بهینه‌سازی شبکه مبدل‌های پیش‌گرم واحد تقطیر80 پالایشگاه آبادان به روش فناوری پینچ word

 

كلمات كليدي:

انتگراسيون حرارتي،شبكه مبدلهاي حرارتي،طراحي اصلاحي،بهينه سازي،حالت عملياتي

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول...........2

1-1 ضرورت انجام پژوهش.............2

1-2 روش انجام پژوهش..........3

1-3 ساختار پایان‌نامه.............3

فصل دوم .................5

2-1سابقه علمی.........5

2-2 روش‌های اصلاح شبکه‌مبدل‌های حرارتی...........8

2-2-1 اصلاح شبکه بوسیله باز‌بینی مستقیم ساختمان آن..........9

2-2-2 اصلاح شبکه بصورت یک طرح جدید...............9

2-2-3 اصلاح شبکه با استفاده از فن‌آوری پینچ........9

2-2-4 اصلاح شبکه با استفاده از مدل برنامه‌نویسی ریاضی..............................................9

2-3 فن‌آوری پینچ.....................................................................................................................10

2-3-1 نمودار آبشاری......................................................................................................10

2-3-2 منحنی ترکیبی.......................................................................................................11

2-3-3منحنی ترکیبی جامع (G.C.C)............................................................................. 12

2-3-نمودار پیازی............................................................................................................13

2-3-5 ΔTmin بهینه.........................................................................................................13

2-4اصول پینج..........................................................................................................................14

2-5مسائل آستانه (Threshhold)...............................................................................................16

2-6انتخاب واحد پشتیبانی.......................................................................................................17

2-7 کوره­ها...............................................................................................................................18

2-8هدف­گذاری.......................................................................................................................20

2-8-1 تعداد مبدل­های حرارتی.......................................................................................20

2-8-2هدف­گذاری سطح................................................................................................23

2-8-3هدف گذاری تعداد پوسته ها................................................................................25

2-8-4هدف­گذاری هزینه اصلی(Capital Cost)..............................................................27

2-8-5هدف­گذاری هزینه کلی.......................................................................................29

2-8-6هدف­گذاری بر اساس رابطه هزینه انرژی...........................................................30

2-9روش‌های هدف­گذاری......................................................................................................33

2-9-1هدف­گذاری به روش α ثابت...............................................................................33

2-9-2هدف­گذاری به روش α افزایشی..........................................................................34

2-10جمع­بندی........................................................................................................................35

فصل سوم .........................................................................................................................................37

3-1مقدمه.................................................................................................................................37

3-2حلقه..................................................................................................................................38

3-3مسیر..................................................................................................................................39

3-4 درجه آزادی.......................................................................................................................39

3-5تقسیم جریان......................................................................................................................41

3-6نظریه مثبت، منفی..............................................................................................................41

3-7هدف­گذاری انرژی............................................................................................................42

3-8 روش تخصیص بار حرارتی جریان خارجی.....................................................................44

3-8-1روشمبتنيبرمنحنيتركيبيجامع.......................................................................44

3-8-2قاعدهارزان­ترينجريانخارجي............................................................................46

3-9هدف­گذاريسطح..............................................................................................................47

3-10پارامتر بهینه‌سازی.............................................................................................................48

3-11نکات و ترفندهای بهینه‌سازی..........................................................................................49

3-12بهینه‌سازی و بررسی حالت عملیاتی شبکه......................................................................50

3-13عملكردبهينهونگهداريازشبكهمبدل­هايحرارتي.......................................................51

3-13-1ضریب انتقال حرارت کلی تمییز........................................................................51

3-13-2ایجاد رسوب در مبدل حرارتی..........................................................................52

3-14چه مقدار / اگر................................................................................................................52

3-14-1رخداد................................................................................................................53

3-14-2وظايف...............................................................................................................53

3-15طراحی شبکه...................................................................................................................55

3-16اصلاحوبازبينيشبكه.....................................................................................................57

3-16-1تشخيصگلوگاه­هادرشبكهمبدل­هايحرارتي...................................................57

3-17جمع­بندی.........................................................................................................................59

فصل چهارم ......................................................................................................................................60

4-1مقدمه.................................................................................................................................60

4-2روش­های ساخت در پالایشگاه..........................................................................................61

4-2-1جریان کلی مواد در پالایشگاه...............................................................................63

4-3ترکیب نفت خام................................................................................................................65

4-4تقطیر..................................................................................................................................66

04-4-1کلیاتی در مورد تقطیر.........................................................................................66

4-4-2عملیات تقطیر.......................................................................................................68

4-4-3......................................................................... شرحتقطيرجزءبهجزء........................................................................................71

4-5تقطیر نفت خام..................................................................................................................71

4-5-1ستون تقطیر اتمسفری...........................................................................................71

4-5-2 ستونتقطيرخلاء..............................................................................................73

4-6فرآورده‌هايتقطير..............................................................................................................74

4-6-1مهم­ترينفرآورده‌هايواحدتقطيرنفتخام..........................................................74

4-7 شبیه‌سازی واحد تقطیر ....................................................................................................76

4-7-1نرم‌افزار Aspen Engineering................................................................................76

4-7-2معادلات ترمودینامیکی..........................................................................................78

4-7-3شبیه‌سازی واحد تقطیر آبادان ..............................................................................78

4-7-4توزیع ترکیبات مختلف گوگردی در بنزین...........................................................79

4-7-5محیط شبیه‌سازی .................................................................................................80

4-7-6نحوه اجرای برج تقطیر.........................................................................................83

4-7-7توضیح فرایند تقطیر در خلا.................................................................................85

4-7-8جمع­بندی.............................................................................................................85

فصل پنجم ........................................................................................................................................86

5-1مقدمه.................................................................................................................................87

5-2شبیه­سازی واحد.................................................................................................................87

5-3استخراجداده‌هاازشبیه‌سازيوهدف‌گذاري......................................................................87

5 -3-1 شبیه‌سازی منابع سرد و گرم خارجی در محیط Aspen HX-NET.....................89

5-4ترسیم شبکه‌مبدل‌های حرارتی...........................................................................................89

5-5هدف‌گذاری.....................................................................................................................92

5-5-1 تعیین ΔT_MINبهینه............................................................................................92

5-5-2 برآورد هزینه سرمایه‌گذاری................................................................................92

5-5-3 فرضیات هدف‌گذاری........................................................................................93

5-6 بررسی نتایج هدف‌گذاری شده.........................................................................................94

5-7 اصلاح و بازبینی شبکه......................................................................................................96

5-8 راهکار اقتصادی برای شبکه‌مبدل‌های حرارتی واحد 80.................................................100

5-9 نتیجه‌گیری...................................................................................................................101

5-10پیشنهاد‌ها.......................................................................................................................103

مراجع.....................................................................................................................................104

پیوست­ها................................................................................................................................107

فهرست جدول­ها

عنوان جدول صفحه

جدول ‏2‑1 مقادیر شاخص ΔTmin برای فرآیندهای مختلف.........................................................14

جدول ‏2‑2 مقادیر شاخص ΔTmin برای واحد پشتیبانی.................................................................14

جدول ‏4‑1 ترکیبات گوگردی نفت خام.........................................................................................66

جدول ‏4‑2 ترکیبات اکسیژن‌دار و نیتروژن‌دار..................................................................................66

جدول ‏4‑3مشخصات نفت خام ورودی به پالایشگاه(دارخوین)....................................................79

جدول ‏4‑4 مشخصات جز سبک نفت خام ورودی به پالایشگاه.....................................................79

جدول ‏4‑5مشخصات TBP نفت خام ورودی به پالایشگاه...........................................................80

جدول ‏5‑1 جریان‌های فرایندی گرمو سرد....................................................................................88

جدول ‏5‑2 منابع خارجی انرژی موجود در شبکه.............................................................................89

جدول ‏5‑3 قیمت حامل‌های انرژی در پالایشگاه آبادان....................................................................93

جدول ‏5‑4 مقایسه بار حرارتی گرم و سرد خارجی شبکه‌موجود با مقدار هدف.............................98

جدول ‏5‑5 مقایسه سطح انتقال حرارت واقعی و مورد نیاز مبدل­ها...............................................101

جدول ‏5‑6 میزان پوسته کسر شده هر مبدل.................................................................................101

فهرست شکل­ها

عنوان شکل صفحه

شکل ‏2‑1 منحنی ترکیبی یک فرایندCoposite curve) )...................................................................11

شکل ‏2‑2 اثر متقابل هزینه‌های انرژی و اصلی..................................................................................12

شکل ‏2‑3 نمودار ترکیبی جامع ( Grand Composite curve).........................................................13

شکل ‏2‑4 نمودار پیازی.....................................................................................................................13

شکل ‏2‑5 نقطه پینچ..........................................................................................................................15

شکل ‏2‑6 حداقل یوتیلیتی گرم وسرد................................................................................................15

شکل ‏2‑7 منحنی ترکیبی...................................................................................................................16

شکل ‏2‑8 نمودار مسائل آستانه..........................................................................................................16

شکل ‏2‑9 نمودار روند تغییرات انرژی در مسائل آستانه...................................................................17

شکل ‏2‑10 بررسی اثر متقابل هزینه‌های اصلی و متغیر برای مسائل آستانه.......................................17

شکل ‏2‑11 منحنی ترکیبی جامع (G.C.C)........................................................................................18

شکل ‏2‑12 استفاده از گاز خروجی کوره بجای واحد پشتیبانی گرم.................................................19

شکل ‏2‑13 دو ساختار مرتبط با ارتباط جریان‌ها...............................................................................21

شکل ‏2‑14 مبدل حرارتی پوسته و لوله 1-1 با جریانی کاملا متقابل و مبدل حرارتی پوسته ولوله 1-2 همراه با جریان جزئی متقابل و جزئ همسو..................................................................................26

شکل ‏2‑15روند محاسبه هزینه اصلی شبکه.....................................................................................29

شکل ‏2‑16 منحنی سطح بر حسب انرژی.........................................................................................30

شکل ‏2‑17 مسیر عملی برای پروژه‌های بهینه‌سازی..........................................................................31

شکل ‏2‑18 مسیر‌های متفاوت جهت بهینه‌سازی شبکه و بهترین مسیر اصلاح..................................32

شکل ‏2‑19 افزایش زمان بازگشت سرمایه با افزایش میزان سرمایه...................................................32

شکل ‏2‑20 منحنی ذخیره سازی انرژی بر حسب سرمایه‌گذاری.......................................................33

شکل ‏2‑21 چهار منطقه مشخص شده در منحنی سطح بر اساس انرژی...........................................34

شکل ‏3‑1 نمای یک حلقه.................................................................................................................38

شکل ‏3‑2یک مسیر در نمودار پنجره­ایی...........................................................................................39

شکل ‏3‑3 معادلات حاکم بر یک تقسیم کننده...................................................................................40

شکل ‏3‑4 معادلات حاکم بر یک مخلوط کننده................................................................................40

شکل ‏3‑5تفکیک جریان های گرم و سرد فرایندی..........................................................................44

شکل ‏3‑6 سطوح مختلف جریان خارجی در منحنی ترکیبی جامع...................................................45

شکل ‏3‑7 جريانخارجيغيرنقطهايبادمايخروجيكمترازنقطهپينچ........................................45

شکل ‏3‑8 جريانخارجيغيرنقطهايبادمايخروجيبيشترازنقطهپينچ.......................................46

شکل ‏3‑9 جريانخارجيغيرنقطهايبامحدوديتپاكتبزرگ.......................................................46

شکل ‏3‑10نحوه تعیین دمای انتهایی جریان در مخلوط‌کننده...........................................................49

شکل ‏3‑11 توزیع بار بهینه جریان‌های خارجی به روی یک جریان فرایندی....................................50

شکل ‏3‑12وظايفموجوددررخدادتعميرونگهداري...................................................................54

شکل ‏3‑13وظايفموجوددررخدادعملياتي..................................................................................54

شکل ‏3‑14وظايفموجوددررخدادرسوب....................................................................................55

شکل ‏3‑15مراحل طراحی بهینه شبکه حرارتی توسط روش Yee...................................................56

شکل ‏3‑16 الگوریتم طراحی بهینه شبکه حرارتی به روش Yee.......................................................56

شکل ‏3‑17 الگوریتم اصلاح شبکه مبدل های حرارتی به روش ریاضی...........................................57

شکل ‏4‑1نمودار پالایشگاه................................................................................................................63

شکل ‏4‑2 نمودار پالایشگاه ایالات متحده آمریکا..............................................................................64

شکل ‏4‑3گردش سیال‌ها در ستون تقطیر.........................................................................................70

شکل ‏4‑4 ستون تقطیر اتمسفری[31]................................................................................................71

شکل ‏4‑5 برج تقطیر خلا [31].........................................................................................................73

شکل ‏4‑6 نمای زیر‌صفحه Oil Manager.........................................................................................81

شکل ‏4‑7 نمای زیر‌صفحه Assay....................................................................................................81

شکل ‏4‑8 نحوه وارد کردن داده‌های تقطیر نفت خام دارخوین و امییدیه. (الف) مشخصات تقطیر نفت خام دارخوین (ب) مشخصات تقطیر نفت خام امیدیه...............................................................82

شکل ‏4‑9 شبیه‌سازی واحد تقطیر.....................................................................................................83

شکل ‏4‑10 شبیه‌سازی شبکه‌مبدل‌های حرارتی واحد 80..................................................................83

شکل ‏5‑1 اطلاعات جریان‌های استخراج شده...................................................................................88

شکل ‏5‑2 نمودار پنجره‌ای شبکه‌مبدل‌های حرارتی واحد تقطیر........................................................90

شکل ‏5‑3 نمودار ترکیبی و ترکیبی جامع (الف) نمودار ترکیبی شبکه (ب)نمودار ترکیب جامع شبکه.............................................................................................................................................91

شکل ‏5‑4 نمودار هزینه کلی بر حسبΔT_MIN...................................................................................94

شکل ‏5‑5 نمایش پنجره‌ای شبکه‌مبدل‌های حرارتی در حالت هدف‌گذاری......................................96

شکل 5-6 (الف) نمودار ترکیبی، (ب) نمودار ترکیبی جامع، شبکه‌مبدل‌های حرارتی واحد 80 بعد از بازبینی................................................................................................................................................98

شکل 5-7 نمودار برآورد هزینه کلی..................................................................................................99

شکل 5-8 نمودار پنجره‌ای شبکه موجود........................................................................................100

فصل اول

مقدمه و کلیات تحقیق

1 فصل اول

1-1 ضرورت انجام پژوهش

با افزایش قیمت حامل‌های انرژی و بحران انرژي ازآغاز دهه‌ي هفتاد میلادي، همچنین مصرف بالای انرژی در بخش صنعت، صرفه‌جویی انرژي در صنایعبهخصوصصنایعفرآینديو شیمیاییامريضرورياست. همچنین با توجه به مصرف بالای بنزین و بحث خودکفایی در تولید بنزین توسط پالایشگاه‌های کشور، پیشرفت و بهینه سازی واحدهای بنزین سازی پالایشگاه‌های نفت مورد توجه قرار گرفته است. این امر منجر به ابداع روش‌های مختلفی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی و همچنین استفاده مجدد از انرژی‌های تلف شده در یک فرایند گردید. افزايش روز افزون قيمت سوخت, كاهش منابع سوخت فسيلي و لزوم حفظ و نگهداري محيط زيست عواملي هستند كه كه اهميت بازيافت بهينه انرژي حرارتي و جلوگيري از اتلاف انرژي را در صنايع مختلف, نشان مي دهد. امروزه مصرف بهينه انرژي به عنوان يكي از شاخص هاعمده در ارزيابي توسعه يافتگي جوامع, مطرح گرديده است. شدت بالاي مصرف انرژي در فرآيندهاي شيميايي، باعث افزايش هزينه‌هاي توليد و بهره‌برداري و نيز كاهش بازده استحصال مواد در محصولات صنعتي مي گردد. همچنینباتوجهبهاهمیتطراحیشبکه‌ي مبدل‌هايحرارتیبهعنوانیکیازبخش‌هايمهمطراحی فرآیندها،شبکه‌يمبدل‌هايحرارتیاینواحدبادیدگاهانتگراسیونحرارتیبررسیگردیدهاست. اینبررسی بادورویکرددرقالباصلاحشبکه‌يموجودوطراحیمجددشبکهانجامگرفتهاست.درطراحیمجددشبکه، هدفکمینه‌کردنسطحانتقالحرارتویاهزینه‌يسالیانهکلیآنواحدمی‌باشد.درحالیکههدفازبازبینی واصلاحشبکهموجودکمینه‌کردندورهبازگشتسرمایهبعدازاعمالتغییراتانجامشدهدرشبکهمیباشد. دوروشرایجدرطراحیواصلاحشبکه‌يمبدل‌هايحرارتیروشطراحیپینچوروشبرنامه‌نویسیریاضی می‌باشند.حالتعملیاتیشبکهنیزجهتبررسیکارآییطرح،هنگامتغییردرشرایطعملیاتی،مورد بررسی قرار می‌گیرد. کاهش ضریب کلیانتقال حرارت در اثرایجاد رسوب تغییردر دمای ورودی یا دبی جرمی جریان‌هايفرآینديازجملهپارامترهايعملیاتیهستندکهاثرآنهارادرشبکهبررسیمیگردد. دراینپایان‌نامه از ترکیب دوروشبهینه‌سازيریاضیوروشپینچ،کهبراساستحلیلترمودینامیکیوطراحیکاربردي می‌باشند،بهمنظورطراحیمجددواصلاحشبکهاستفادهشدهاست.فناوریپینچهمگامباتوسعه‌ياولیه‌اشدردانشگاه‌ها،درفرآیندهايصنعتینیزبهکارگرفتهشده‌است وامروزهازآنبهعنوانیک فناوریکاملدرمراکزدانشگاهیوصنعتییادمی‌شود. تحلیل کارآمد جهت بررسی عملکرد سیستم‌های انرژی و واحدهای فرآیندی است. با تکیه بر نتایج انجام گرفته بر اساس این تحلیل، نقاط بحرانی فرآیند شناسایی و جهت بهینه‌سازی انرژی واحد با اصلاح این نقاط بحرانی، حداکثر نتایج مطلوب حاصل خواهد شد.