دانلود پایان‌نامه c (3180)

3-8 موازنه اکسرژی26
فصل چهارم: انتگراسیون حرارتی داخلی برج تفطیر29
4-1 مقدمه30
4-2 بررسی بهبود کیفیت و راندمان مصرف انرژی در انتگراسیون حرارتی برج تقطیر30
4-3 انتگراسیون حرارتی داخلی برج های تقطیر32
4-4 مدل سازی برج تقطیر و ساختارHIDiC36
4-5 پیاده سازی ساختار انتگراسیون حرارتی داخلی37
4-6 مبدل حرارتی39
4-7 روش NTU-έ39
4-8 روش حداقل دمای نزدیکی40

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

4-9 شیر فشار شکن41
4-10اثر انتگراسیون حرارتی داخلی بر روی میزان مصرف انرژی41
4-11اثر انتگراسیون حرارتی داخلی بر روی کیفیت مصرف انرژی43
4-12 بهینه سازی ترمودینامیکی برج تقطیر43
4-13 نمودار دما-آنتالپی44
4-14 حداقل نیروی محرکه در طراحی فرآیند49
4-15 نیروی محرکه در برج تقطیر51
4-16 تعیین حداقل اتلاف اکسرژی53
4-17 نمودار حداقل نیروی محرکه56
4-18 محاسبه ی الگوریتم (عددی )57
4-19 تعیین محل مناسب برای یک برج اصلاح شده58
فصل پنجم:بررسی الگوریتم بر روی برج تقطیردی بوتانایزر61
5-1مقدمه62
5-2 واحد دی بوتانایزر پالایشگاه شیرازUnit 100) )62
5-3 انتگراسیون حرارتی داخلی برج تقطیر63
5-4 تعیین حداقل نیروی محرکه در طراحی فرآیند64
5-5 تعیین محل مناسب برای یک برج اصلاح شده70
5-6 نتیجه‌گیری 74
فصل ششم: نتیجه‌گیری وپیشنهادات75
6-1نتیجه‌گیری76

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

6-پیشنهادها77
مراجع78
پیوست82
فهرست جدول‌ها
عنوان جدولصفحه
جدول 4-1 مدل های اکتیویته مناسب برای حالت های مختلف محلول ها37
جدول5-1.نتیجه شبیه سازی اولیه 71
جدول 5-2. نتیجه شبیه سازی بعد از انتگراسیون 72
جدول 5-3. نتیجه شبیه سازی برج اصلاح شده 72
فهرست شکل‌ها
عنوان شکلصفحه
شکل1-1. نمای کلی از یک برج تقطیر متداول 3
شکل1-2. نمودار برج برگشت پذیر برای سیستم دو تایی5
شکل 4-1. نمای کلی از یک HIDIC ایده آل33
شکل 4-2. . نمای کلی از یک برج یکپارچه حرارتی داخلی38
شکل 4-3. تغییرات کار مصرفی کمپرسور بر حسب نسبت تراکم کمپرسور43
شکل4-4مراحل مورد نیاز برای رسیدن به اهداف در برج44
شکل4-5. نمودار ترکیب برای برج های مختلف48
شکل 4-6.حداقل نیروی محرکه برای شبکه مبدل حرارتی50
شکل 4-7. تأثیر سیال انرژی جانبی بر روی نیروی محرکه50
شکل 4-8. نمودار اتلاف اکسرژی53
شکل 4-9. بار حرارتی مبدل جانبی با استفاده از حداقل نیروی محرکه54
شکل 4-10 اطلاعات پینچ درسیستم های چند جزئی56
شکل 4-11درصد اکسرژی ذخیره شده59
شکل 4-12 اضافه کردن تعداد سینی های مورد نیاز60
شکل5-1. شبیه سازی واحد دی بوتانایزر پالایشگاه شیراز63
شکل 5-2. شبیه سازی انتگراسیون داخلی برج دی بوتانایزر64
شکل 5-3نمودار اتلاف اکسرژی برای برج دی بوتانایزر65
شکل 5-4. نمودار اتلاف اکسرژی بعد از اصلاحات66
شکل5-5. نمودار بار حرارتی هدف در برج برگشت پذیر67
شکل5-6.نمودار حداقل بار حرارتی برای05/0 = ∆68
شکل 5-7نمودار اتلاف اکسرژی برای 05/0 = ∆69
شکل 5-8درصد اکسرژی ذخیره شده در انرژی جانبی71
شکل 5-9 موازنه کلی جرم و حرارت73

فهرست نمادها
علامتنشانهجریان تقطیر شدهکمبوداکسرژی جریانمقدارمولی جریان های: خوراک˓ محصول تقطیر ˓محصول پایین برجانتالپی جریانبارحرارتی منسوب به جوش آور و چگالندهانتگراسیون حرارتی داخلی برج تقطیراجزاءمرحلهورودی و خروجی جریان ها یا برجفاز مایع ˓ بخارکمترین مقدارمقدار مولی جریان گاز˓ مایعخوراک گرمانتروپیدماترکیب مولی در فازهای گاز و مایعاختلافمحیط
فصل اول
پیشگفتار
1-1- مقدمه
یکی از مهم‌ترین بخش‌های واحدهای صنعتی، واحد تقطیر می‌باشد. برج‌های عملیات تقطیر یکی از رایج‌‌‌ترین عملیات واحد در صنایع فرآیندی و در عین‌حال، پرخرج‌ترین واحد از نظر میزان مصرف انرژی هستند. این فرآیند سهم قابل ملاحظه ای از مصرف انرژی را در صنعت به خود اختصاص داده است . لذا امروزه با توجه به افزایش بی رویه مصرف حامل های انرژی و همین طور قیمتهای جهانی انرژی تلاش برای یافتن راه کارهایی جهت صرفه جویی انرژی در عملیات تقطیر اهمیت دو چندان یافته است .کاهش مصرف انرژی در عملیات تقطیر˓ امروزه در کاهش قیمت تمام شده محصولات نیز می تواند بسیارمؤثر باشد . بنابراین مصرف بهینه انرژی و مقایسه با یک معیار استاندارد و آنالیز و تفسیر انحراف از حالت استاندارد در مراحل امری ضروری است. به همین دلیل ارائه روش های کاهش مصرف انرژی نسبت به معیار استاندارد اهمیت ویژه ای داشته و مورد توجه قرار دارد. برای بهبود راندمان مصرف انرژی در برج‌های تقطیر، ایده‌های زیادی در مراجع مربوطه، موجود است. اصلاح و بهینه سازی برج تقطیر برای بازدهی بهتر انرژی کار بسیار پیچیده ای است]1[.
1-2- بررسی مصرف انرژی در برج تقطیر
انرژی لازم در یک فرآیند تقطیر از طریق جوش آور تأمین می شود. با توجه به قابلیت در دسترس بودن و همین طور اقتصاد فرآیند˓ منابع تأمین گرما برای جوش آور عموماً شامل بخارات آب˓ روغن های داغ و یا کوره ها هستند. اجزاء سبک تبخیر شده و به فاز بخار وارد می شوند در حالی که اجزاء سنگین میعان می یابند و از فاز بخار به فاز مایع منتقل می شوند ]2[.
بخارات داغ در داخل برج به سمت بالا حرکت می کنند و با مایعاتی که به سمت پایین حرکت می کنند در چندین مرحله روی سینی ها تماس پیدا می کنند و در صورت وجود زمان کافی به تعادل می رسند . بخارات در بخش بالاسری که غنی از اجزاء سبک است میعان می یابند . بخشی از این مایعات به برج برگشت داده می شوند و بخشی به عنوان محصول از بالای برج خارج می شود . شکل ( 1-1 ) نمای کلی یک برج تقطیر را نشان می دهد ]2[.
گرمای حاصل از میعان اغلب به هوا یا آب و یا هر دو منتقل می شود وگاهی نیز به عنوان پیش گرمکن جریان خوراک و یا در سایر موارد استفاده می شود. در واقع مقدار این انرژی قابل ملاحظه است و همین امر بازیافت آن را جذاب تر می کند. اما به دلیل سطح دمایی پایین تر آن در مقایسه با دیگر مراحل برج به خصوص جوش آور، امکان استفاده مفید از آن برای گرمایش وجود ندارد . به علاوه بخشی از آن نیز به وسیله تشعشع و جابه جایی از بدنه برج به محیط منتقل می شود ]2[.
[2]شکل 1-1 نمای کلی یک برج تقطیر
انرژی حرارتی تزریق شده در جوش آور خرج تبخیر مایع غنی از اجزاء سنگین شده و از آن طرف انرژی یاد شده برای تأمین جریان برگشتی خارجی دور ریخته می شود. به هر حال این انرژی را به خاطر دمای پایین چگالنده نسبت به سایر مراحل نمی توان بازیابی کرده و مورد استفاده قرار داد ]2[.
1-3- بیان روش های بهبود راندمان مصرف انرژی در برج تقطیر
تعداد حالات مختلفی برای بررسی وضعیت بهینه سازی انرژی برج در گذشته پیشنهاد شده است که شامل :
– بررسی وضعیت تعداد سینی ها یا سرعت جریان برگشتی
– تعیین سینی خوراک ورودی
– به کار بردن جوش آور و خنک کننده جانبی در طراحی مسائل ترکیبی
– انتگراسیون حرارتی داخلی
یکی ازجدید ترین روش های مورد استفاده برای بهبود راندمان مصرف انرژی انتگراسیون حرارتی داخلی است.
در یک برج تقطیر متعارف˓ دمای بخش جذب پایین تر از بخش دفع است و لذا نمی توان انرژی جوش آور را در چگالنده استفاده کرد. حال اگر بخش جذب دارای فشار قابل ملاحظه تری نسبت به بخش دفع باشد˓ آنگاه می توان در بخش جذب به دمای بالاتری رسیده و انرژی جوش آور را صرفه جویی کرد.
رویکرد دیگری که مطرح است˓ 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،که هنوز به درستی به آن پرداخته نشده است. با استفاده 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. در این پایان نامه این رویکرد جدید مورد بررسی قرار گرفته است]2[.
1-4- ضرورت انجام پژوهش
بهینه سازی از طریق شبیه سازی های سیستماتیک برای کل تنظیمات موجود˓ از لحاظ زمانی و محاسبات احتیاج به زمان طولانی داشته و بسیارسخت و مشکل است همچنین از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. روش متداول بهبود بازده انرژی در برج تقطیر، استفاده از حداقل شرایط ترمودینامیکی ستون ها براساس مدل برج های برگشت پذیر می باشد. در گذشته تعداد بیشماری از مجلات و نشریه ها با بررسی و انجام محاسبات لازم˓ استفاده از برج های برگشت پذیر برای سیستم های دوتایی و اهمیت آن را مورد مطالعه قرار داده اند ]3 و 4[.
تنظیمات حداقل شرایط ترمودینامیکی برج برای سیستم های دوتایی در شکل ( 1-2 ) نمایش داده شده است. در این نمودار شرایط نیروی محرکه صفر در هر سینی مورد نیاز در یک برج با تعداد سینی های نامحدود در بی نهایت مبدل های جانبی در نظر گرفته شده است. در هر برج خط عملیاتی و خط تعادل همزمان در امتداد کل برج بر هم منطبق خواهد شد. نمودار برج برگشت پذیر، به وسیله ی حل هم زمان معادلات عملیاتی و تعادلی به دست می آید.
در سیستم های چندگانه، صرفاً در جداسازی های محدود وضعیت یک برج برگشت پذیر به دست خواهد آمد ]1[ .
[2] شکل 1-2 نمودار برج برگشت پذیر برای سیستم دوتایی
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 ] 6 و 7.[
در سیستم های دوجزئی محاسبه ی نمودار برگشت پذیر آسان است و دو داده تعادلی با استفاده 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 ]6[ .
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 وسیلهی مبدل ها خارج می شود. در این برج انتخاب صحیح بار حرارتی و دمای انرژی های جانبی1 منجر به بهبود توزیع نیروی محرکه می شود و به طور کلی بازده قانون دوم ترمودینامیک بهتر می شود ]8 و 9[.
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 استفاده 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]10 .[
در حالیکه هر دو برج قسمت انتگراسیون حرارتی و روش برج برگشت پذیر آدیاباتیک، مفاهیم بازده انرژی در فرآیند 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.
1-5- 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.
1-6- ساختار پژوهش
کلیه‌ی مطالعات و فعالیت‌های انجام شده در این پایان‌نامه در قالب 6 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 فرآیند برج تقطیر میشود˓ 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 زمینهی 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 استفاده 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
2-1- مقدمه
عملیات تقطیر، متداول‌ترین فرآیند برای جداسازی مواد محسوب می‌شود و از طرف دیگر، پرخرج‌ترین واحد از نظر میزان مصرف انرژی است. این فرآیند 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 استفاده 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 روشهای کارایی انرژی، دوباره مورد توجه قرار گرفته است. . ارزیابی بخش مفید انرژی، بخشی که میتواند 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.
2-2- 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 1974 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 1987، تقسیم مساوی نیروهای برج (EOF) توسط راتکج و همکارانش در سال 1995، فواصل مساوی ترمودینامیکی (ETD) توسط سالومون و همکارانش در سال 1998 نمونه هایی از این گونه مطالعات است [3و4] .
لینگهف و دهول برج تقطیر را بر اساس پروفایل اتلاف انر‍‍ژی برای هر مرحله تعادل ترمودینامیکی در سال 1993 تحلیل و بررسی کردند [6]. جهت بهینه سازی برج تقطیر از روش هایی نظیر پیش گرم کردن یا خنک کردن خوراک ورودی (لینگهف و دهول در سال 1993)، تقسیم کردن میزان خوراک ورودی به برج و وارد کردن آن در دو مرحله یا بیشتر (وانکات و کسلر در سال 1993، اگراوال و هرون در سال 1997 وبمدیوپادهی در سال 2002) ، 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 فرآیند 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 فرآیند انتقال حرارت، انتقال حرارت و تقطیر بصورت موازی و توزیع حرارت در برج تقطیر در فهم هر چه بهتر اهداف تقطیر یاری رسان است [6و11].
لیگف و همکارانش در سال 1996، 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 دیاباتیک2 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[12].
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 3 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 2000 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 2005 ، ریورو در سال 2001، سایار و همکارانش در سال 1991، اسکالر و همکارانش در سال 2001،گیلین کویجر و ریکاردو ریورو در سال 2002 [8و9و13] . 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 2003 به مرحله اجرا درآورند [14].
مطالعه علمی در سال 2005 هم توسط زیمپ و همکارانش انجام گرفت. نمودار اتلاف اکسرژی میزان برگشت ناپذیری هر مرحله تعادلی را مشخص می کند. با استفاده 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 [15].
دویانی و همکارانش از آنالیز اکسرژی برای تحلیل عملکرد برج تقطیر در سال 2007 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 [16].
هویانگ و همکارانش در سال 2008 ، از فشار بخار بالای تقطیر جهت پیش گرم کردن خوراک ورودی استفاده کردند و یک برج تقطیر حرارتی پیوسته4 را ارائه دادند که بازده ترمودینامیکی برج تقطیر را بهبود می بخشد [17].
قربانی و همکارانش در سال 2012 آنالیز اکسرژی و ارزیابی اقتصادی مرتبط با آن را در فرآیند 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 64% بالاترین میزان اتلاف را در کل تجهیزات پالایشگاهی گاز و نفت خام دارا میباشند. پس از آنها مبدلهای حرارتی با 15% اتلاف و کمپرسورها با 13% 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 فرآیند پیشنهاد می دهد[6].
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 فرآیند ارائه دادند. در این راستا برج تقطیر و سیستم دیاباتیک ایده آل مورد مطالعه قرار گرفته است. اتلاف اکسرژی و کار با استفاده از مفاهیم ساده تقطیر مانند بهینه کردن محل خوراک ورودی محاسبه شد و بر اساس تابع ترمو- اقتصادی و بازدهی فرآیند، 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 15% 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.
2-3-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 1997˓ در مورد بهینه ی ترمودینامیکی برج تقطیر با استفاده 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 استفاده از تعیین مکان مناسبی برای خنک کننده و جوش آور جانبی به حداقل رساند˓ بحث و تحقیق شده است]11[.
باوساو همکارانش در سال 1998 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 ]18[.
پاندیوپادهایی و همکارانش در سال 1998 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]7[.
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 2000 ارائه شده است ]19[.
ناکایوا و همکارانش در سال 2003 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 فرآیند تقطیر بهبود داده است. همچنین گادالا و همکارانش در سال 2005 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 2006 ایواکبی و همکارانش پیشنهاداتی برای این روش مطرح کردند و مقاله ای با عنوان صرفه جویی انرژی در جداسازی سیستم چند جزئی با استفاده از انتگراسیون حرارتی داخلی در ستون تقطیر HIDiC) ) منتشر کردند]10و21و20[.
دی کوایجر و همکارانش در سال 2004 ˓ توزیع انتقال حرارت به وسیله آنالیز نیروی محرکه و بهینه کردن انرژی در برج تقطیر آدیاباتیک را مورد مطالعه قرار دادند]22[.
دانیلو و همکارانش در سال 2007 و همچنین پتلیوک و همکارانش در سال 2008 یک الگوریتم کلی برای محاسبه ی حداقل سرعت جریان برگشتی در برج تقطیر ساده و ساختار یک برج برگشت پذیر را پیشنهاد دادند ]23و24[.
مجتبی رسته در سال 1382 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]1[.
2- 4- تحقیق‌های انجام شده پیرامون انتگراسیون حرارتی داخلی با استفاده 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 1388 به بررسی بهبود کیفیت و راندمان مصرف انرژی در انتگراسیون حرارتی برج های تقطیر با استفاده 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]2[.
رابین اسمیت و همکارانش در سال 2011 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 استفاده 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] 26[.
2-5- 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 استفاده 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
3-1- 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 روشهای کارایی انرژی، دوباره مورد توجه قرار گرفته است.
اکسرژی نشاندهنده پتانسیل واقعی یک سیستم برای انجام کار مطلوب است، بنابراین، آنالیز برمبنای اکسرژی هنگامی که گونه های مختلف انرژی در مقایسه با هم هستند˓ مهم می باشد. آنالیز اکسرژی می تواند در شناسایی عوامل˓ موقعیتها و مقدار ناکارآمدی های سیستم مفید باشد. وقتی سیستمی از حالت ایده آل انحراف پیدا می کند تلفات در آن سیستم رخ می دهد.
شناسایی مقدار تلفات و علت آن ها بسیار مهم بوده و در افزایش راندمان اکسرژی موثر است. تلفات اکسرژی مقدار کمی انحراف از حالت ایده ال را نشان می‌دهد که ناشی از اتلاف اکسرژی منتشر شده و یا در اثر برگشت‌ ناپذیری داخلی در فرایند می‌باشند.
دراین فصل مفهوم اکسرژی، راندمان اکسرژی و تلفات اکسرژی بیان شده و انواع اکسرژی جنبشی، پتانسیل، الکتریکی و… معرفی شده اند.
3-2- مفهوم اکسرژی
جهت درک بهتر مفهوم اکسرژی ، بیان تفاوت ماده و انرژی ضروری است. انرژی و ماده فقط می توانند به اشکال مختلف تبدیل شوند و نمیتوانند ایجاد و یا مصرف شوند و این یک اصل کلی در طبیعت است.
نیرو محرکه جریان انرژی و ماده در سیستم، کیفیت است. کیفیت انرژی و ماده به طور مداوم در جریان عبور به درون سیستم رو به هدر رفتن است. این وضعیت در صورتی است که جریان یک مسیر مشخص داشته باشد و به زمان وابسته باشد. هنگامی که انرژی و ماده در داخل یک سیستم جریان دارند، بخش بسیار کوچک آن در سیستم واقعی ذخیره میشود و از طرفی یک تعادل بین ماده و انرژی وجود دارد.
انرژی و ماده تنها به عنوان حامل کیفیت عمل می کنند و این کیفیت است که در طول تبدیل ماده و انرژی تحلیل میرود. با توجه به این مطلب، تنها کیفیت است که میتواند تولید یا مصرف شود.
انرژی و ماده تمایل به توزیع در بیش از یک مکان را دارند، بنابراین رفته رفته نیرومحرکه در سیستم از بین میرود. یک مثال برای این موضوع ارائه میشود. جریان گرم و سرد هرکدام کیفیتی دارند، نیرو محرکه این دو جریان به وسیله اختلاف دما بین آنها مشخص می‌شود. حال اگر این دوجریان با هم مخلوط شوند یک جریان ولرم ایجاد میشود. جریان ولرم فاقد نیرو محرکه است و بنابراین کیفیت پایینتری از جریان اصلی دارد. این کمیت به عنوان افزایش انتروپی برای کل سیستم بیان شده است. در جریان یک ماده در سیستم به جای این که بیان شود کیفیت کاهش پیدا کرده میتوان گفت عدم کیفیت افزایش یافته، یا انتروپی افزایش یافته است. مفهوم انتروپی اندازهگیری عدم کیفیت است. با توجه به این مفهوم، انتروپی یک معنی منفی میدهد. تعریفی که در مقابل انتروپی ارائه شده و از اندازهگیری مستقیم کیفیت به دست می آید، نژنتروپی5 است. وقتی که کیفیت مصرف شده یا تلف شده، در واقع نژنتروپی مصرف شده است ]32[.
حال این سؤال مطرح می شود که چگونه میتوان کیفیت یک سیستم یا جریان انرژی و ماده را اندازه گرفت. ارزیابی بخش مفید انرژی، بخشی که میتواند کار مکانیکی انجام دهد، در واقع ارزیابی کیفیت انرژی است و این موضوع از سالها پیش مورد توجه دانشمندان بوده است.
رانت در سال 1953 پیشنهاد کرد که ترم اکسرژی باید به معنی ظرفیت کار فنی استفاده شود. تعریف کامل توسط بایهر ارائه شد: اکسرژی بخشی از انرژی است که قابل تبدیل به شکل های دیگر انرژی است. اکسرژی یک سیستم در یک محیط خاص میزان حداکثر کار مکانیکی است که می تواند از سیستم در این محیط خارج شود. کار مکانیکی که مورد توجه قرار گرفته تنها به عنوان نمونهای از شکل انرژی کاملاً منظم شده میباشد یعنی انتروپی آن برابر صفر است. این تنها بخش مفید انرژی است که میتواند به تمامی اشکال دیگر انرژی تبدیل شود. تعریف بایهر بدیهی و بسیار کلی است و نه تنها انرژی بلکه ماده را نیز شامل میشود ]32[.
ایوانس نشان داد که اکسرژی در خود مفاهیم ترمودینامیکی دیگری نیز جای داده است. پتانسیلهای ترمودینامیکی شبیه به اکسرژی هستند اما دامنه محدودتری دارند. انرژی آزاد گیبس، انرژی آزاد هلمهولتز و انتالپی همه موارد خاصی از اکسرژی هستند. به بیان ساده تر می توان اکسرژی را اینگونه نیز تعریف کرد:]32[
اکسرژی ماکزیمم کار در دسترس است، زمانی که فرم های مختلف انرژی بصورت برگشت پذیر به یک سیستم انتقال می یابد و در تعادل ترمودینامیکی با محیط اطراف می باشند و توانایی انجام کار را ندارند. همچنین می توان اکسرژی را فاصله سیستم از تعادل جهانی تعریف کرد. از آنجا که اکسرژی مصرف می شود، شرایط متغیرهای دما، فشار و درصد ترکیب سیستـم به متغیرهای مشابه در محیط نـزدیک می شوند. بنابراین، شرایط مرجع شرایط مرده نامیده می شود. اکسرژی کلی جریانهای چند جزئی از حاصل جمع سه شرایط زیر محاسبه می شود:]25[
• تغییر اکسرژی حاصل از اختلاط
• اکسرژی شیمیایی
• اکسرژی فیزیکی
اکسرژی حاصل از اختلاط، از ترکیب جریان های هم دما و هم فشار در شرایط فرآیندی واقعی ناشی می شود.
اکسرژی شیمیایی تفاوت پتانسیل شیمیایی مابین اجزاء فرآیند و پارامترهای مرجع، غلظت، دما و فشار در محیط اطراف آن ها میباشد.
اکسرژی فیزیکی بیشترین میزان کار محوری قابل حصول (مانند انرژی الکتریکی) می باشد که در آن جریان از شرایط فرآیندی (T,P) با استفاده انتقال حرارت برگشت پذیر به تعادل با دمای محیط می رسد.
استفاده زیاد از منابع انرژی و ماده براساس بهرهبرداری معدنی با تکنولوژی امروز، نمیتواند با سالم ماندن محیط زیست همراه باشد. این وضعیت را میتوان تنها با تغییر اهداف تغییر داد. مفاهیم اساسی و روشهای علمی برای توصیف واقعیت باید نقش مهمی در روند این تغییرات بازی کنند. بنابراین با در نظر گرفتن اهمیت انرژی و بهینه سازی آن در عصر امروز، توجه به مفهوم اکسرژی مهم و ضروری است. مفهوم اکسرژی نه تنها به خاطر مطالعه راندمان و کارایی سیستمها بلکه به خاطر محاسبات و تحلیلهای اقتصادی بسیار مفید است. استفاده از محتـوای اکسرژی به عنوان پایهای برای حسابرسی هزینهها و مدیریت برای قیمتگذاری محصـولات و ارزیابی سود آنها مهـم است. به این ترتیب اکسرژی تنها اساس عقلانی برای ارزیابی منابع و سوخت ها، سیستم ها و بازدهی آنها می‌باشد]32[
3-3- مقایسه انرژی و اکسرژی
1- انرژی فقط به خصوصیات ماده یا جریان وابسته است و به خصوصیات محیط وابسته نیست اما اکسرژی هم به خصوصیات ماده و انرژی و هم به محیط اطراف وابسته است.
2- وقتی سیستم در تعادل با محیط است، انرژی میتواند مقادیر مختلفی داشته باشد اما اکسرژی در حالت ساکن یا وقتی که سیستم در حالت تعادل کامل با محیط است، برابر صفر میباشد.
3- انرژی در همهی فرآیندها طبق قانون اول ترمودینامیک، حفاظت شده و باقی میماند اما اکسرژی در فرآیندهای برگشتپذیر حفظ شده ولی برای فرآیندهای واقعی حفاظت شده نیست و طبق قانون دوم ترمودینامیک به علت برگشت ناپذیری˓ کاملاٌ و یا تا حدی تخریب می شود .

4- انرژی در اشکال مختلف مثل انرژی جنبشی، پتانسیل، درونی ظاهر میشود و در این اشکال قابل اندازهگیری است و اکسرژی در اشکال مختلف مثل اکسرژی جنبشی، اکسرژی پتانسیل، اکسرژی حرارتی و… ظاهر میشود و در این اشکال براساس کار یا توانایی تولید کار اندازهگیری میشود.
5- انرژی تنها کمیت را اندازه میگیرد اما اکسرژی هم کمیت و هم کیفیت ماده و انرژی را اندازه میگیرد ]14[.
مزایای آنالیز اکسرژی خصوصا در مقایسه با آنالیز انرژی، متعدد هستند. در زیر به برخی از موارد که بیشتر قابل توجه است، اشاره میشود.
1- بازده براساس اکسرژی، اطلاعات معنیدار بیشتری در زمان عملکرد سیستم فراهم میکند.
2- در سیستمهای پیچیده (کمپلکس) با محصولات متعدد، روشهای اکسرژی میتواند به ارزیابی ارزش ترمودینامیکی اشکال انرژی محصول کمک کنند.

دیدگاهتان را بنویسید