No category

دانلود پایان نامه ارشد با موضوع انرژي، حرارتي، اکسرژي

بررسي هاي فني- اقتصادي و برآورد مدت زمان برگشت سرمايه قابل انجام است]35[.
در يک واحد عملياتي تقطير، بازيافت انرژي از طريق بهينه‌سازي پارامترهاي عملياتي و اجراي برنامه‌هاي تعميراتي پيشرفته، با صرف اندک سرمايه‌گذاري قابل حصول است. اين روند با مينيمم کردن کيفيت گرماي ورودي به برج و همزمان ماکزيمم کردن کيفيت گرماي خروجي از برج انجام پذير است.
در فرايندهاي شيميايي محصولات و نيروهاي محرکه به خوبي تعريف شده اند، بنابراين با به کارگيري کميتهاي اوليه ترموديناميکي بازده هاي مختلف قابل محاسبه هستند که مستقيماً به عنوان تابع هدف جهت بهينه سازي استفاده مي شوند.
3-7- اثر انتگراسيون حرارتي داخلي بر روي کيفيت مصرف انرژي
اثر انتگراسيون حرارتي داخلي را بر روي کيفيت مصرف انرژي براساس مفهوم “اکسرژي” به عنوان شاخص کيفيت انرژي، بررسي مي‌شود. تعريف اکسرژي عبارت است از “حداکثر کار مفيد قابل استحصال از يک سيستم، زماني که سيستم از حالت اوليه خود به حالت تعادل با محيط آورده شود]2[.
حداکثر کار مفيد زماني به دست مي‌آيد که فرايندي که سيستم، تحت‌تأثير آن قرار مي‌گيرد، برگشت‌پذير باشد.
با تلفيق قوانين اول و دوم ترموديناميک براي يک سيستم باز و با صرف‌نظر کردن از ترم‌هاي انرژي پتانسيل و جنبشي، حداکثر کار مفيد قابل استحصال از سيستم باز در يک فرآيند برگشت‌‍پذير يا همان اکسرژي از رابطه زير به دست مي‌آيد
(3-1)
که زيرنويس 0 بيانگر شرايط محيط است. محيط مبنا را عموماً محيطي با دماي ?c25 و فشار atm1 تعريف مي‌کنند]31[.
3-8- موازنه اکسرژي
مکان‌ها و ميزان اتلاف انرژي در اثر تنزيل کيفيت انرژي يا اکسرژي را در يک فرآيند شناسايي مي‌کند و واحدهاي عملياتي را که براي بهود در اولويت قرار دارند، مشخص مي‌کند.
(3-2)
طبق اصل کاهش اکسرژي، اکسرژي کل جهان در يک فرآيند واقعي همواره کاهش مي‌يابد.اين کاهش در اکسرژي کل جهان ناشي از افزايش انتروپي در فرآيندهاي واقعي است. به بيان ديگر، در يک فرآيند واقعي همواره بخشي از اکسرژي تلف مي‌شود. تنها در يک حالت فرآيند برگشت‌پذير است که اکسرژي ثابت مي‌ماند.
اصل کاهش اکسرژي را به زبان رياضي براي يک سيستم باز مي‌توان به شکل رابطه زير نوشت
(3-3)
موازنه اکسرژي براي برج‌هاي تقطير در يک فرآيند پايا به شکل زير نوشته مي‌شود.
(3-4)
در معادله فوق، اکسرژي هر يک از جريان‌هاي خوراک و محصول را مي‌توان از رابطه زير به دست آورد.
(3-5)
اکسرژي چگالنده و جوش‌آور نيز به ترتيب از روابط زير به دست مي‌آيند.
(3-6)
(3-7)
در معادلهq,v کيفيت بخار وگرماي نهان تبخير است. نيز به ترتيب غلظت جزء i در فاز مايع و ضريب اکتيويته آن هستند.
براي ساختار HIDiC نيز تلفات اکسرژي را مي‌توان از رابطه زير به دست آورد
(3-8)
که اکسرژي کمپرسور از رابطه زير محاسبه مي‌شود.
(3-9)
با افزايش نسبت تراکم کمپرسور، تلفات اکسرژي در ساختار HIDiC افزايش مي‌يابد. با اين وجود، تلفات آن از تلفات اکسرژي برج تقطير متداول کمتر مي‌شود.
جمع‌بندي اثر انتگراسيون حرارتي داخلي برج‌هاي تقطير بر روي ميزان مصرف انرژي و کيفيت انرژي يا اکسرژي مورد بررسي قرار گرفته است. از آنجا که نسبت تراکم کمپرسور مهم‌ترين پارامتر تأثيرگذار است، محاسبات مربوطه به ازاي مقادير مختلف نسبت تراکم کمپرسور انجام شده است. پس از پياده‌سازي ساختار HIDiC و انجام شبيه‌سازي، نتايج زير به دست آمدند:
– انرژي مصرفي چگالنده و جوش‌آور کاهش مي‌يابد. البته با افزايش نسبت تراکم کمپرسور نرخ کاهش بار حرارتي چگالنده و جوش‌آور نيز کاهش مي‌يابد.
-کار مصرفي کمپرسور افزايش مي‌يابد.
– مجموع انرژي مصرفي ساختار HIDiCابتدا کاهش و سپس افزايش مي‌يابد.
– سطح انتقال حرارت مبدل حرارتي افزايش مي‌يابد.
– تلفات اکسرژي افزايش مي‌يابد. با اين توضيح که به ازاي بيشتر مقادير نسبت تراکم کمپرسور تلفات اکسرژي ساختار HIDiCکمتر از برج تقطير متداول است.
فصل چهارم
انتگراسيون حرارتي برج تقطير
4-1- مقدمه
برج‌هاي تقطير از رايج‌‌‌ترين عمليات واحد در صنايع فرآيندي و در عين‌حال، پرخرج‌ترين واحد از نظر ميزان مصرف انرژي هستند. انرژي حرارتي تزريق شده در جوش‌آور خرج تبخير مايع غني از اجزاء سنگين شده و از آن طرف‌، انرژي ياد شده براي تأمين جريان برگشتي خارجي دور ريخته مي‌شود.
براي بهبود راندمان مصرف انرژي دربرج‌هاي تقطير، ايده‌هاي زيادي موجود است. يکي از جديدترين آنها، انتگراسيون حرارتي داخلي است. در يک برج تقطير متعارف، دماي بخش جذب پايين‌تر از بخش دفع است لذا نمي‌توان انرژي جوش‌آور را براي جريان برگشتي استفاده کرد. حال اگر بخش جذب داراي فشار قابل ملاحظه‌تري نسبت به بخش دفع باشد، آن‌گاه مي‌توان در بخش جذب به دماي بالاتريرسيد و انرژي جوش‌آورصرفه‌جويي شود.
جداسازي محصولات اوليه با استفاده از تقطير بخش عمده‌اي از فرآيند‌هاي شيميايي مي‌باشد. در برج تقطير با استفاده از گرماي بالاي موجود در جوش‌آور و دادن آن به دماي پايين‌تر چگالنده جداسازي انجام مي‌شود. بنابراين برج تقطير شبيه يک ماشين گرمايي است که کار جداسازي انجام مي‌دهد. تقطير فرآيندي با مصرف انرژي و بازگشت ناپذيري بالا مي‌باشد.
4-2- بررسي بهبود کيفيت و راندمان مصرف انرژي در انتگراسيون حرارتي برج‌هاي تقطير
عمليات تقطير، متداول‌ترين فرآيند جداسازي مواد محسوب مي‌شود و از طرف ديگر، گران ترين واحد از نظر ميزان مصرف انرژي است. اين فرآيند سهم قابل ملاحظه‌اي از مصرف انرژي در صنعت به خود اختصاص داده است؛ لذا امروزه با توجه به افزايش بي‌رويه مصرف حامل‌هاي انرژي و همين‌طور، قيمت‌هاي جهاني انرژي، تلاش براي يافتن راه‌کارهايي جهت صرفه‌جوئي انرژي در عمليات تقطير، اهميتي دوچندان يافته است.
انرژي لازم يک فرآيند تقطير از طريق جوش‌آور، تأمين مي‌شود. با توجه به قابليت در دسترس بودن و همين‌طور، اقتصاد فرآيند، منابع تأمين گرما براي جوش‌آور عموماً شامل بخار آب، روغن‌هاي داغ و يا کوره‌ها هستند.
بخارات داغ در داخل برج به سمت بالا حرکت مي‌کنند و با مايعاتي که به سمت پايين حرکت مي‌کنند در چندين مرحله (روي سيني‌ها) تماس پيدا مي‌کنند و در صورت وجود زمان کافي به تعادل مي‌رسند. اجزاء سبک تبخير شده و به فاز بخار وارد مي‌شوند؛ در حاليکه اجزاء سنگين ميعان مي‌يابند و از فاز بخار به فاز مايع منتقل مي‌شوند. بخارات در بخش بالاسري که غني از اجزاء سبک است مايع مي شوند. بخشي از اين مايعات به برج، برگشت داده مي‌شود و بخشي به عنوان محصول از بالاي برج خارج مي‌شود. شکل (3-1) نماي کلي يک برج تقطير متداول را نشان مي‌دهد]1[.
گرماي حاصل از ميعان، اغلب به هوا يا آب و يا هر دو منتقل مي‌شود و گاهي نيز به عنوان پيش‌گرمکن جريان خوراک و يا در ساير موارد، استفاده مي‌شود. در واقع، مقدار اين انرژي قابل ملاحظه است و همين امر، بازيافت آن را جذاب‌تر مي‌کند؛ اما به دليل سطح دمايي پايين‌تر آن در مقايسه با ديگر مراحل برج به خصوص جوش‌آور، امکان استفاده مفيد از آن براي گرمايش وجود ندارد. به علاوه بخشي از آن نيز به وسيله تشعشع و جابجايي از بدنه برج به محيط، منتقل مي‌شود.
قيمت تمام شده انرژي در عمليات تقطير، امروزه در کاهش قيمت تمام شده محصولات نيز مي‌تواند بسيار مؤثر باشد. بنابراين مصرف بهينه انرژي و مقايسه با يک معيار استاندارد و آناليز و تفسير انحراف از حالت استاندارد در تمام مراحل، امري ضروري است. به همين دليل، ارائه روش‌هاي کاهش مصرف انرژي نسبت به معيار استاندارد، اهميت ويژه‌اي داشته و مورد توجه قرار گرفته است.
براي بهبود راندمان مصرف انرژي در برج‌هاي تقطير، ايده‌هاي زيادي در متون مربوطه موجود است.
به طور کلي، اين روش‌ها را مي‌توان به سه دسته عمده زير تقسيم‌بندي کرد:
1- روش‌هايي که سرمايه موردنياز آنها کم است
2- روش‌هايي که هزينه آنها متوسط است
3- روش‌هايي که نيازمند سرمايه‌گذاري کلان ميباشند
روش‌هاي با سرمايه‌گذاري کم، در واحدهاي عملياتي در حال کار، کاربرد دارند و روش‌هاي با سرمايه‌گذاري متوسط تا زياد، اغلب در واحدهاي جديد پس از بررسي‌هاي فني- ااقتصادي و برآورد مدت زمان برگشت سرمايه قابل انجام است.
در يک واحد عملياتي تقطير، بازيافت انرژي از طريق بهينه‌سازي پارامترهاي عملياتي و اجراي برنامه‌هاي تعميراتي پيشرفته، با صرف اندک سرمايه‌گذاري قابل حصول است. در بازنگري يک واحد موجود و همچنين در طراحي‌هاي جديد، بازيافت انرژي با سرمايه‌گذاري متوسط، با افزودن سيستم‌هاي بهبود عايق‌کاري و جابجايي سيني خوراک، قابل دسترس است. در نهايت با سرمايه‌گذاري زياد و با استفاده از سيستم‌هاي ابزار دقيق، ميعان دو مرحله‌اي و همين‌طور انتگراسيون حرارتي، مي‌توان مقدار قابل توجهي از انرژي يا تلافي را بازيافت نمود.
يکي از جديدترين روش‌هاي کاهش مصرف انرژي، انتگراسيون حرارتي داخلي است که به اختصار HIDiCناميده مي‌شود که با انتخاب متغيرهاي عملياتي در اين آرايش و بررسي ميزان صرفه‌جويي انرژي و نيز بررسي ميزان بهبود کيفيت انرژي است. از مفهوم اکسرژي به عنوان ملاک کيفيت انرژي استفاده شده است]1[.
4-3- انتگراسيون حرارتي داخلي برج‌هاي تقطير
ساختار HIDiC در شکل (4-1) ديده مي‌شود. هدف از ساختار HIDiC، فراهم کردن شرايط عملياتي است که انتقال حرارت از بخش جذب (قسمت بالاي خوراک) به بخش دفع (قسمت پايين خوراک) امکان‌پذير شود. اين امر مستلزم آن است که بخش جذب فشار قابل ملاحظه‌تري نسبت به بخش دفع داشته باشد. همانطور که در شکل (3-1) نيز مشاهده مي‌شود، جريان بخار خروجي از بخش دفع با عبور از يک کمپرسور ضمن افزايش فشار و به تبع آن، افزايش دما به بخش جذب وارد مي‌شود؛ اما پيش از ورود به بخش جذب، در يک مبدل حرارتي بخشي از انرژي حرارتي خود را به جريان مايع خروجي از بخش جذب منتقل مي‌کند]2[.
در يک ساختار HIDiC، بخش جذب در فشار بالاتري‌- و به تبع آن، در دماي بالاتري – نسبت به بخش جذب در برج‌هاي متداول کار مي‌کند. بنابراين دماي چگالنده در ساختار HIDiC نسبت به برج‌هاي متداول بيشتر است و خود، موجب کاهش بار حرارتي چگالنده در ساختار HIDiC مي‌شود. زيرا تغييرات دما و بار حرارتي چگالنده خلاف جهت يکديگر است. از طرفي، جريان مايع خروجي بازگشتي از بخش جذب به بخش دفع و در ساختار HIDiC نسبت به بر‌ج‌هاي متداول، دما و در نتيجه انتالپي بالاتري دارد که خود، موجب کاهش بار حرارتي جوش‌آور مي‌شود.
منفعت حاصل از ساختار HIDiC، کاهش بار حرارتي چگالنده و جوش‌آور است که موجب کاهش هزينه‌هاي ساليانه عمليات جداسازي مي‌شود. معمولاً ساختار HIDiC منجر به کاهش مجموع بار حرارتي چگالنده و جوش‌آور بين 20 تا 50 درصد مي‌شود. البته در مقابل هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري اوليه به دليل افزوده شدن يک کمپرسور و يک مبدل حرارتي افزايش مي‌يابد؛ لذا يک تبادلي بين هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري اوليه و هزينه‌هاي ساليانه وجود دارد در نتيجه تصميم‌گيري نهايي بايد براساس سودآوري اقتصادي طرح، گرفته شود.
شکل4 -1 نمايي کلي از يک HIDiCايده آل]2[
ناکايوا و همکارانش ]20[يک تحليل پارامتري از برج‌هاي يکپارچه حرارتي انجام داده‌اند و نتايج خود را با برج‌هاي معمولي مقايسه کرده‌اند. اين محققين، پارامترهاي زير را به عنوان پارامترهاي مهم در برج‌هاي يکپارچه حرارتي معرفي کرده‌اند:

مطلب مشابه :  پایان نامه با واژه های کلیدیعقد جعاله، عقد اجاره، کارشناسان

دیدگاهتان را بنویسید