متناسب با شرایط عملیاتی جدید می‌باشد. دو روش رایج در اصلاح و بازبینی شبكه، روش طراحی پینچ و روش برنامه نویسی ریاضی می‌باشند. روش پینچ زمان بر بوده و براساس تجربه و قضاوت طراح و با رویكردی دستی به حل مسئله می‌پردازد. در حالی كه روش برنامه نویسی ریاضی سریع تر بوده و اعمال سلیقه طراح در آن كمتر می باشد. این روش با رویكردی دقیق به دنبال بهینه ترین جواب برای اصلاح شبكه می‌باشددر این تحقیق از تركیب دو روش بهینه سازی ریاضی و روش پینچ، كه براساس تحلیل ترمودینامیكی و طراحی كاربردی می‌باشند، جهت اصلاح واحد 80 تقطیر پالایشگاه ابادان استفاده شده است. در مرحله هدف‌گذاری خواص فیزیكی جریان‌ها متغیر با دما در نظر گرفته می‌شود و هر جریان به چند زیر جریان كه خواص فیزیكی مشابهی دارند تفكیك می شوند. با به‌کارگیری فن‌آوری پینچ و تغییر ΔT(Min) ، هیچ تغییری در آرایش شبکه‌‌مبدل‌های حرارتی ایجاد نشده است و با بازبینی و بررسی دوباره شبکه به این نتیجه رسید که طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی یک مسئله‌ی آستانه می‌باشد و  برای افزایش بازیافت حرارتی بین جریان های فرایندی، ساختار شبکه نباید هیچگونه تغییری پیدا کند زیرا در بهترین حالت خود قرار دارد ولی ازآنجایی که مساحت مورد استفاده شبکه‌مبدل‌های حرارتی بیش از مساحت واقعی مورد نیاز برای ظرفیت 90000 بشکه در روز می‌باشد، می‌توان با کاهش 7 پوسته از هزینه سرمایه‌گذاری کاست.

 

 كلمات كلیدی:

انتگراسیون حرارتی، شبكه مبدل های حرارتی، طراحی اصلاحی، بهینه سازی، حالت عملیاتی

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

2-1 سابقه 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 بهره گرفتن از فن‌آوری پینچ………………………………………………………..9

2-2-4 اصلاح شبکه با بهره گرفتن از مدل برنامه‌نویسی ریاضی……………………………………….9

2-3 فن‌آوری پینچ………………………………………………………………………………………………………10

2-3-1 نمودار آبشاری…………………………………………………………………………………………10

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

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

2-3-نمودار پیازی………………………………………………………………………………………………13

2-3-5 ΔTmin بهینه……………………………………………………………………………………………13

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

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

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

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

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

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

2-8-2 هدف­گذاری سطح……………………………………………………………………………………23

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

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

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

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

2-9 روش‌های هدف­گذاری…………………………………………………………………………………………33

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

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

2-10 جمع­بندی…………………………………………………………………………………………………………35

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

3-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………37

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

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

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

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

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

3-7 هدف­گذاری انرژی………………………………………………………………………………………………42

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

3-8-1 روش مبتنی بر منحنی تركیبی جامع……………………………………………………………..44

3-8-2 قاعده ارزان­ترین جریان خارجی………………………………………………………………….46

3-9 هدف­گذاری سطح………………………………………………………………………………………………..47

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

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

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

3-13 عملكرد بهینه و نگهداری از شبكه مبدل­های حرارتی……………………………………………….51

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

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

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

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

3-14-2 وظایف…………………………………………………………………………………………………53

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

3-16 اصلاح و بازبینی شبكه………………………………………………………………………………………..57

3-16-1 تشخیص گلوگاه­ها در شبكه مبدل­های حرارتی……………………………………………57

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

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

4-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………60

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

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

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

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

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

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

4-4-3 شرح تقطیر جزء به جزء…………………………………………………………………………….71

4-5 تقطیر نفت خام……………………………………………………………………………………………………71

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

4-5-2      ستون تقطیر خلاء………………………………………………………………………………….73

4-6 فرآورده‌های تقطیر………………………………………………………………………………………………..74

4-6-1 مهم­ترین فرآورده‌های واحد تقطیر نفت خام………………………………………………….74

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

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

4-7-2 معادلات ترمودینامیکی………………………………………………………………………………78

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

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

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

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

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

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

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

5-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………87

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

5-3 استخراج داده‌ها از شبیه‌سازی و هدف‌گذاری…………………………………………………………….87

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

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

5-5 هدف‌گذاری………………………………………………………………………………………………………92

5-5-1 تعیین ΔTMIN بهینه………………………………………………………………………………..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

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

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………….104<  /p>

پیوست­ها………………………………………………………………………………………………………………..107

1                    فصل اول

1-1            ضرورت انجام پژوهش

با افزایش قیمت حامل‌های انرژی و بحران انرژی از آغاز دهه‌ی هفتاد میلادی، همچنین مصرف بالای انرژی در بخش صنعت، صرفه‌جویی انرژی در صنایع به خصوص صنایع فرآیندی و شیمیایی امری ضروری است. 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. افزایش روز افزون قیمت سوخت, كاهش منابع سوخت فسیلی و لزوم حفظ و نگهداری محیط زیست عواملی هستند كه كه اهمیت بازیافت بهینه انرژی حرارتی و جلوگیری از اتلاف انرژی را در صنایع مختلف, نشان می دهد. امروزه مصرف بهینه انرژی به عنوان یكی از شاخص ها عمده در ارزیابی توسعه یافتگی جوامع, مطرح گردیده است. شدت بالای مصرف انرژی در فرآیندهای شیمیایی، باعث افزایش هزینه‌های تولید و بهره‌برداری و نیز كاهش بازده استحصال مواد در محصولات صنعتی می گردد. همچنین با توجه به اهمیت طراحی شبکه‌ی مبدل‌های حرارتی به عنوان یکی از بخش‌های مهم طراحی فرآیندها، شبکه‌ی مبدل‌های حرارتی این واحد با دیدگاه انتگراسیون حرارتی بررسی گردیده است. این بررسی با دو رویکرد در قالب اصلاح شبکه‌ی موجود و طراحی مجدد شبکه انجام گرفته است. در طراحی مجدد شبکه، هدف کمینه‌کردن سطح انتقال حرارت و یا هزینه‌ی سالیانه کلی آن واحد می‌باشد. درحالی که هدف از بازبینی و اصلاح شبکه موجود کمینه‌کردن دوره بازگشت سرمایه بعد از اعمال تغییرات انجام شده در شبکه می باشد. دو روش رایج در طراحی و اصلاح شبکه‌ی مبدل‌های حرارتی روش طراحی پینچ و روش برنامه‌نویسی ریاضی می‌باشند .حالت عملیاتی شبکه نیز جهت بررسی کارآیی طرح، هنگام تغییر در شرایط عملیاتی، مورد بررسی قرار می‌گیرد. کاهش ضریب کلی انتقال حرارت در اثر ایجاد رسوب تغییر در دمای ورودی یا دبی جرمی جریان‌های فرآیندی از جمله پارامترهای عملیاتی هستند که اثر آنها را در شبکه بررسی میگردد. در این پایان‌نامه از ترکیب دو روش بهینه‌سازی ریاضی و روش پینچ، که براساس تحلیل ترمودینامیکی و طراحی کاربردی می‌باشند، به منظور طراحی مجدد و اصلاح شبکه استفاده شده است.فناوری پینچ همگام با توسعه‌ی اولیه‌اش در دانشگاه‌ها، در فرآیندهای صنعتی نیز به کار گرفته شده‌است و امروزه از آن به عنوان یک فناوری کامل در مراکز دانشگاهی و صنعتی یاد می‌شود. 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.

تحلیل پینچ علاوه بر تعیین مبدل‌های حرارتی خطاکار، راهکار و شبکه مبدل‌های حرارتی مناسب را پیشنهاد می‌دهد. در این بین بهینه‌سازی انرژی در واحد 80  مورد بررسی قرار گرفته است.

1-2              روش انجام پژوهش:

در پایا‌ن‌‌نامه ابتدا واحد 80 برج تقطیر پالایشگاه آبادان توسط نرم افزار Aspen hysys refinery شبیه‌سازی می شود و نتایج شبیه‌سازی با مقادیر واقعی مقایسه می‌شود. در مرحله بعد نسخه شبیه‌سازی شده را به نرم‌افزار Aspen hysys Analyzer V7.2 ( همان نرم‌افزار HX-NET می‌باشد) لینک کرده و در محیط این نرم افزار شبکه مبدل‌های حرارتی ترسیم می‌شود. با ارزیابی شبکه فوق به کمک فناوری پینچ، امکان اصلاح شبکه بررسی شده و پیشنهاد‌ها لازم ارائه می‌شود. روش مورد استفاده در نرم افزار Aspen hysys Analyzer V7.2 تلفیقی از دو روش ریاضی و روش پینچ است. دو روش طراحی پینچ و روش برنامه نویسی ریاضی از پرکاربردترین روش‌ها جهت اصلاح شبکه موجود می‌باشند.

1-3            ساختار پایان‌نامه:

مطالعات و تحلیل‌های انجام شده در این پژوهش در قالب 5 فصل به شرح زیر ارائه شده است:

در فصل اول پس از مقدمه کوتاهی درباره اهمیت بهینه‌سازی انرژی واحد 80، روش انجام شده در این مطالعه برای کاهش مصرف انرژی و اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی این واحد بیان شده است.

در فصل دوم  پیشینه روش تحلیل پینچ و تعاریف اولیه با اشاره به تاریخچه انجام مطالعات  این تحلیل و به عنوان معیاری برای ارزیابی سیستم‌های انرژی و تعیین نقاط بحرانی فرآیند بیان شده است.

در فصل سوم روش تحلیل پینچ در انتگراسیون فرایند‌ها، هدف‌گذاری‌ها و اصول و معیارهای روش پینچ در اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی و بهینه‌سازی فرایند‌ها با بهره گرفتن از فناوری پینچ بیان شده است.

در فصل چهارم فرآیند تولید نفت خام برای آشنایی بیشتر توضیح داده شده است. در این فصل پس از بیان تاریخچه توسعه این واحد پالایشگاهی، انواع فرآیندهای و مشخصات خوراک و محصول این واحد بیان شده است .

در فصل پنجم نتایج تحلیل‌های پینچ و سایر مطالعات انجام شده در واحد 80 آبادان آورده شده است و در ادامه فصل، اصلاح شبکه مبدل‌های حرارتی واحد بیان شده است و در پایان فصل با انجام مطالعات اقتصادی، نتیجه‌گیری‌ این پژوهش و پیشنهادهایی برای انجام کارها و مطالعات آتی بیان شده است.

2     فصل دوم

2-1           سابقه علمی

در سال 1970 که بحران انرژی آغاز شد مهندسان طراح و صاحبان صنایع بویژه شرکت‌های صنایع  فرایند‌های شیمیایی به صرفه‌جویی در مصرف انرژی اندیشیدند که به ابداع روش‌های گوناگون برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی در طی این سال‌ها منجر شد. همچنین به موازات آن دریافتند که باید از انرژی‌هایی که در یک فرایند تلف می‌شوند نیز دوباره استفاده کنند. (انرژی تلف شده انرژیی می‌باشد که در یک فرایند تولید می‌شود ولی دوباره به محیط دور ریخته می‌شود اگرچه هنوز می‌توان از ان دوباره استفاده نمود).

کیفیت لازم برای انرژی مقدار نیست بلکه ارزش آن می‌باشد. این استراتژی که چگونه این انرژی بازیافت شود به دمای آن و مسائل اقتصادی بستگی دارد.در این خصوص شیوه‌های مختلفی برای استفاده مجدد از این انرژی‌های هدر رفته در کارخانه‌ها ارائه گردیده است که به بازیافت حرارتی معروف شده اند.این فعالیت‌ها تا کنون به ابداع روش‌های متعددی در طراحی منجر شده‌است.

اولین روش تجربی با بهره گرفتن از قواعد تجربی و طی چند مرحله تکاملی آرایش مناسبی برای شبکه بدست می‌آید.به عنوان نمونه توصیه می‌شود که در صورت امکان گرمترین جریان گرم موجود در فرایند انرژی خود را با جریان سردی که دمای نهایی آن از دیگر جریان‌های سرد بیشتر باشد مبادله نماید.این روش علی‌رغم سادگی روش قابل اطمینانی محسوب نمی‌شود ودر یک واحد شیمیایی پیچیده ما را به بهترین طرح ممکن رهنمون نخواهد ساخت.

دومین روش، روش ریاضی، که قدیمیترین روش محسوب می‌شود ابتدا تمام آرایش های ممکن برای شبکه تبادل‌گرهای حرارتی تعریف شده و به وسیله‌ی محاسبات ریاضی پیچیده و زمان‌گیر بازده واحد در هر حالت ارزیابی می‌شود و به تدریج گزینه‌های نامناسب حذف می‌گردند تا به شبکه منتخب نهایی برسیم. در این روش تعداد گزینه‌ها و حالات مختلفی که برای هر مسئله می‌بایست در نظر گرفت بسیار زیاد خواهند بود و در مسئله‌ای نظیر شبکه تبادل‌گر‌های حرارتی یک پالایشگاه به ارقامی بیش از 1018 لحاظ میرسد. بنابرین این مجموعه از ارزیابی‌ها به یک کامپیوتر بزرگ و صرف زمان زیادی نیاز دارد به همین لحاظ در یک واحد صنعتی با ابعاد و پیچیدگی‌های یک پالایشگاه استفاده از این روش با محدودیت مواجه خواهد شد [16].

در سال 1965، وا[1]، نظریه ادغام کلیه حالات مختلف شبکه مبدل ها را در یک شبکه کلی به نام ابر ساختار ارائه نمود. روش وی به عنوان ابزاری قوی برای طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی و ترکیب کلی فرایند با بهره گرفتن از مبدل‌های برنامه‌ریزی ریاضی مورد استفاده قرار گرفت[1].

سومین روش، روش ترمودینامیکی (پینچ)، پیچیدگی غیر ضروری روش دوم را ندارد و در عین حال قابل اعتماد نیز محسوب می‌شود و تا کنون به موفقیت‌های بزرگی نائل آمده‌است. زیرا مهندسین طراح می توانند با بهره گرفتن از این روش قبل از طراحی نهایی حداقل گرمایش و سرمایش مورد نیاز  فرایند کمترین سطح مورد نیاز برای تبادل حرارت و هزینه ها را محاسبه نموده و تلقی درستی از شبکه بهینه نهایی بدست آورد. در ضمن بدلیل سادگی و سهولت استفاده بر خلاف روش دوم کنترل طراحی در دست طراح می‌باشد و می‌تواند در مراحل مختلف تصمیم گیری و انتخاب نماید. این روش متکی بر تجربه و یا آزمون خطا نمی‌باشد و بوسیله‌ ان طراحی شبکه آسان‌تر و صرف زمان کمتری انجام می‌گیرد.

 در سال 1971، هامن[2] با بهره گرفتن از مفاهیم ترمودینامیکی، گام‌های موثری را در زمینه تحلیل شبکه مبدل‌های حرارتی برداشت که تحقیقات وی بعدها سرچشمه نکات ارزنده‌ای در طراحی شبکه مبدل‌های حرارتی گردید. کار وی به طور عمده بر تعیین حداقل انرژی مورد نیاز بر شبکه مبدل‌های حرارتی با بهره گرفتن از روش تحلیل استوار بود که بعد‌ها بوسیله‌ی فلاور[3] و لینهوف[4] کامل‌تر و به صورت الگوریتم ریاضی و مناسب برای هدف‌گذاری تبدیل شد[1].