کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند – راهنمای کاربران در خصوص جامعیت فرآیند به منظور کاربرد موثر انرژی: فصل 3. استخراج داده ها و هدف گذاری انرژی

کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند – راهنمای کاربران در خصوص جامعیت فرآیند به منظور کاربرد موثر انرژی: فصل 3. استخراج داده ها و هدف گذاری انرژی

– ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

کتاب تحلیل پینچ و جامعیت فرآیند

فصل 3. استخراج داده ها و هدف گذاری انرژی

ایان سی کمپ

الزویر

2007

3. استخراج داده ها و هدف گذاری انرژی

این فصل مباحث عملی فرایند هدف گذاری را با عمق بیشتری نسبت به خلاصه مطرح شده در بخش 3. 2 پوشش می دهد و موارد زیر را بررسی می کند:

ایجاد توازن حرارتی و جرمی و استخراج داده های جریان[1] (بخش 3. 1).

سهم هر یک از جریان ها و مشکلات آستانه[2] (بخش 3. 3).

یوتیلیتی های چندگانه[3]، ترکیب متوازن[4] و منحنی های ترکیبی جامع[5] (بخش 3. 4).

هدف گذاری منطقه ای[6] و هدف گذاری کاهش فشار[7] (بخش 3. 5).

هدف گذاری برای تعداد واحد های تجهیزات[8] (مبدل ها، گرم کننده ها و خنک کننده ها)،  منطقه مبدل حرارتی،  بدنه ها / پوسته ها[9] و تله های توپولوژی[10] (بخش 3. 6).

ابر هدف گذاری[11] برای تغییر هزینه سرمایه ای، هزینه ای اداره و هزینه نهایی با  (بخش 3. 7).

ما همچنین یک مطالعه موردی جدید برای واحد تقطیر آلی را ارایه می کنیم. استخراج داده های جریان در بخش 3. 2 و هدف گذاری در بخش 3. 8 پوشش داده شده است.

3. 1 استخراج داده ها

استخراج داده های جریان از نمودار جریان،  بخش خسته کننده و غیر جذاب، اما ضروریِ تحلیل پینچ می باشد. این کار همیشه روشن نیست و برخی مواقع از رویکرد های جایگزین استفاده می شود. اگر از روش نامناسب استفاده شود اهدافی به دست خواهند آمد که با تجهیزات واقعی قابل دستیابی نیستند و یا برعکس، سیستم حاصله آنقدر محدود خواهد بود که تنها شبکه ممکن همان شبکه ای است که شما از قبل در اختیار داشتید!

در این مرحله ما به پوشش جوانب اصلی استخراج داده های جریان به صورت پایه اکتفا می کنیم. در فصل 8 به جزییات بیشتری در مورد مشکلات عملی که ممکن است در شرایط پیچیده تر با آن مواجه شوید  پرداخته خواهد شد. جزییات را می توان در ESDU (1967) نیز یافت.

3. 1. 1 توازن حرارتی و جرمی

نخستین گام لازم ایجاد توازن حرارتی و جرمی برای تاسیسات است. این امر معمولا چالش سختی است. در تاسیسات فرایند واقعی، مشکل توازن جرم و گرما این است که  این توازن به ندرت حاصل می شود! بنابراین داده ها باید به صورت چشم گیری مورد اصلاح قرار بگیرند. در این قسمت سازگاری[12] اهمیت بیشتری از دقت[13] دارد.  استفاده از توازنی که دارای مشکلات سازگاری شدید باشد  تنها باعث ایجاد مشکل در هنگام تبدیل اهداف به پروژه های طراحی عملی می شود. برای ایجاد توازن حرارتی و وزنی برای یک ساختار[14] جدید، می توان از داده های طرح در مورد نرخ جریان ها[15] و ترکیب ها و داده های پژوهشی در مورد ظرفیت حرارتی ویژه و غیره استفاده نمود. برای تاسیسات موجود، حتی در صورتی که داده های طرح در دسترس باشد، اغلب دارای تفاوت چشم گیری با عملکرد واقعی تاسیسات است. طراحی فرایند علم دقیقی نیست، گذاشت ها[16] و جریان ها معمولا طی راه اندازی جایگزین می شوند تا رفتار پایدار و خروجی مورد نظر حاصل شود. علاوه براین، ترکیب مواد خام ممکن است نسبت به اول کار عوض شود یا در طول زمان تغییر کند، در حالیکه مبدل های حرارتی آلوده می شوند و عملکردشان افت می کند. بنابراین، توازن حرارتی و جرمی جدیدی باید شکل گیرد که نمایانگر عملکرد فعلی بوده و احتمالا دارای سناریوهای متعدد برای خوراک های مختلف یا تمیزکردن قبل و بعد باشد (موارد دارای پایه چند گانه[17]).

[1] Stream data

[2] Threshold problems

[3] Multiple utilities

[4] Balanced composite

[5] Grand composite curves

[6] Zonal targeting

[7] Pressure drop targeting

[8] Equipment units

[9] shells

[10] Topology traps

[11] Super targeting

[12] Consistency

[13] Accuracy

[14] Build

[15] Flow rates

[16] Settings

[17] Multiple base cases

3. 1. 2 استخراج داده های جریان

پس از دستیابی به توازن حرارتی و جرمیِ قابل اتکا، مرحله بعدی استخراج جریان های داغ وخنک به شکل مورد نیاز برای تحلیل پینچ می باشد.

یک معیار بارز برای یک جریان این است که بار حرارتی آن تغییر کند، اما ترکیب آن ثابت بماند. بنابراین جریان مایعی که از داخل مبدل حرارتی می گذرد، یا یک مایع تک جزیی[1] که در حال تبخیر است، و یا مخلوطی که بدون جداسازی اجزا در حال سرد شدن می باشد، همگی می توانند به عنوان جریان در نظر گرفته شوند. برعکس، جریان مایعی که در داخل برج جذب یا غبارگیر جریان دارد،  یا مخلوطی که در حال واکنش است،  یا جریان موجود در برج تقطیر که از جداسازی یک جز فرار[2] حاصل شده است، نباید به عنوان یک جریان تک در نظر گرفته شوند. روش های بهتری در فصل 6 آورده شده است.

داده های جریانِ مورد نیاز عبارتند از بازه دمایی ( )، نوع جریان (داغ یا خنک) و یا نرخ جریان ظرفیت حرارتی (KW/K) یا بار حرارتی جریان( ) . موارد آخر را می توان از چندین روش بدست آورد.

[1] Single-component

[2] Volatile component

3. 1. 3 محاسبه بار های حرارتی و ظرفیت های گرمایی

الگوریتم های تحلیل پینچ در ابتدا به صورت نرخ جریان ظرفیت حرارتی CP بیان می شدند. با این حال، در اکثر موارد عملی استفاده از بارهای حرارتی به صورت kW راحت تر از نرخ جریان ظرفیت حرارتی به صورت kW/K است.  (برای مجموعه واحد های جایگزین به بخش 8. 4. 5 مراجعه کنید). برای یک جریان مخلوط مایع در تاسیسات موجود، ظرفیت حرارتی ویژه ممکن است معلوم نباشد، در حالیکه بار حرارتی را می توان به آسانی و از طریق بارهای مشخص شده توسط مبدل های حرارتی در دمای های مشخص بدست آورد. محاسبه معکوس CP با استفاده از این داده ها آسان است. با این وجود، دو تله احتمالی وجود دارد. نخست اینکه بارهای تجهیزاتی بیان شده ممکن است در طرح باشند تا بارهای عملیاتی. دوم، با تغییر دما، CP تمایل به تغییر دارد و در صورتی که در یک طیف وسیع دمایی تنها نقاط اندکی برای داده استفاده شود، این وابستگی CP به دما ممکن است به صورت اشتباه محاسبه شود. از همه مهم تر، تغییر دمای درونی به صورت پنهان (برای مثال از عملیات تبخیر یا میعان) که باعث تغییر محلی شدید CP می شود، ممکن است پنهان بماند. این قضیه اغلب باعث خطاهای هدف گذاری خطیری می شود. هنگامی که تغییرات پنهان دما صورت می پذیرد، نقاط شبنم و حباب باید به عنوان نقاط خطی سازی از ابتدا، مقرر شوند. این بدین دلیل است که مکان پینچ اغلب توسط چنین نقاطی تعریف می شود.

3. 1. 4 انتخاب جریان ها

تا چه میزان باید جریان ها را هنگام عبور از مجراهای فرایند میانجی مانند مخزن های ذخیره و پمپ ها به بخش های کوچک تر تقسیم نمود؟

جریانی را درنظر بگیرید که دمای آن از 10 درجه به 30 درجه سلسیوس رسانده شده است، از مخزن ذخیره[1] عبور کرده است و در مبدل حرارتی تا 80 درجه سلسیوس گرم شده است و سپس در یک گرم کننده یوتیلیتی دمای آن به 120 درجه رسیده است (شکل 3. 2). این جریان می تواند در داده های جریان به صورت سه جریان مجزا ارایه شود. با این کار اهداف به درستی مشخص می شوند، اما در مرحله طراحی شبکه ما دمای بخش های جریان ها را به شدت محدود کرده ایم، به نحوی که هر بخش به طور کامل با جفت اولیه[2] خود مطابقت دارد. بدین ترتیب احتمال اینکه ما نمودار جریان اولیه را تولید (عملی) کنیم بسیار زیاد است. حالا در نظر بگیرید دو جریان تعریف شده است. جریان اول از10 درجه سلسیوس به دمای مخزن 30 درجه رسیده و دومی از 30 درجه به دمای نهایی 120 درجه سلسیوس رسیده است. اکنون احتمال پیدا کردن جفتهای متفاوت و بهبود طرح افزایش می یابد. با این حال،  دمای مخزن 30 درجه سلسیوس احتمالا بحرانی نیست. در صورتی که خوراک با یک جریان ارائه شود که مستقیما از 10 درجه به 120 درجه سلسیوس می رسد، احتمال رسیدن به طرح بهینه تر باز هم افزایش می یابد. دمای مخزن را می تواند در نقطه انفصال[3] “طبیعی” بین دو جفت تثبیت نمود.

[1] Storage temperature

[2] Original partner

[3] Break point

3. 1. 5 مخلوط کردن

مخلوط کردن / میکس و شکافتن یا جداسازی / اسپلیت پیوند ها[1] نیز می تواند باعث بروز مشکل در استخراج داده های جریان شود. دو جریان فرایند را در نظر بگیرید که دارای ترکیب یکسانی بوده و در دماهای متفاوتی از واحد های مجزا می آیند، مخلوط می شوند و سپس نیازمند حرارت بوده تا به دمای نهایی برسند. این را می توان یک جریان در نظر گرفت،  و وظیفه گرم کردن را می توان با یک مبدل حرارتی انجام داد. با این وجود، مخلوط کردن باعث کاهش دما می شود. در نظر بگیرید اگر سیستم را به عنوان تک جریان مورد استفاده برای هدف گذاری انرژی استفاده کنیم چه اتفاقی ممکن است بیافتد. در صورتی که دمای مخلوط کردن کمتر از دمای پینچ باشد،  “توانایی خنک سازیِ[2]” جریان سرد موجود در زیر پینچ کاهش می یابد. بنابراین، باید به خنک سازی یوتیلیتی حرارت  بیشتری اختصاص داد و با استفاده از توازن آنتالپی حرارت  باید در طول پینچ منتقل شده و استفاده از یوتیلیتی داغ افزایش را افزایش می دهد. برای اطمینان از بهترین عملکرد انرژی در مرحله هدف گذاری، مخلوط کردن باید به صورت هم دما[3] فرض شود. بنابراین، هر یک از جریان ها به صورت مجزا گرم کنید تا به دمای نهایی شان برسند،  یا یک جریان را برای رسیدن به دمای جریان دیگر گرم یا سرد کنید و سپس مخلوط کرده و دمای حاصله را برای رسیدن به دمای نهایی سرد یا گرم کنید.

[1] Junction

[2] Cooling ability

[3] Isothermal

3. 1. 6 اتلافات حرارتی

اتلافات حرارتی همانند مالیات، حقیقت آزار دهنده و غیر قابل اجتناب زندگی هستند. این اتلافات در تحلیل پینچ، استخراج داده های جریان را از طرق ایجاد عدم تطابق بین ظرفیت های حرارتیِ ذاتیِ جریان ها و مقدار حقیقی حرارتی که باید تامین شود یا می تواند استخراج شود، پیچیده تر می کنند.

3. 1. 7 رهنمود های خلاصه

چند رهنمود مفید کلی برای استخراج داده ها:

1. جریان های داغ را داغ و جریان ها خنک را خنک نگه دارید

2. از جزیی کردن بیش از حد مشکل بپرهیزید، به دلایل غیر ضروری جریان ها را تقسیم نکنید.

3. از مخلوط کردن غیر هم دما[1] در مرحله هدف گذاری انرژی اجتناب کنید.

4. داده های نقاط اطراف پینچ را بررسی و اصلاح کنید (یا سایر مناطق مربوط به جریان حرارت low net).

5. تمامی محدودیت های ممکن فرانید را شناسایی کرده و اهداف را با و بدون آن ها پیدا کنید، تا میزان اتلاف انرژیِ آن ها را مشخص کنید (همان تکنیکی که برای هدف گذاری دو تاسیسات به صورت مجزا یا متصل به صورت حرارتی[2] بکار می رود).

[1] Non-isothermal

[2] Thermally linked

3. 2 مطالعه موردی: تاسیسات تقطیر مواد آلی

4. 2. 1 توصیف فرایند

مثال های مربوط به چهار و دو جریان که تا الان مورد استفاده قرار گرفته است، شرایط نسبتا ساده ای بوده اند. اکنون مثال سومی را مطرح می کنیم که بسیار شبیه یک فرایند واقعی می باشد. تقطیر مخلوط مواد آلی در مقیاس کوچک، که بر اساس تاسیسات موجود بوده و طرح جدیدی نیست. از برخی جهات شبیه نسخه  ای کوچک ترِ واحد تقطیر خامی است که در بخش 9. 2 توصیف شد. این مثال به ما امکان مشاهده استخراج داده های جریان در شرایط عملی را می دهد.

خوراک خام در دمای متعادل فراوری شده و وارد در فشار جو وارد برج تقطیر می شود. طبیعتا، خوارک باید تا دمای عملیاتی برج گرم شده و در این مورد تا حدی نیز تبخیر شود و به دلیل اینکه جوش آور[1] مجزایی در کار نیست، بخشی از تولید بخار[2] هنگام ورود مایع داغ به برج صورت می گیرد. نفت سبک در بالا و به صورت بخار قرار می گیرد (بالاسری[3])،  متراکم شده و بخش اعظم آن برای تامین ریفلاکس بالا بازیافت می شود؛ باقی مانده خنک شده و آب اندکی در جدا کننده ثقلی[4] جدا می شود. محصولات مختلف بسته به میزان گرانروی[5] شان به درجات مختلفی خنک می شوند. خوراک خام از داخل دو مبدل حرارتی عبور کرده و قبل ازورود به کوره و رسیدن به دمای نهایی،  توسط بالاسری ها و نفت میانی[6] گرم می شود. تمامی وظایف خنک سازی و گرم کردن دیگر توسط یوتیلیتی ها انجام می پذیرد. نمودار جریان کلی در شکل 3. 5 نشان داده شده است.

[1] Reboiler

[2] Flashing

[3] Overhead

[4] Gravity separator

[5] Viscosity

[6] Middle oil

3. 2. 2 توازن حرارتی و جرمی

اطلاعات مربوط به نرخ تولیدِ اجزای مختلف و ظرفیت حرارتی ویژه آن ها در دسترس است و برخی دماها توسط ترموکوپل ثبت می شوند، همانگونه که در نمودار جریان فرایند نشان داده شده است. بنابراین همانطور که در جدول 3. 1 می بینید،  ایجاد توازن حرارتی و جرمیِ مقدماتی ممکن است. با این حال، برخی از اطلاعات مانند تعداد دماها و نسبت ریفلاکس نامشخص است (گمان می رود که این نسبت 5:1 باشد).  برای رسیدن به یک مجموعه سازگار،  تبدیل برخی واحد ها ضروری بوده است.  ظرفیت حرارتی ویژه برای خوراک خام بسیار وابسته به دما می باشد،  در Kj/kgK(2+0. 005T)،  از آنجاییکه فلوی جرمی برابر با 10 kg/s می باشد،  kJ/K CP= (20+0. 05T) و با انتگرال گیری،  آنتالپی (نسبت به داده 0 درجه سلسیوس) برابر با  (20T+0. 025 ) kJ/s (kW) می باشد.

3. 2. 3 استخراج داده های جریان

با در اختیار داشتن توازن جرمی و حرارتی پایدار، داده های جریان را می توان استنباط نمود. تنها جریان هایی که نیازمند حرارت هستند و یا حرارت آزاد می کنند مد نظر قرار می گیرند،  بنابراین نفت سبک و آب جدا کننده نادیده انگاشته می شوند.  بالا سری هایی که از جداکننده بوجود می آیند به طور مستقیم با نفت تازه مخلوط می شوند و تبادل مستقیم 100 kW حرارت انجام می شود. به طور نظری، این دو جریان باید به تحلیل اضافه شوند؛ در عمل، میزان حرارت وارده و دما به حدی اندک است  که می توان بدون نگرانی از آن ها چشم پوشی نمود. با این حساب پنچ جریان اصلی باقی می مانند که ویژگی هایشان در جدول 3. 3 آورده شده است.

3. 2. 4 داده های مربوط به هزینه

اطلاعات نهایی مورد نیاز مربوط به هزینه گرم کردن و خنک سازی  و هزینه سرمایه ای مبدل های حرارتی جدید است. تعداد ساعات کاری در طول یک سال نیز مورد نیاز است که در اینجا 5000  می باشد.

حرارت از طریق کوره زغالی تامین می شود که دمای میانگین آن تقریبا 400 درجه سلسیوس است،  هزینه سوخت برای هر تن 72 پوند بوده ،  ارزش حرارتی ناخالص[1] آن 28. 8 GJ/ton می باشد و کوره دارای ثمر بخشی ناخالص[2] 75 درصدی می باشد.

[1] Gross calorific value

[2] Gross efficacy

3. 3 هدف گذاری انرژی

هدف گذاری انرژی به صورت پایه در فصل دو توصیف شد. محاسبه جدول مسئله،  یوتیلیتی داغ و خنک مورد نیاز، دمای پینچ و رابطه بین جریان خالص[1]،  و دمای لازم برای مقدار Δ  را به ما می دهد. اکنون ما این مسئله را با جزئیات بیشتر و مجموعه متنوعی از مورد های خاص بررسی می کنیم.

[1] Net flow

3. 3. 1 سهم Δ برای هر یک از جریان ها

از معادله ساده برای جریان مخالف[1] مبادله حرارت (Q=UA Δ  )  می توانیم دریابیم که  مکان A  مورد نیاز برای مبدل حرارتی،  با ضریب کلی انتقال حرارت U و تفاوت دما ΔT در مورد یک جفت نسبت عکس دارد. تا به اینجا، ما فرض را بر این گذاشته ایم که هر جریان،  با هر دمایی که داشته باشد، صرف نظر از ویژگی هایش می تواند جفت شود. با این حال،  برخی جریان ها ممکن گاز یا مایع گرانرو بوده و ظرفیت انتقال حرارت پایینی داشته،  یا نسبت به آلودگی سطوح مبدل آسیب پذیر باشند.

[1] Countercurrent

3. 2. 2 مسائل آستانه ای

در بسیاری از فرایند ها، همیشه به یوتیلیتی های داغ و  سرد نیاز است.  برای مثال، در مثالی دو جریانی ما،  حتی اگر Δ  به صفر کاهش پیدا کند،  و بنابراین هزینه سرمایه ای به سمت بی نهایت میل کند، نیاز به یوتیلیتی های داغ و خنک باقی می ماند.

3. 4 یوتیلیتی های چندگانه

تا به اینجا، ما فرض را بر این گذاشته ایم که خنک سازی و گرم کردن بیرونی مورد نیاز توسط یک یوتیلیتی داغ و یک یوتیلیتی خنک،  در دمای نامشخص و مناسب برای انجام این کار تامین می شود. در عمل،  ممکن است بیش از یک یوتیلیتی در دسترس باشد و اغلب بین آن ها تفاوت قیمت وجود دارد.  برعکس،  نیاز فرایند ممکن است به ما در انتخاب سطح یوتیلیتی کمک کند. سلاح کلیدی ما در این ناحیه  GCC است.

3. 4. 1 انواع یوتیلیتی

یوتیلیتی های داغ که مسئول تامین حرارت فرایند هستند،  ممکن است شامل موارد زیر باشند:

1. کوره ها

2. گرم کن های بخار[1]

3. گاز دودکش[2]

4. حرارت ساطع شده از موتورهای حرارتی

5. مایع حرارتی[3] یا سیستم های نفت داغ[4]

6. حرارت خروجی از سیستم های خنک سازی و کندانسور پمپ حرارتی[5]

7. گرمایش الکتریکی

به همین ترتیب،  سیستم های یوتیلیتی خنک گرما را از فرایند دفع می کنند و می توانند شامل این موارد باشند:

1. سیستم های آب خنک کننده

2. کولر هوا

3. بالا بردن بخار[6] و گرم کردن آب تغذیه بویلر[7]

4. سیستم های آب خنک شده[8]

5. سیستم های خنک سازی و اواپوراتورهای[9] پمپ حرارتی

6. موتور های حرارتی واقع در زیر پنچ

 تمییز بین یوتیلی هایی که دمای ثابت دارند و آن هاییکه دمایشان متغییر است نیز مفید است.  برای مثال،  بخار چگالشی[10]  (که حرارت پنهان با یک دما تولید می کند) یک یوتیلیتی ثابت دما است،

[1] Steam heater

[2] Flue gas

[3] Thermal liquid

[4] Hot oil systems

[5] Heat pump condenser

[6] Steam raising

[7] Boiler feed water

[8] Chilled water

[9] Evaporator

[10] Condensing steam

3. 4. 2 اصل جایگذاری مناسب[1]

فرض کنیم منبعی حرارتی داریم که می تواند ظرفیت ثابتی از گرما به کیلووات را در هر دمایی که بخواهیم تامین کند. برای تامین حرارتِ فرایند، این منبع را کجا باید قرار دهیم؟ طبیعتا نباید در زیر پینچ قرار گیرد زیرا در این صورت یکی از قوانین طلایی شکسته می شود: زیر پینچ را حرارت ندهید.  بنابراین باید بالای پینچ قرار گیرد.  اما علاوه براین، فرایند باید قادر به جذب حرارت تامین شده توسط منبع در هر دمایی باشد،  در غیر این صورت بخشی از حرارت اتلاف می شود.

[1] The appropriate placement

3. 4. 3 یوتیلیتی های دما ثابت[1]

اگر بخواهیم ضروریاتی از یوتیلیتی های مورد نیاز خورد را در دمای پایین تر تامین کنیم،  می توانیم پاسخ این امر را به سادگی در GCC یا جدول مسئله بیابیم.  بنابراین، برای واحد تقطیر مواد آلی،  می توانیم از شکل 3. 9 مشاهده کنیم که اگر ما یک یوتیلیتی در دمای 200 درجه سلسیوس در اختیار داشته باشیم،  می توانیم از آن برای تامین کمتر از 2000 کیلووات،  بدون تحمیل اتلاف انرژی استفاده کنیم (می توانیم با نگاه مراجعه به جدول مسئله مقدار دقیق تری بدست آوریم).  

[1] Constant temperature utilities

3. 4. 4 پینچ های یوتیلیتی

اگر تصمیم گرفته شود تا در یک دمای خاص از یک یوتیلیتی استفاده شود،  این امر به مسئله طرح محدودیت جدیدی را اضافه خواهد نمود. در واقع، هرگاه پروفایل یوتیلیتی GCC را لمس کند،  یک پینچ جدید به وجود می آید.  برای تمایز این پینچ ها از پینچ های اصلی ما آن ها را پینچ یوتیلیتی می نامیم.  با این وجود،  انتقال حرارت در طول پینچ یوتیلیتی،  به صورت خودکار باعث اتلاف انرژی نمی شود و در واقع یوتیلیتی های با دمای بالا را جایگزین یوتیلیتی های دما پایین می کند.

3. 4. 5 یوتیلیتی های متغیر دما

یوتیلیتی های متغیر دما حرارت قابلی توجهی را بدست می آورند یا از دست می دهند و دمایشان همانطور که مشخص است تغییر می کند. مدارهای نفت داغ[1]،  گازهای خروجی از بویلرها،  گازهای خروجی از سیستم های CHP،  آب تغذیه بویلر که پیش گرمایش شده و آب خنک کننده نمونه هایی از این نوع یوتیلیتی می باشند.  اصل جایگذاری مناسب در اینجا هم کاربرد دارد- یوتیلیتی های داغ باید در بالای پینچ و GCC و یوتیلیتی های داغ در پایین آن ها قرار بگیرند-اما خود یوتیلیتی به عنوان یک خط شیب دار به جای خط افقی مطرح می شود (اگرچه در مورد آب خنک کننده،  بازه دمایی معمولا بسیار کوچک و طرح آن چنان مسطح است که می توان آن را یوتیلیتی ثابت دما در نظر گرفت ).

[1] Hot oil circuit

3. 4. 5. 1 جریان های یکبار گذر[1]

به واحد تقطیر مواد آلی باز می گردیم،  یک جریان اگزاست داغ[2] یا گاز دودکش را در نظر بگیرید که دمای قابل توجهی در بالای پینچ تولید می کند،  همانطور که در شکل 3. 11 نشان داده شده است.  این جریان فلوی جرمی،  CP،  دمای ورودی[3] و هدف مخصوص به خود را دارد. ما در این جفت ها از  به میزان 50  استفاده می کنیم؛

[1] Once-through

[2] Hot exhaust

[3] Supply temperature

3. 4. 5. 2 سیستم های دارای چرخش مجدد[1]

اکنون مدار نفت داغی را در نظر بگیرید که در بالای پینچ مشغول تولید حرارت است،  همانگونه که در شکل 3. 12 نشان داده شده است.  نفت خنک به کوره بازگردانده می شود و مجددا گرما میبیند؛ شکل 3. 1 طرح کلی سیستم را نشان می دهد.  در این مورد،  هیچ حرارتی از گاز خروجی  در زیر پینچ تلف نمی شود؛ وظیفه گرمایش کوره برابر با گرمای آزاد شده به فرایند می باشد و از نرخ چرخش نفت مستقل است.  نفت داغ به سادگی به عنوان خط مستقیمی بر روی GCC،  بین دمای هدف و ورودی آن مطرح می شود.

[1] Recirculating

3. 4. 6 منحنی های ترکیبی و ترکیبی جامع متوازن

برای رسیدن به تصویر کلی شفاف تر، مشمول نمودن جریان های مرتبط با یوتیلیتی،  مانند هوای سرد در حال گرم شدن در کوره،  در مجموعه داده های جریان مفید است. سیستم یوتیلیتی و فرایند را می توان هم به عنوان یک کل،  و هم به صورت جداگانه مطالعه نمود. در صورت  تخمین احتمالات پیش گرمایی هوا یا آب تغذیه برای بویلرها با استفاده از گرمای اتلاف شده در فرایند زیر پینچ آن احتمالا آسان تر خواهد بود.

3. 4. 7 انتخاب سطوح چندگانه یوتیلیتی

مسلما، اگر بین یوتیلیتی ها اختلاف قیمت وجود داشته باشد، ما می خواهیم از ارزان ترین آن ها بیشترین استفاده را ببریم. این معمولا بدین معنی است که ما می خواهیم از سرد ترین یوتیلیتی داغ و داغ ترین یوتیلیتی سرد بیشترین استفاده را بکنیم. شکل ترکیب جامع اغلب مناسب ترین سطح و بار را تعیین می کند،  اما در بسیاری از فرایند ها،  مانند منطقه بالای پینچ در واحد تقطیر مواد آلی،  انتخابی “واضحی[1]” برای سطوح و بارهای یوتیلیتی وجود ندارد (شکل 3. 29). چندین انتخاب امکان پذیر است؛ طراح می تواند از یک یوتیلیتی برای تامین 4795 کیلووات  در دمای تغییر یافته 311 درجه سلسیوس یا بالاتر و یک سطح میانیِ تامین کننده 2000 کیلووات در دمای بیش از 200 درجه سلسیوس استفاده کند (مانند بخش 3. 4. 2).  گزینه دیگر استفاده از دو سطح اضافی،  مثلا 250 و 200 درجه سلسیوس یا هر عدد دیگری است. بده بستان های مربوط به استفاده از چندین یوتیلیتی بدین شرح می باشند:

[1] واژه اصلی natural بوده است.

3. 5 هدف گذاری انرژی پیشرفته تر

4. 5. 1 هدف گذاری ناحیه ای[1]

تا اینجا،  ما فرض را بر این گذاشته ایم که تمامی جریان ها به طور مساوی آزادند تا به مبادله حرارت بپردازند و به جز در زمینه دما،  ترجیحی در جفت نمودن آن ها وجود ندارد.  در اغلب موارد،  چنین چیزی صحیح نیست.  دو موقعیت خاص به شرح زیر است:

[1] Zonal targeting

3. 5. 2 هدف گذاری افت فشار

مبدل های حرارتی و لوله کشی اضافی بر روی یک جریان افت فشار را افزایش می دهند.  در بهترین حالت،  این امر مصرف برق پمپ را بالا می برد. از این مهمتر، افت فشار بیشتر ممکن است فرای ظرفیت پمپ های موجود باشند و باعث نیاز به پمپ های جدید شوند،  و یا در غیر این صورت ممکن است پروژه به طول کامل غیر عملی شود.  برای مثال،  کوره ها و پمپ ها اغلب باعث ایجاد محدودیت در انجام اصلاحات بنیادی[1] یا رفع تنگناهای عملیاتی [2] در شبکه های پیش گرمایش خام[3] می شوند.  هدف این است که واحد را از نظر سوختی بهینه نمود و تنگناهای عملیاتی کوره را با افزودن مساحت و پیکربندی مجدد آن رفع نمود،  و در عین حال از نصب پمپ های جدید اجتناب ورزید.  به عبارت دیگر،  انجام اصلاحات بنیادی و رفع تنگناهای عملیاتی باید متناسب با محدودیت های افت فشار باشند که توسط پمپ های موجود تعیین شده اند.  این یک مسئله طراحی پیچیده است.

[1] Revamp

[2] Debottleneck

[3] Crude preheat train

3. 6 هدف گذاری واحد های تبادل حرارت، مساحت و بدنه ها

4. 6. 1 هدف گذاری برای تعداد واحد ها

هزینه سرمایه ای فرایند های شیمیایی معمولا توسط تعداد آیتم های موجود در نمودار جریان تعیین می شود.  این موضوع قطعا درباره شبکه های مبدل حرارتی صدق می کند و انگیزه زیادی برای کاهش تعداد جفت ها بین جریان های داغ و خنک وجود دارد.

3. 6. 2 هدف گذاری برای حداقل تعداد واحد ها

شکل 3. 19(a) نشان می دهد که چگونه معادله هدف گذاری برای یک طرح “حداکثر بازیابی حرارتی” بکار می رود.  پینچ،  مسئله را به دو منطقه مستقل از نظر ترمودینامیک تقسیم می کند.  از آن جاییکه این مناطق مستقل هستند،  فرمول هدف گذاری باید برای هر یک به صورت مجزا بکار رود،  همانطور که نشان داده شده است (Linhoff و Hindmarsh 1983).

3. 6. 3 هدف گذاری مساحت[1]

مساحت یک مبدل حرارتی متقابل جریان[2] با استفاده از معادله زیر تعریف می شود (2. 4):

[1] Area targeting

[2] Countercurrent

3. 21 راهبرد مقاوم سازی، ترسیم شده بر روی نمودار انرژی-مساحت

4. 6. 4 انحراف از جریان متقابل خالص

الگوریتم های هدف گذاری انرژی و مساحت که تا کنون ارائه شده اند،  فرض را بر این گذاشته اند که جفت های تبادل حرارت در جریان متقابل خالص هستند.  با این حال،  همانطور که در بخش 4. 1 مشاهده خواهید کرد،  مبدل های حرارتی عملی ممکن است در جریان مورب[1]، جریان همزمان[2] (به ندرت) یا جریانی باشند که بخشی از آن مخلوط است.  بنابراین،  نیروهای پیش ران دما در طول جفت ممکن است کمتر از سطوح پیش بینی شده باشند.

[1] Cross flow

[2] Concurrent flow

3. 6. 5 هدف گذاری تعداد بدنه ها[1]

برای مبدل های بدنه و لوله[2]،  تعداد بدنه های مورد نیاز ممکن است بیشتر از حداقل تعداد واحد ها باشد،  به دو دلیل:

1. مساحت لازم برای یک مبدل حرارتی ممکن است به شکل نامناسبی بزرگ باشد.

2. در داخل یک پوسته ممکن است جابجایی دمایی رخ دهد، مخصوصا اگر یک جریان مورب یا نوع “1-2” باشد.

[1] Shell targeting

[2] Tube

3. 6. 6 عملکرد سیستم های موجود

یک شبکه موجود را میتوان برای درک میزان کارامدی توزیع مساحت تبادل حرارتی آن ارزیابی نمود. این کار با استفاده از قرار دادن اهداف انرژی در برابر مساحت محاسبه شده مورد نیاز برای این اهداف صورت می گیرد (در یک  معین).  سپس می توان هدف مساحت را با مساحت واقعی استفاده شده در شبکه موجود مقایسه نمود.

3. 6. 7 تله های توپولوژی

تا به اینجا،  مقادیر مختلف انرژی و مساحت با  منحنی های صاف بوده اند و یک خطای جزئی تاثیر مهمی بر نتایج نخواهد داشت.  با این حال،  در جایی که اهداف انرژی، مساحت مورد نیاز و شبکه بهینه به طور زیادی در یک   بحرانی تغییر می کند ، احتمال وجود یک ناپیوستگی شدید وجود دارد.  این “تله های توپولوژی” نخستین بار توسط Tjoe و Linnhoff (1986) شناسایی شدند.  این تله ها توسط گراف های مساحت یا هزینه در برابر  آشکار می شوند.

3. 7 ابر هدف گذاری[1]: هدف گذاری هزینه برای بهینه

4. 7. 1 توازی[2] در انتخاب

ما اهداف انرژی برای یک  معین را محاسبه می کنیم اما اگر مقدار انتخابی ما برای  اشتباه باشد چه می شود؟ برای یک  متفاوت، حضور جریان ها در پینچ ممکن است تغییر کند ،  و ما می توانستیم جفت های پینچ متمایز و شبکه مبدل حرارتی کاملا متفاوتی داشته باشم.  چگونه می توانیم  بهینه را پیدا کنیم؟

[1] Super targeting

[2] Trade offs

3. 7. 2 تشریح مثال دو جریانی

ما از مثال دو جریانی بخش 2. 1. 1 استفاده می کنیم،  زیرا ساده ترین محاسبات را برای تشریح نکات کلیدی دراختیار ما قرار می دهد. شکل 3. 24 مساحت محاسبه شده برای مبدل های حرارتی (i) و مبدل های حرارتی به اضافه گرم کننده ها و خنک کننده ها (ii) در مثال دو جریانی،  به همراه یوتیلیتی داغ مصرف شده را نشان می دهد.  ضرایب انتقال حرارت در کل طرح kw/ 100 در نظر گفته شده است،  و دمای دمای یوتیلیتی ها 250 درجه سلسیوس برای بخار،  و 20 درجه سلسیوس برای آب خنک کننده می باشد. مفهوم را به مرزهای آن می رسانیم،  در یک  صفر،  به یک مبدل حرارتی بی نهایت بزرگ نیاز است که بی نهایت هزینه در پی خواهد داشت.

3. 7. 3 عوامل موثر بر بهینه

محاسبات تا چه میزان حساس هستند؟ شکل 3. 26 نمودار را با نموداری مقایسه می کند که ضریب انتقال حرارت کلی آن نصف شده است (با دو برابر کردن هزینه یوتیلیتی،  نصف کردن ساعات کار شده در یک سال،  یا دو برابر نمودن هزینه برای هر مساحت سطحِ مبدل حرارتی  همین اثر(نصف شدن) بدست می آید).    بهینه از 20 درجه سلسیوس برای “U=1”،  به 30 درجه سلسیوس برای “U=0. 5” تغییر نموده است، اما منحنی هنوز در این منطقه بسیار مسطح بوده، و انتخاب یک مقدار به جای دیگری تنها باعث تغییر 2 تا سه درصدی می شود،  که بسیار کمتر از محدودیت های خطایی در تخمین های مساحت و هزینه می باشد.  بنابراین،   مقدار بهینه اقتصادی نسب به تغییرات کوچک حساسیت کمی دارد.

3. 7. 4 تخمین تقریبی ایده آل

می توان از یک راه دیگر برای تخمین  در مسائلی که پینچ بسیار “شدیدی[1]” دارند استفاده کرد.  در اینجا،  تغییر در  تاثیر بسیار آشکار تری بر هزینه سرمایه ای در پینچ نسبت به هر جای دیگری در مسئله دارد.  بنابراین اگر  دو برابر شود و از 10 درجه سلسیوس به 20 درجه برسد،  تغییر در نیروهای پیش ران در پینچ 100 درصد می باشد.  با این حال،  در جاهای دور تر از پینچ که نیروهای پیش ران مثلا در بازه حدود 100 درجه سلسیوس قرار دارند،  افزایش  به میزان 10 درجه سلسیوس به معنای تنها 10 درصد افزایش در نیروی پیش ران است.

[1] Sharp

3. 8 مطالعه موردی مربوط به هدف گذاری برای تاسیسات تقطیر آلی

4. 8. 1 هدف گذاری انرژی

ابتدا،  می توانیم یک مقدار برای  تخمین بزنیم،  اجازه بدهید 20 درجه سلسیوس را انتخاب کنیم که مشابه مقادیر استفاده شده در مطالعات موردی پیشین است.

اگر نرم افزاری در اختیار داشته باشیم که قادر باشد از پس جریان هایی با CP متغیر برآید،  می توانیم اهداف انرژی دقیق را به سرعت محاسبه کنیم.  با این حال،  اگر تنها یک نرم افزار ساده ( مانند نرم افزار صفحه گسترده ای[1] که همراه این کتاب است )،  ابتدا دمای پینچ و اهداف را با استفاده از یک CP ثابت به مقدار 25 محاسبه می کنیم.  این یک خطی سازی “محتاطانه[2]” نیست،  بدلیل اینکه تاثیر آن تغییر مکان  بیشتر بار حرارتیِ جریان سرد،  به منظور کاهش دما و زیاد برآورد کردن بازیابی حرارتی ممکن است.  اهداف به میزان 4635 کیلووات یوتیلیتی داغ و 1135 کیلووات یوتیلیتی خنک مشخص می شوند،  با پینچِ موجود در دمای تغییر یافته 113 درجه سلسیوس،  که مطابق با 123 درجه سلسیوس برای جریان های داغ،  و 103 درجه سلسیوس برای جریان های سرد می باشد.  

[1] Spreadsheet

[2] Safe-side

3. 8. 2 هدف گذاری مساحت[1]

از آنجاییکه ما میزان تقریبی ضریب های انتقال حرارت فیلم را در اختیار داریم،  می توانیم مساحت تبادل حرارت مورد نیاز را در صورت در اختیار داشتن نرم افزار مناسب حساب کنیم.  برای مبدل های متقابل جریان،  مساحت حساب شده برابر با 558 متر مربع بدون عامل افزایش دهنده مساحت،  و 669 متر مربع با عامل افزایش مساحت 20 درصدی می باشد،  در حالیکه الگوریتم احمد-اسمیت میزان 605 متر مربع را به ما می دهد.  این اعداد بسیار بالاتر از مساحت فعلی به میزان 128. 5 متر مربع می باشند،  بنابراین،  واضح است که هزینه سرمایه ای قابل توجهی برای دستیابی به هدف بازیابی حرارتی مورد نیاز است.

[1] Area targeting

3. 8. 3 هدف گذاری هزینه[1]

داده های مربوط به هزینه یوتیلیتی،  هزینه مبدل حرارتی و تعداد ساعات کاری در سال در بالا داده شده بود و هزینه یوتیلیتی داغ و خنک را می توان از اطلاعات موجود در بخش 3. 2. 4 مستقیما وارد کرد.  هنگام وارد کردن ضریب های مربوط به هزینه مبدل حرارتی،  از ترتیب درست آن ها اطمینان حاصل کنید؛ 300 = a،  0. 95 = b ، 10000 = d (5000 برای خنک کننده ها).  دمای ورودی و خروجی آب خنک کننده مشخص است و میتوان حداقل مجاورت دمایی را 10 درجه سلسیوس در نظر گفت،  دمای کوره را می توان 400 درجه سلسیوس فرض نمود و زمان بازگشت هزینه را 2 سال در نظر گرفت.  ضریب های انتقال حرارت خنک کننده های و گرم کننده ها را مشابه خوراک خام/ مبدل های بالاسری در نظر میگیریم و از مقدار  kW/ 0. 2 استفاده می کنیم (این ها ضرایب کیلی هستند،  نه ضریب های فیلم).

[1] Cost targeting

3. 8. 4 هدف گذاری ناحیه ای

تا کنون ما تنها فشار جوی[1] ستون تقطیر و جریان های مرتبط با آن را در نظر گرفته ایم.  با این حال،  بخش دیگری از تاسیسات در ادامه وجود دارد.  پس مانده ی[2] ( محصول ته نشین) فشار جوی ستون تقطیر دوباره گرم می شود تا تبدیل به خوراک برای ستون دومی شود که تحت خلا[3] کار می کند.  این خوراک از طریق یک دریچه کاهش فشار وارد  شده است که باعث می شود تا بخار  به طور سریع تبخیر شود،  و بویلری وجود ندارد.  به طور مشابهی،  نفت سنگین در بخشی از مسیر رو به بالا در برج جدا شده و خنک می گردد؛ بخشی از آن به عنوان یک محصول جدا می شود و باقی ماننده دوباره به بالای برج وارد می شود و جریان بخار باقی مانده رو به بالا را با تماس مستقیم متراکم می کند.

[1] Atmospheric pressure

[2] Residue

[3] Vacuum

3. 8. 5 هدف گذاری با در نظر گفتن جریان های یوتیلیتی

نهایتا،  بگذارید سیستم های یوتیلیتی داغ و خنک مرتبط را نیز در نظر بگیریم (تنها برای واحد جوی).  سیستم آب خنک کننده به طور ساده ای حرارت را به برج های خنک کننده انتقال می دهد و کار خاصی نمی توان در اینجا انجام داد.  با این حال،  وظیفه گرمایش توسط کوره آتشی انجام می شود.  خوراک آتشدان[1] توسط گاز طبیعی و هوای احتراقی[2] تامین می شود و به شعله حرارتی بیش از 1500 درجه سلسیوس می دهد.  از آنجاییکه این حرارت به لوله های کوره آسیب می رسند،  حجم زیادی از هوای رقیق شده[3] وارد شده و دمای قسمت پایینی کوره را به 400 درجه سلسیوس می رساند.  گازهای داغ از کوره رد می شود،  خوراک خام و خشک[4] را گرم کرده و گاز خروجی از دودکش با دمای 200 درجه سلسیوس خارج می شود.  رها نمودن این گاز به صورت مستقیم نوعی اتلاف است،  

[1] Burner

[2] Combustion air

[3] Dilution air

[4] Dehydrate

3. 9 پیوست: الگوریتم هایی برای جدول مسئله و منحنی های ترکیبی

4. 9. 1 جدول مسئله و GCC

5. یک Δ سراسری را برای محاسبه انتخاب کنید.

6. Δ (یا در جایی که متفاوت است Δ  –نکته (b)) را از تمامی دماهای جریان داغ  کم کنید و Δ  (یا Δ ) را به تمامی دماهای جریان سرد  اضافه کنید تا دمای های تغییر یافته  برای هر جریان را بدست آورید. …

3. 9. 2 منحنی های ترکیبی

روش محاسبه و رسم نمودار برای جریان های ترکیبی داغ و خنک همانند جدول مسئله است:

1. لیستی از دماهای T تهیه کنید که در آن جریان های داغ شروع شده، تمام می شوند  و یا نرخ جریان ظرفیت حرارتی CP  آن ها تغییر کند.

2. لیست دما ها را با یک ترتیب نزولی مرتب کنید (پایین ترین دما در بالا).

3. در هر بازه دمایی i ، نرخ جریان  ظرفیت حرارتی تمام جریان های داغی که در آن بازه دمایی وجود دارند را با یکدیگر جمع کنید تا نرخ جریان ظرفیت حرارتی کلی برای جریان های سرد  را بدست آورید.

4. برای هر جریان را در محدوده دمایی بازه ( ) ضرب کنید تا حرارت خالص مورد نیاز برای جریان های داغ موجود در بازه را بدست آورید.

5. با شروع از یک ورودی صفر در پایین ترین دما، جدول را به سمت پایین بیاید و به تغییر دمای کلی در هر بازه دمایی  بیافزایید تا بار حرارتی تجمعی برای جریان های داغ در هر دما را بدست آورید.

6. بار حرارتی در انتهای بازه نهایی، به دلیل جریان های خنک ،  بار حرارتی کلی را به ما می دهد. نمودار فلوی حرارتی کلی (محور افقی) در برابر دمای واقعی (محور عموی) منحنی ترکیبی داغ می باشد.

7. گام های 1 تا پنچ را برای جریان های سرد تکرار کنید تا بارهای حرارتی داغ برای جریان های خنک را بدست آورید. بار حرارتی در انتهای بازه نهایی،  به دلیل جریان های خنک ،  بار حرارتی کلی را به ما می دهد.  حداقل یوتیلیتی داغ مورد نیاز  را ( که از جدول مسئله محاسبه می شود) به تمامی بارهای حرارتی در دماهای مختلف اضافه کنید (بدین ترتیب منحنی به میزان  به سمت راست جابجا می شود).  با این کار نمودار منحنی ترکیبی خنک بدست می آید که در آن فلوی حرارتی تجمعی تعدیل شده (محور افقی) در برابر دمای واقعی (محور عمودی) قرار می گیرد.

منحنی های ترکیبی تغییر یافته[1] (SCCG) با ترکیبی از جدول مسئله و روش های طرح ریزی[2] (رسم نمودار) منحنی ترکیبی ایجاد می شوند.  دما ها از دمای واقعی به دمای تغییر یافته تعدیل می شوند (مانند گام 3 در الگوریتم جدول مسئله،  و اجازه امکان تفاوت در سهم  ،  برای جریان های مختلف) اما جریان های داغ و جریان های خنک جدا در نظر گرفته می شوند.  SCC داغ باز هم نیازمند جابجایی به سمت راست به میزان  می باشد؛ پس از انجام آن، SCC های داغ و خنک باید در پینچ بسیار به هم نزدیک شوند.  اگر  برای تمامی جریان ها یکسان باشد ( و برابر با نصف  سراسری)،  SCC ها  همان منحنی های ترکیبی هستند که به میزان  جابجا شده اند.  با این حال،  در صورتی که برخی جریان ها مقادیر  متفاوتی داشته باشند،  SCC ها باید به صورت جداگانه محاسبه شوند.

در نظر داشته باشید که اگر سهم  بین جریان های مختلف متفاوت باشد،  GCC و SCC تصویر واضح تری نسبت به منحنی های ترکیبی به ما خواهند داد.

[1] Shifted composite curve

[2] Plotting