استفاده مي‌شوند. امروزه تكنولوژي Pinch جهت بهينه‌سازي بازيافت انرژي استفاده مي‌شود. همچنين در بالاي برج تقطير و تقطير در خلأ منبع انرژي خوبي در داماي پايين در دسترس است. اغلب اين منبع انرژي از طريق كولرهاي آبي يا هوايي به هوا منتقل مي‌شود و در نتيجه بخش اعظم از انرژي اتلاف مي‌شود.
عايق‌كاري

بازيافت انرژي در واحدهاي تقطير با عايقكاري نامناسب امري بعيد و دست نيافتني است. استفاده از عايقي با جنس و ضخامت مناست، نقش بسيار اساسي در بازيافت انرژي دارد. امروزه جهت بهينه‌سازي عايقكاري از مدل‌هاي كامپيوتري مناسب استفاده مي‌شود. بخشي از فعاليت‌هاي عمده در اين بخش به شرح زير است:
۱٫ درنظر گرفتن سرويس مخصوص عايقكاري؛
۲٫ بهينه‌سازي مداوم ضخامت عايق بر اساس قيمت سوخت و عايت؛
۳٫ بهينه‌سازي مواد مورد استفاده جهت عايقكاري (استفاده از عايق‌هاي با هدايت گرمايي كمتر)؛
۴٫ استفاده از عايق‌هاي مخصوص (سفارشي) جهت نصب روي شيرآلات، فلنج‌ها و …. .
جايگزيني سيني‌ها با تجهيزات موثر مشابه
از عواملي كه در كارايي برج‌هاي تقطير موثر هستند. بازده و افت فشار در مراحل تماس (سيني يا آكنده) مي‌باشند. سيني‌ها يا آكنده‌هاي با بازده بالا و افت فشار كم امكان كاهش ميزان برگردان را فراهم مي‌آورند. بنابراين هرگونه بهبود در كاهش جريان برگردان، توسط ابزارهاي تماس موثر مشابه موجب كاهش مصرف انرژي خواهد شد. انتخاب سيني‌هاي موثر در طراحي جديد و يا در واحد موجود جهت افزايش خوراك نيز، همان مزايا و نتيجه را دارد. امروزه آكنده‌هاي با كارايي بيشتر و با ارتفاع معادل كمتر، انتقال جرم بالا و افت فشار كم يك جايگزين مناسب بجاي سيني است.
ارتفاع معادل كمتر
جهت حصول به جداسازي معمول بين اجزا تعداد و مراحل بر اساس نسبت جريان برگشتي محاسبه مي‌گردد. هرچه ارتفاع معادل آكنده كمتر باشد، ارتفاع كل برج نيز كاهش مي‌يابد.
بازده انتقال جرم بيشتر
اين افزايش در عين حال كه موجب كاهش مصرف انرژي به ازاي واحد محصول توليدي، خلوص محصولات و در نهايت افزايش بازيافت مي‌شود. افزايش ظرفيت ميعان كننده و جوش‌آور را درپي خواهد داشت.
افت فشار كم
كاهش افت فشار به نتايج زير منتهي مي‌گردد:
– افزايش فراريت نسبت بين اجزا كليدي كه به جداسازي مناسب و در جريان برگشتي كمتر و مصرف انرژي كمتر منجر خواهد مي‌شود.
– افزايش ظرفيت جوش‌آور به دليل MTD بالا كه به كاهش ميزان انرژي مصرفي جهت گرمايش مي‌انجامد.

– فشار بالاي برج معمولاً توسط دماي خنك كننده بالاسري تعيين مي‌گردد. افت فشار كمتر در برج سبب پايين آمدن دما و در نتيجه كاهش تجزيه حرارتي در ته برج منجر مي‌گردد.
بهينه‌سازي و يا تعويض سيستم كنترل و ابزار دقيق
سيستم‌هاي كنترل قديمي ستون تقطير، معمولاً جهت راه‌اندازي و توقف ايمن واحد در شرايط اضطراري مي‌باشد. عملكرد چنين واحدهايي به ميزان زيادي به مهارت و تجربه پرسنل عملياتي بستگي دارد. در سيستم‌هاي مدرن امروزي كنترل جلوه برنده، آناليزكننده‌هاي on-line كنترل موازنه مواد و بهينه‌سازي كامپيوتري همه از ابزارهايي هستند كه نه تنها موجب كاهش تعداد اپراتورهاي مورد نياز، بلكه موجب بهبود كيفيت محصولات و بهينه‌سازي مصرف انرژي نيز مي‌شود.
ميعان دو مرحله‌اي
بخارهاي بالاسري برج تقطير وارد ميعا

ن كننده يك مرحله‌اي كولر آبي يا هوايي مي‌گردد و گرماي جريان‌هاي بالاسري به هوا منتقل مي‌شود. در ميعان كننده دو مرحله‌اي، مرحله اول جهت حصول به ميعان كافي براي جريان برگردان انجام مي‌گيرد. گرما به جريان ديگري همانند خوراك انتقال يافته و يا جهت توليد بخار فشار پايينت مورد استفاده قرار مي‌گيرد و در مرحله دوم جهت خنك كردن و استحصال محصول كافي مورد استفاده واقع مي‌شود.
جهت استفاده از ميعان كننده دو مرحله‌اي بايستي شرايط ذيل فراهم گردد:
۱٫ دماي بخارات بالاسري به اندازه كافي بالا باشد كه توجيه اقتصادي داشته باشد.
۲٫ بخارات بالاسري بايستي اختلاف دماي معقول بين نقطه حباب و نقطه شبنم داشته باشند.