روشهای صرفه جویی انرژی در برج تقطیر
چكیده:
تقطیر فرآیندی است كه در صنایع مختلف به منظور جداسازی مورد استفاده قرار می گیرد اما با توجه به مصرف زیاد انرژی در آن، راه های گوناگون برای بهبود بازده آن پیشنهاد گردیده. در این مطالعه شكل و تركیب بندی مختلف از برج HIDiC، كه امروزه تلاش های زیادی مبنی بر عملی كردن آن انجام می گیرد، ارائه شده است. میزان صرفه جویی درانرژی در یكی از انواع این تركیب بندی برای جداسازی یك مخلوط چند جزئی، با توجه به نرخ انرژی در كشور ژاپن، نیز آورده شده است.
كلماتی كلیدی: برج تقطیر، HIDiC، صرفه جویی در انرژی، جدا سازی چند جزئی
1- مقدمه
تقطیر فرایندی است كه به طور گسترده استفاده می شود اما میزان مصرف انرژی آن بسیار زیاد می باشد. گرما برای تبخیر مخلوطی از مایع به دیگ باز جوشی اضافه می گردد و از طرف دیگر در چگالنده برای به دست آوردن جریان برگشتی از آن زدوده می شود. در واقع می توان گفت تقطیر با افزودن انرژی گرمایی به دیگ بازجوش و گرفتن آن در چگالنده به دست می آید. فرآیندهای جداسازی بزرگترین مصرف كننده های انرژی در كارخانه های صنعتی اند، لذا صرفه جوئی انرژی در این فرآیندها، مصرف انرژی كلی در صنعت را كاهش خواهد داد. برای بهبود بازده انرژی، كه در این فرآیند بسیار كم می باشد، نظرهای گوناگون در مراجع پیشنهاد شده است كه از جمله آنها تكنیك كمپرس كردن مجدد بخار می باشد[1].در این تكنیك كهVRC[1] نام دارد، بخار خروجی از بالای برج فشرده شده و سپس در دیگ باز جوش مربوط به همان برج چگالیده می شود و بدین طریق مقداری از گرمای مورد نیاز برای تولید بخار در برج تأمین می گردد. با در نظر داشتن این پدیده و بهبود آن تكنیك [2]HIDiC پیشنهاد شده است. این تكنیك اولین بار توسطMah و همكارانش در سال 1977 با نام [3]SRV اجرا گردید. این شكل از برج، انرژی كمتری نسبت به برج تقطیر عادی مصرف می كند[2].
در برج تقطیر عادی دمای بالای برج یعنی بخش جذب كمتر از دمای پایین برج یعنی بخش دفع می باشد حال اگر برج به دو قسمت تقسیم شود و با نصب كمپرسور دمای بخش جذب بالا برده شود می توان از گرمای این بخش به نفع بخش دفع استفاده كرد (HIDiC).این كار به طرق مختلف پیشنهاد شده كه در ادامه سه شكل تز آن بیان گردیده است.
2- برج HIDiC
با توجه به شكل 1 ،كه مقایسه ایست بین برج HIDiC و برج عادی،می توان مشاهده نمود كه شكل و تركیب HIDiC مشتمل بر دو برج مجزا است، ابتدا دفع و سپس جذب، فشار دو برج یكسان نبوده و در فشارهای مختلفی كار می كنند. بخار بالای برج دفع فشرده و سپس وارد انتهای برج جذب می شود. برج جذب در فشر بالاتری كار می كند كه طبیعتا دمای آن نیز بالاتر می رود: مایع پایین برج جذب نیز به عنوان خوراك، وارد برج دفع خواهد گردید. بخار خروجی از بالای برج جذب به عنوان محصول سبك، و خروجی برج دفع از قسمت پایین آن به عنوان محصول سنگین می باشد. بین دو برج به نحوی تماس ایجاد می كنند كه انرژی گرمایی برج جذب به برج دفع انتقال یابد تا بدین وسیله دمای برج جذب كم شود. لذا اكنون برای قسمت جذب، برجی با فشار بالا و دمایی رو به سوی كمتر شدن موجود است و همانطور كه می دانیم این نیز به نفع فرآیند جذب می باشد. برای برج دفع عكس اعمال فوق صادق است [3,4].
انتقال حرارت در هر مرحله از دو برج، با تماس غیر مستقیم جریان بخار داغ از بخش جذب و جریان مایع سرد از بخش دفع انجام می گیرد.
مقدار انتقال حرارت بین دو ستون می تواند متفاوت باشد، و لذا مطابق با آن میزان حرارت دیگ بازجوش نیز تغییر خواهد كرد. اگر انتقال حرارت بین دو برج اتفاق نیافتد میزان حرارت لازم در دیگ بازجوش نیز بالا خواهد رفت كه در این صورت برج معادل با برج تقطیر عادی می گردد، به عبارت دیگر HIDiC ممكن است به صورت جزیی عمل كند، این وقتی است كه انرژی لازم در دیگ بازجوش كاهش یافته است. اگر نحوه و میزان انتقال حرارت به گونه ای باشد كه میزان حرارت در دیگ بازجوش به صفر برسد یك برج ایده آل از HIDiC به وجود می آید كه در بخش بعدی شرح داده شده است.
3- برجideal HIDiC
برج تقطیر HIDiC كه ایده آل باشد، دیگ بازجوش، و چگالنده ندارد و به نحوی ساخته می شود كه بخش های مجزای آن یعنی دفع و جذب،با تماس بیكدیگر و نصب یك كمپرسور و شیر فشار شكن به آنها گرمای مورد نیاز برای جداسازی در سیستم تأمین شود.
انتظار می رود این برج تنها با صرف انرژی كمی برای بالا بردن فشار در بخش جذب، راندمان بالاتری نسبت به برج عادی داشته باشد [5]. بررسی تركیب درصد خوراك، فراریت نسبی اجزاء بر روی میزان ذخیره انرژی و میزان حرارت مورد نیاز برای جداسازی مخلوط توسط Nakaiwa و همكارانش در سال 1998 توسط شبیه سازی برج و تحلیل exergy loss آن انجام گرفته است.
برج New ideal HIDiC
همانطور كه در بخش قبلی اشاره گردید برج HIDiC به صورت ایده آل دارای دیگ بازجوش و چگالنده نمی باشد كه این خود تا حد زیادی باعث كاهش انرژی می گردد. اما باید توجه شود كه هنوز یك مبدل حرارتی برای گرم كردن خوراك و رساندن آن به شرایط ترمودینامیكی مناسب نیاز می باشد (0<q<1). از آنجا كه محصول بالای برج نسبتاً با فشار بالا و طبیعتاً دمای بالا می باشد، لذا با توجه به این پتانسیل می توان از آن برای گرم كردن خوراك استفاده كرد. همانطور كه در شكل 4 نیز نمایش داده شده، این روش تركیب بندی و شكل خاصی از برج HIDiC را به نام New ideal HIDi مطرح خواهد كرد. فرآیندی كه بدین طریق بدست می آید نسبت به سایر فرآیندهای معرفی شده بیشتر خود- حمایت كننده است و قیود كمتری به محیط اعمال می كند[4]. [7] Nakaiwa و همكارنش در سال 2000 نحوه طراحی سیستم به دو طریق پایا و دینامیك و همچنین نحوه كنترل سیستم با كنترلرهای مختلف و نیز آنالیز حساسیت روی پارامترهای مختلف در فرآیندهای HIDiC New وidealرا مورد بررسی قرار داده‌اند
بررسی میزان صرفه جویی در انرژی در سیستم HIDiC در مقایسه با برج تقطیر معمولی
این كار به طور عملی در سال 1999 برای جدا سازی بنزن-تولوئن درمقیاس نیمه صنعتی و در عملیات پیوسته طی 100 ساعت انجام و مورد تأیید قرار گرفت. اما چون مخلوط هایی كه عملاً در صنایع مورد جداسازی قرار می گیرند بیش از دو جزء می باشند، لذا این روش برای جداسازی مخلوط های چند جزئی باید مورد مطالعه و امتحان قرار می گرفت.Nakaiwa و همكارانش در سال 2005 دو مخلوط را كه اولی شامل بنزن-تولوئن- زائلن (BTX) و دیگری مخلوطی شامل 12 هیدروكربن بود را شبیه سازی كرده و صحت آن را برای برج تقطیر عادی با نرم افزار Aspen plus مقایسه نمود و پس از آنالیز حساسیت نتایجی گرفتند كه در ادامه به اختصار با آنها پرداخته شده است. آنها برای این كار از برج های با تعداد مراحل یكسان استفاده كردند. بدین ترتیب، كه برای برج HIDiC نیمی از مراحل در بخش دفع و نیمی دیگر در بخش جذب قرار بگیرد. فشار بخش دفع برای هر دو سیستم یكسان و برابر5 10* 013/1 پاسكال در نظر گرفته شد. برج HIDiC بدون جریان برگشتی و بدون چگالنده می باشد. در انتخاب پارامترهای مطلوب برای تحلیل نتایج [6] روشی را براساس Pinch Technology پیشنهاد كردند. بدین طریق كه برج HIDiC می تواند توسط پارامترهای معلوم مثل دبی جرمی، فشار، دما و تركیب درصد تحلیل گردد. اما [2] از دو دسته پارامترهای طراحی و عملیاتی استفاده كردند. در برج HIDiC ، تعداد كه مراحل N و حاصلضرب ضریب انتقال حرارت كلی در سطح مبدل در هر مرحله، UA، را به دلیل سادگیشان به عنوان متغیرهای طراحی در نظر گرفته نشده اند.
نسبت رفلاكس R و نسبت فشردگی به عنوان متغیرهای عملیاتی انتخاب گردید. این چهار متغیر با روش معین برای به دست آوردن شرایطی كه خصوصیات محصول را ببینیم تنظیم گردیدند. برای این منظور دبی محصول، و نه خلوص آن، را ثابت در نظر گرفتند. برای برج تقطیر عادی، تعداد كل سینی ها و نسبت رفلاكس به ترتیب متغیرهای طراحی و عملیاتی می باشند.
در مطالعه آنان، میزان مصرف انرژی مجموع گرمای دیگ بازجوش و میزان حرارت كمپرسور ضرب در 3 به دست آمده است:
ضریب 3 میزان حرارت كمپرسور برای تبدیل گاز به انرژی گرمایی مورد نیاز برای تولید یك مقدار انرژی الكتریكی معادل می باشد، و به طور تجربی با توجه به نرخ انرژی در ژاپن تعیین گردید.
5-1 مخلوط BTX
مثالی از جداسازی هیدروكربن های آروماتیك كه اغلب در فرآیندهای شیمیایی عملی استفاده می شود. برای رسیدن به خلوص 5/99% بنزن در بالای برج با توجه به رفلاكس 9/2 در برج عادی و و رفلاكس بیرونی صفر و نسبت فشردن 5/2 در برج HIDiC ، همانطور كه در شكل 5 نیز مشخص است، تعداد مراحل در برج عادی وHIDiC به ترتیب 30 و 48 مرحله تعیین گردید. این در حالی است كه میزان مصرف انرژی در آنها نیز به ترتیب kw 3/53 و kw 3/35 می باشد. لذا HIDiC در مقایسه با برج عادی 34% مصرف انرژی را كاهش می دهد.
در دیگر بررسی های آنان مشخص گردید كه UA با N نسبت عكس دارد. به عبارت دیگر، هر چه UA افزایش یابد N كاهش می یابد. آنان همچنین دریافتند با افزایش نسبت فشردن UA كاهش می یابد، اما از طرف دیگر میزان مصرف انرژی بالا می رود. لذا آنها كلید ذخیره انرژی برای رسیدن به خلوص مطلوب را تعیین مقدار دقیق UA و تنظیم نسبت فشردن اعلام كردند.
در این سیستم افت فشار روی صرفه جویی انرژی تأثیر كمی از خود نشان داد.
مخلوط CH12
در این سیستم نرمال پنتان با خلوص 33/84 در بالای برج به عنوان محصول مطلوب در نظر گرفته شد. چون تمام اجزاء هیدروكربن اند لذا روابط تعادل بخار- مایع برایشان بصورت ایده آل در نظر گرفته شدند. با انتخاب نسبت فشردن و UA به ترتیب پاسكال 7/1 و 33/8 تعداد مراحل لازم برای محصول مطلوب در برج عادی 60 مرحله و HIDiC 44 مرحله به دست آوردند. علاوه بر این، میزان مصرف انرژی برای آنها به ترتیب 281 و kw 136 تخمین زده شد. این مطلب گویای صرفه جویی انرژی معادل با 6/51% می باشد.
مانطور كه می توان دید، افت فشار معادل با Kpa 3/0 به عنوان مرز ظاهر می شود. اگر افت فشار كمتر یا مساوی آن باشد تركیب درصد نرمال پنتان چندان تغییر نمی كند اما مصرف انرژی با هدر رفتن فشار كاهش می یابد. از طرف دیگر، اگر افت فشار بیش از 3/0 باشد خلوص شروع به كم تر شدن می كند، اما در این حالت مصرف انرژی به مقدار كمی تغییر می كند، این نشاندهنده تأثیر بیشتر افت فشار روی این مخلوط در HIDiC نسبت به مخلوط BTX می باشد. اثر سایر پارامترها را مشابه با مخلوط BTX به دست آوردند.
6- جمع بندی
در این مطالعه تكنیك های صرفه جویی در انرژی در برج تقطیر در غالب تركیب بندی HIDiC و ideal HIDiC و Newideal HIDiC معرفی و شرح داده شد. و در انتها میزان صرفه جویی در انرژی در برج HIDiC نسبت به برج عادی برای جداسازی مخلوط چند جزئی كه توسط گروه ژاپنی بررسی شده بود ارائه گردید و مشخص شد كه برای رسیدن به تركیب درصد معین از محصول مطلوب با هدف ذخیره انرژی در این برج باید پارامترهای نسبت فشردن و UA به دقت تعیین گردند.
مراجع
[1] Stupin WJ, Lockhart FJ. Thermally coupled distillation—a case history. Chem Eng Progr ,10 /71–72/1972.
[2] Energy saving in multicomponent separation using an internally heat-integrated distillation column (HIDiC). Koichi Iwakabe , Masaru Nakaiwa , Kejin Huang , Toshinari Nakanishi , Audun Røsjorde , Takao Ohmori , Akira Endo, Takuji Yamamoto,26/1362-1368/2006.
[3] .Robert Treybal E,Mass Transfer Operation/.Third Edition
[4] M. Gadalla,_, Z¡ . Olujic´ , A. de Rijkeb, P.J. Jansens.Reducing CO2 emissions of internally heat-integrated distillation columns for separation of close boiling mixtures.ENERGY,Article In Press/2006.
[5] M.Nakaiwa,K.Huang,M.Owa .Potential energy saving in ideal heat-integrated distillation column. Applide Thermal Energy,18:1077-1087/ 1198.
[6] Mariusz Markowski, Marian Trafczynski, Krzysztof Urbaniec.Energy expenditure in the thermal separation of hydrocarbon mixtures using a sequence of heat-integrated distillation columns. Applide Thermal Energy/Article In Press/2006
[7] M. Nakaiwa , K. Huang , K. Naito , A. Endo a, M. Owa , T. Akiya ,T. Nakane a, T. Takamatsu. A new configuration of ideal heat integrated distillation columns(HIDiC).Computers and Chemical Engineering;, 24 /239-245/ 2000.
[1]- Vapor Recompression Column
[2]- Heat Integrated Distillation Column
[3]- Secondary Reflux and Vaporization
چكیده:
تقطیر فرآیندی است كه در صنایع مختلف به منظور جداسازی مورد استفاده قرار می گیرد اما با توجه به مصرف زیاد انرژی در آن، راه های گوناگون برای بهبود بازده آن پیشنهاد گردیده. در این مطالعه شكل و تركیب بندی مختلف از برج HIDiC، كه امروزه تلاش های زیادی مبنی بر عملی كردن آن انجام می گیرد، ارائه شده است. میزان صرفه جویی درانرژی در یكی از انواع این تركیب بندی برای جداسازی یك مخلوط چند جزئی، با توجه به نرخ انرژی در كشور ژاپن، نیز آورده شده است.
كلماتی كلیدی: برج تقطیر، HIDiC، صرفه جویی در انرژی، جدا سازی چند جزئی
1- مقدمه
تقطیر فرایندی است كه به طور گسترده استفاده می شود اما میزان مصرف انرژی آن بسیار زیاد می باشد. گرما برای تبخیر مخلوطی از مایع به دیگ باز جوشی اضافه می گردد و از طرف دیگر در چگالنده برای به دست آوردن جریان برگشتی از آن زدوده می شود. در واقع می توان گفت تقطیر با افزودن انرژی گرمایی به دیگ بازجوش و گرفتن آن در چگالنده به دست می آید. فرآیندهای جداسازی بزرگترین مصرف كننده های انرژی در كارخانه های صنعتی اند، لذا صرفه جوئی انرژی در این فرآیندها، مصرف انرژی كلی در صنعت را كاهش خواهد داد. برای بهبود بازده انرژی، كه در این فرآیند بسیار كم می باشد، نظرهای گوناگون در مراجع پیشنهاد شده است كه از جمله آنها تكنیك كمپرس كردن مجدد بخار می باشد[1].در این تكنیك كهVRC[1] نام دارد، بخار خروجی از بالای برج فشرده شده و سپس در دیگ باز جوش مربوط به همان برج چگالیده می شود و بدین طریق مقداری از گرمای مورد نیاز برای تولید بخار در برج تأمین می گردد. با در نظر داشتن این پدیده و بهبود آن تكنیك [2]HIDiC پیشنهاد شده است. این تكنیك اولین بار توسطMah و همكارانش در سال 1977 با نام [3]SRV اجرا گردید. این شكل از برج، انرژی كمتری نسبت به برج تقطیر عادی مصرف می كند[2].
در برج تقطیر عادی دمای بالای برج یعنی بخش جذب كمتر از دمای پایین برج یعنی بخش دفع می باشد حال اگر برج به دو قسمت تقسیم شود و با نصب كمپرسور دمای بخش جذب بالا برده شود می توان از گرمای این بخش به نفع بخش دفع استفاده كرد (HIDiC).این كار به طرق مختلف پیشنهاد شده كه در ادامه سه شكل تز آن بیان گردیده است.
2- برج HIDiC
با توجه به شكل 1 ،كه مقایسه ایست بین برج HIDiC و برج عادی،می توان مشاهده نمود كه شكل و تركیب HIDiC مشتمل بر دو برج مجزا است، ابتدا دفع و سپس جذب، فشار دو برج یكسان نبوده و در فشارهای مختلفی كار می كنند. بخار بالای برج دفع فشرده و سپس وارد انتهای برج جذب می شود. برج جذب در فشر بالاتری كار می كند كه طبیعتا دمای آن نیز بالاتر می رود: مایع پایین برج جذب نیز به عنوان خوراك، وارد برج دفع خواهد گردید. بخار خروجی از بالای برج جذب به عنوان محصول سبك، و خروجی برج دفع از قسمت پایین آن به عنوان محصول سنگین می باشد. بین دو برج به نحوی تماس ایجاد می كنند كه انرژی گرمایی برج جذب به برج دفع انتقال یابد تا بدین وسیله دمای برج جذب كم شود. لذا اكنون برای قسمت جذب، برجی با فشار بالا و دمایی رو به سوی كمتر شدن موجود است و همانطور كه می دانیم این نیز به نفع فرآیند جذب می باشد. برای برج دفع عكس اعمال فوق صادق است [3,4].
انتقال حرارت در هر مرحله از دو برج، با تماس غیر مستقیم جریان بخار داغ از بخش جذب و جریان مایع سرد از بخش دفع انجام می گیرد.
مقدار انتقال حرارت بین دو ستون می تواند متفاوت باشد، و لذا مطابق با آن میزان حرارت دیگ بازجوش نیز تغییر خواهد كرد. اگر انتقال حرارت بین دو برج اتفاق نیافتد میزان حرارت لازم در دیگ بازجوش نیز بالا خواهد رفت كه در این صورت برج معادل با برج تقطیر عادی می گردد، به عبارت دیگر HIDiC ممكن است به صورت جزیی عمل كند، این وقتی است كه انرژی لازم در دیگ بازجوش كاهش یافته است. اگر نحوه و میزان انتقال حرارت به گونه ای باشد كه میزان حرارت در دیگ بازجوش به صفر برسد یك برج ایده آل از HIDiC به وجود می آید كه در بخش بعدی شرح داده شده است.
3- برجideal HIDiC
برج تقطیر HIDiC كه ایده آل باشد، دیگ بازجوش، و چگالنده ندارد و به نحوی ساخته می شود كه بخش های مجزای آن یعنی دفع و جذب،با تماس بیكدیگر و نصب یك كمپرسور و شیر فشار شكن به آنها گرمای مورد نیاز برای جداسازی در سیستم تأمین شود.
انتظار می رود این برج تنها با صرف انرژی كمی برای بالا بردن فشار در بخش جذب، راندمان بالاتری نسبت به برج عادی داشته باشد [5]. بررسی تركیب درصد خوراك، فراریت نسبی اجزاء بر روی میزان ذخیره انرژی و میزان حرارت مورد نیاز برای جداسازی مخلوط توسط Nakaiwa و همكارانش در سال 1998 توسط شبیه سازی برج و تحلیل exergy loss آن انجام گرفته است.
برج New ideal HIDiC
همانطور كه در بخش قبلی اشاره گردید برج HIDiC به صورت ایده آل دارای دیگ بازجوش و چگالنده نمی باشد كه این خود تا حد زیادی باعث كاهش انرژی می گردد. اما باید توجه شود كه هنوز یك مبدل حرارتی برای گرم كردن خوراك و رساندن آن به شرایط ترمودینامیكی مناسب نیاز می باشد (0<q<1). از آنجا كه محصول بالای برج نسبتاً با فشار بالا و طبیعتاً دمای بالا می باشد، لذا با توجه به این پتانسیل می توان از آن برای گرم كردن خوراك استفاده كرد. همانطور كه در شكل 4 نیز نمایش داده شده، این روش تركیب بندی و شكل خاصی از برج HIDiC را به نام New ideal HIDi مطرح خواهد كرد. فرآیندی كه بدین طریق بدست می آید نسبت به سایر فرآیندهای معرفی شده بیشتر خود- حمایت كننده است و قیود كمتری به محیط اعمال می كند[4]. [7] Nakaiwa و همكارنش در سال 2000 نحوه طراحی سیستم به دو طریق پایا و دینامیك و همچنین نحوه كنترل سیستم با كنترلرهای مختلف و نیز آنالیز حساسیت روی پارامترهای مختلف در فرآیندهای HIDiC New وidealرا مورد بررسی قرار داده‌اند
بررسی میزان صرفه جویی در انرژی در سیستم HIDiC در مقایسه با برج تقطیر معمولی
این كار به طور عملی در سال 1999 برای جدا سازی بنزن-تولوئن درمقیاس نیمه صنعتی و در عملیات پیوسته طی 100 ساعت انجام و مورد تأیید قرار گرفت. اما چون مخلوط هایی كه عملاً در صنایع مورد جداسازی قرار می گیرند بیش از دو جزء می باشند، لذا این روش برای جداسازی مخلوط های چند جزئی باید مورد مطالعه و امتحان قرار می گرفت.Nakaiwa و همكارانش در سال 2005 دو مخلوط را كه اولی شامل بنزن-تولوئن- زائلن (BTX) و دیگری مخلوطی شامل 12 هیدروكربن بود را شبیه سازی كرده و صحت آن را برای برج تقطیر عادی با نرم افزار Aspen plus مقایسه نمود و پس از آنالیز حساسیت نتایجی گرفتند كه در ادامه به اختصار با آنها پرداخته شده است. آنها برای این كار از برج های با تعداد مراحل یكسان استفاده كردند. بدین ترتیب، كه برای برج HIDiC نیمی از مراحل در بخش دفع و نیمی دیگر در بخش جذب قرار بگیرد. فشار بخش دفع برای هر دو سیستم یكسان و برابر5 10* 013/1 پاسكال در نظر گرفته شد. برج HIDiC بدون جریان برگشتی و بدون چگالنده می باشد. در انتخاب پارامترهای مطلوب برای تحلیل نتایج [6] روشی را براساس Pinch Technology پیشنهاد كردند. بدین طریق كه برج HIDiC می تواند توسط پارامترهای معلوم مثل دبی جرمی، فشار، دما و تركیب درصد تحلیل گردد. اما [2] از دو دسته پارامترهای طراحی و عملیاتی استفاده كردند. در برج HIDiC ، تعداد كه مراحل N و حاصلضرب ضریب انتقال حرارت كلی در سطح مبدل در هر مرحله، UA، را به دلیل سادگیشان به عنوان متغیرهای طراحی در نظر گرفته نشده اند.
نسبت رفلاكس R و نسبت فشردگی به عنوان متغیرهای عملیاتی انتخاب گردید. این چهار متغیر با روش معین برای به دست آوردن شرایطی كه خصوصیات محصول را ببینیم تنظیم گردیدند. برای این منظور دبی محصول، و نه خلوص آن، را ثابت در نظر گرفتند. برای برج تقطیر عادی، تعداد كل سینی ها و نسبت رفلاكس به ترتیب متغیرهای طراحی و عملیاتی می باشند.
در مطالعه آنان، میزان مصرف انرژی مجموع گرمای دیگ بازجوش و میزان حرارت كمپرسور ضرب در 3 به دست آمده است:
ضریب 3 میزان حرارت كمپرسور برای تبدیل گاز به انرژی گرمایی مورد نیاز برای تولید یك مقدار انرژی الكتریكی معادل می باشد، و به طور تجربی با توجه به نرخ انرژی در ژاپن تعیین گردید.
5-1 مخلوط BTX
مثالی از جداسازی هیدروكربن های آروماتیك كه اغلب در فرآیندهای شیمیایی عملی استفاده می شود. برای رسیدن به خلوص 5/99% بنزن در بالای برج با توجه به رفلاكس 9/2 در برج عادی و و رفلاكس بیرونی صفر و نسبت فشردن 5/2 در برج HIDiC ، همانطور كه در شكل 5 نیز مشخص است، تعداد مراحل در برج عادی وHIDiC به ترتیب 30 و 48 مرحله تعیین گردید. این در حالی است كه میزان مصرف انرژی در آنها نیز به ترتیب kw 3/53 و kw 3/35 می باشد. لذا HIDiC در مقایسه با برج عادی 34% مصرف انرژی را كاهش می دهد.
در دیگر بررسی های آنان مشخص گردید كه UA با N نسبت عكس دارد. به عبارت دیگر، هر چه UA افزایش یابد N كاهش می یابد. آنان همچنین دریافتند با افزایش نسبت فشردن UA كاهش می یابد، اما از طرف دیگر میزان مصرف انرژی بالا می رود. لذا آنها كلید ذخیره انرژی برای رسیدن به خلوص مطلوب را تعیین مقدار دقیق UA و تنظیم نسبت فشردن اعلام كردند.
در این سیستم افت فشار روی صرفه جویی انرژی تأثیر كمی از خود نشان داد.
مخلوط CH12
در این سیستم نرمال پنتان با خلوص 33/84 در بالای برج به عنوان محصول مطلوب در نظر گرفته شد. چون تمام اجزاء هیدروكربن اند لذا روابط تعادل بخار- مایع برایشان بصورت ایده آل در نظر گرفته شدند. با انتخاب نسبت فشردن و UA به ترتیب پاسكال 7/1 و 33/8 تعداد مراحل لازم برای محصول مطلوب در برج عادی 60 مرحله و HIDiC 44 مرحله به دست آوردند. علاوه بر این، میزان مصرف انرژی برای آنها به ترتیب 281 و kw 136 تخمین زده شد. این مطلب گویای صرفه جویی انرژی معادل با 6/51% می باشد.
مانطور كه می توان دید، افت فشار معادل با Kpa 3/0 به عنوان مرز ظاهر می شود. اگر افت فشار كمتر یا مساوی آن باشد تركیب درصد نرمال پنتان چندان تغییر نمی كند اما مصرف انرژی با هدر رفتن فشار كاهش می یابد. از طرف دیگر، اگر افت فشار بیش از 3/0 باشد خلوص شروع به كم تر شدن می كند، اما در این حالت مصرف انرژی به مقدار كمی تغییر می كند، این نشاندهنده تأثیر بیشتر افت فشار روی این مخلوط در HIDiC نسبت به مخلوط BTX می باشد. اثر سایر پارامترها را مشابه با مخلوط BTX به دست آوردند.
6- جمع بندی
در این مطالعه تكنیك های صرفه جویی در انرژی در برج تقطیر در غالب تركیب بندی HIDiC و ideal HIDiC و Newideal HIDiC معرفی و شرح داده شد. و در انتها میزان صرفه جویی در انرژی در برج HIDiC نسبت به برج عادی برای جداسازی مخلوط چند جزئی كه توسط گروه ژاپنی بررسی شده بود ارائه گردید و مشخص شد كه برای رسیدن به تركیب درصد معین از محصول مطلوب با هدف ذخیره انرژی در این برج باید پارامترهای نسبت فشردن و UA به دقت تعیین گردند.
مراجع
[1] Stupin WJ, Lockhart FJ. Thermally coupled distillation—a case history. Chem Eng Progr ,10 /71–72/1972.
[2] Energy saving in multicomponent separation using an internally heat-integrated distillation column (HIDiC). Koichi Iwakabe , Masaru Nakaiwa , Kejin Huang , Toshinari Nakanishi , Audun Røsjorde , Takao Ohmori , Akira Endo, Takuji Yamamoto,26/1362-1368/2006.
[3] .Robert Treybal E,Mass Transfer Operation/.Third Edition
[4] M. Gadalla,_, Z¡ . Olujic´ , A. de Rijkeb, P.J. Jansens.Reducing CO2 emissions of internally heat-integrated distillation columns for separation of close boiling mixtures.ENERGY,Article In Press/2006.
[5] M.Nakaiwa,K.Huang,M.Owa .Potential energy saving in ideal heat-integrated distillation column. Applide Thermal Energy,18:1077-1087/ 1198.
[6] Mariusz Markowski, Marian Trafczynski, Krzysztof Urbaniec.Energy expenditure in the thermal separation of hydrocarbon mixtures using a sequence of heat-integrated distillation columns. Applide Thermal Energy/Article In Press/2006
[7] M. Nakaiwa , K. Huang , K. Naito , A. Endo a, M. Owa , T. Akiya ,T. Nakane a, T. Takamatsu. A new configuration of ideal heat integrated distillation columns(HIDiC).Computers and Chemical Engineering;, 24 /239-245/ 2000.
[1]- Vapor Recompression Column
[2]- Heat Integrated Distillation Column
[3]- Secondary Reflux and Vaporization
