« فصل دوم »
« مروری بر کارهای گذشته»
2-1- مروری بر کارهای گذشته
یکی از کاربرد های کولرهای هوایی خنک سازی بخار آب و تبدیل آن به کندانس می باشد [7]. می یر و کروگر [8] تاثیر هندسه مبدل بر روی تلفات جریان هوای ورودی در فن را بررسی کردند. آنها عنوان کردند که هندسه مبدل فقط شامل جزئیات مربوط به لوله های پره دار فن نیست بلکه جهت سطوح پره ها نسبت به جریان هوای ورودی نیز در زاویه برخورد هوای ورودی به مبدل موثر است. مشاهده شده است که تلفات جریان هوای ورودی مستقل از میانگین سرعت هوا در طول مبدل است. تلفات جریان هوای ورودی با کاهش زاویه برخورد هوای ورودی افزایش می یابد. جهت سطح پره های مبدل بر روی تلفات جریان هوای ورودی تاثیر میگذارد و اصولا تابع پروفایل سطح متقاطع لوله ها ی پره دار است. معادله ای بر پایه نتایج آزمایشگاهی برای محاسبه تلفات جریان هوای ورودی مبدل فرمول بندی شده است. همچنین نشان داده شده است که جزئیات هندسه لوله های پره دار مبدل و ساختمان فن هوایی می تواند روی تلفات جریان هوای ورودی تاثیر بگذارد.فن هوایی وسیله ای است که انتقال گرما از سیال فرآیندی به هوای اطراف را آسان میکند.نوع دمنده آن شامل چند ردیف از لوله های پره دار و محرک هوا است که معمولا هوای اطراف را به صورت محوری به سطح لوله های پرهدار می فرستد.سیال فرآیندی گرم که در لوله های پره دار جریان داردخنک می شود. فن های دمنده در گذشته برای کندانس سازی در واحدهای پالایشگاهی به کار برده می شدند[9و10] که تعداد زیادی از این واحدها از آرایش V شکل لوله ها استفاده می کردند. استفاده از این آرایش در جایی که زاویه نیم راس θ کوچک است، باعث افزایش تلفات جریان هوای ورودی می شود[11]. این افزایش تلفات جریان هوا باعث نگارش مقالات تئوری و آزمایشگاهی زیادی شده است. شمار زیادی از این نوشته ها توجه خود را بر روی تلفات جریان هوا که مربوط به جریان قسمت پایین V شکل است، معطوف داشته اند[12-15]. آن ها به این نتیجه رسیدند که تلفات جریان هوای ورودی مستقل از میانگین سرعت هوا در طول مبدل است.
داونهیج و کروگر [16] تاثیر وزش باد بر روی عملکرد یک فن را بررسی کردند.تاثیر وزش باد روی عملکرد فن و گردش هوا روی فن های دمنده در مقالات زیادی بررسی شده اند. بادها به صورت عرضی و موازی در طول لوله ها می وزند. مشاهده شده است که بادهای عرضی به طور عمده حجم هوای رسیده به بالای فن را کاهش می دهند، در حالی که بادهای طولی باعث افزایش گردش هوا در فن ها می شوند. درک کلی از زمینه های جریان و پدیده های مربوط به فن های هوایی برای طراحی بهینه از اهمیت خاصی برخوردار است. عمده ترین تلفات جریان هوا در سیستم فن ها به خوبی معلوم شده است[17]. یکی از پدیده های جریان هوا در سیستم فنها که به طور ضعیف روی آن کار شده است، تاثیر وزش باد بر روی عملکرد فن ها است. این اثر می تواند به دو گروه ضروری تقسیم شود: گروه اول ، آرایش گردش جریان است.گردش جریان وقتی رخ می دهد که قسمتی از آرایش جریان گرم در فن به قسمت ورودی برگردد.این قسمت از هوای ورودی تاثیری در نتایج مربوط به عملکرد فن ندارد.دوتیوت و کروگر [18] مقالاتی را در مورد شرایط بدون وزش باد بر روی فن ها ارائه دادند که این مقالات توسط داونهیج و کروگر [19] توسعه یافتند و روابط تجربی در مورد گردش جریان در شرایط بدون باد معرفی کردند که می تواند هندسه فن را تخمین بزند. چندین مقاله دیگر در مورد گردش جریان هوا به چاپ رسیده است. اکثر این مطالعات به صورت تجربی بر روی هندسه فن ها و شرایط عملیاتی تعیین شده انجام شدهاند[20-24].
گروه دوم تاثیر باد بر روی عملکرد فن است. در طی آزمایشات انجام شده بر روی فن ها تورنر [25] مشاهده کرد که جدایی جریان در ورودی فن به علت غالب آمدن باد است. این جدایی باعث توزیع نامناسب هوا در ورودی فن ودر نتیجه باعث کاهش عملکرد فن می شود. تاثیر باد بر روی عملکرد فن به صورت مشابهی با تاثیر ارتفاع سکوی فن بر روی عملکرد فن ظاهر می شود. اخیرا مقالات تجربی زیادی در این زمینه به وسیله داونهیج [26]چاپ شده است.
شعبانیان و همکارانش[27] مدل های تجربی و CFD مطالعه شده روی انتقال گرما، ضریب اصطکاک و عملکرد دمایی فن های هوایی مجهز به سه نوع تیوب شامل پروانه ای، کلاسیک و دندانه دار مارپیچ را بررسی کردند. نتایج نشان دادند که با به کار گیری نوع کلاسیک و دندانه دار، اختلاف بین نرخ های انتقال گرما به دست آمدند. CFD نتایجی را که برای تشریح نتایج مشاهده شده در ترم هایی با شدت آشفتگی زیاد استفاده شده اند تخمین می زند. تجربه شده است که عملکرد مبدل های گرمایی مخصوصا برای جریان های تک فازی می تواند از طریق بالا بردن مهارت ها بهبود یابد. بالا بردن مهارت ها ی انتقال گرما به دو دسته تقسیم میشوند: اول شیوه های فعال (موثر) که منبع خارجی نیرو لازم دارند. دوم شیوه های کم اثر(منفعل) که منبع خارجی لازم دارند. بعضی از مثال های کم اثر عبارتند از: ایجاد خلل و فرج [28-31]،
نوع مارپیچ [32-36].
اس جی ونتر و دی جی کروگر[37]روش های تخمین اثر سیستم در فن ها را بررسی کردند. تاثیر سیستم ناشی از بر هم کنش مقاومت های جریان بالا دستی و پایین دستی در جریان محوری روی فن ها بررسی شده اند[38]. بر همکنش بین فن و مقاومت های جریان شناخته شده اند و تعداد زیادی مقاله در این زمینه نوشته شده است[39-45]. مقالات بخش خاصی از محدوه کاربرد فن ها در صنعت را نشان می دهند. برد [46] و های و همکارانش [47] اثرهای سیستم وابسته به پوشش ها و فاصله بین رادیاتور فن در سیستم خنک کننده را نشان دادند. تاثیر سیستم وابسته به زانوها، پخش کننده ها و فشردگی ها در ورودی و خروجی فن به وسیله شمار زیادی از نویسندگان مورد بررسی قرار گرفته است [48-51]. مطالعاتی به وسیله کوری [41] و کوارد [52] روی فن ها انجام شد. اثر فضاهای اشغال شده به وسیله فن روی عملکرد فن توسط افرادی مانند لامبرت و همکارانش [53]، استون و ون [54] و راشل و بریمن [55] نشان داده شده اند. در این پروژه در ابتدا فن توسط نرم افزار Aspen B-jac طراحی شده و سپس توسط توسط الگریتم شبکه های عصبی دمای خروجی فن تخمین زده شده و راه کار مناسب جهت جلوگیری از یخ زدگی ارائه شده است.
« فصل سوم » « مبانی و روش ها» در این فصل واحد هیدروژن(واحدی که شبیه سازی برای آن انجام گرفته است) به طور خلاصه معرفی می گردد. برای شبیه سازی از دو نرم افزار Aspen B-jac و شبکه عصبی استفاده شده است که هر دوی این نرم افزارها و نحوه شبیه سازی و گرفتن داده ها در این فصل توضیح داده می شود.
3-1- معرفی واحد هیدروژن:
واحد تولید هیدروژن به منظور تولید هیدروژن با درجه خلوص 99 درصد طراحی و نصب شده است. قسمتی از هیدروژن تولیدی توسط واکنش‌های ریفرمینگ در کوره واحد از واکنش خوراک با بخار آب در دمای 710-790 سانتی گراد در حضور کاتالیست با فلز فعال نیکل روی پایه‌ی آلومینا و خالص‌سازی در 10PSA تامین می‌گردد. خوارک واحد می‌تواند گاز طبیعی، گازهای هیدروکربوری تصفیه شده در واحد آمین و یا پروپان باشد که به علت قابلیت دسترسی و استفاده آسانتر معمولاً از گاز طبیعی به عنوان خوراک استفاده می‌گردد.گازهای ناخالص خروجی از PSA حاوی هیدروژن، دی‌اکسید کربن، منواکسید کربن است که در کوره واحد مصرف می‌گردد.
3-2- شیمی فرآیند
– گوگرد زدایی خوراک : کاتالیست نیکل بر پایه آلومینا در کوره(راکتور) واحد هیدروژن نسبت به گوگرد و ترکیبات آن حساس می‌باشد. لذا باید غلظت گوگرد در خوراک ورودی به آن کمتر از PPM 1/0 می‌باشد. این کاهش غلظت گوگرد در خوراک با جذب ترکیبات گوگردی توسط کاتالیست ZNO طبق واکنش مقابل انجام می‌گیرد.
ZNO + H2S ZNS + H2O
اکسید روی بسیار فعال بوده و در برابر بخار آب بی‌اثر است سرعت واکنش تابعی از دما و فشار می‌باشد. گاز خوراک در دمای 0C 380-370 و فشار bar 23 در دو راکتور سری تصفیه گوگرد می شود.
– تبدیل با بخار آب Steam Reforming: عملیات ریفرمینگ با بخار آب به منظور تبدیل هیدروکربنهای سبک تا بوتان به CO و CO2 و H2 می‌باشد. واکنش‌ها از نوع تعادلی بوده و در حضورکاتالیست نیکل انجام می‌گیرد.
تمام واکنش‌های انجام یافته گرماگیر بوده و با افزایش دما به سمت راست هدایت می‌گردد. به همین جهت واکنش‌های ریفرمینگ با بخارآب در درون لوله های کوره که حاوی کاتالیست است انجام می‌گیرند. نسبت بخار آب به اتم کربن ورودی  Kgmol بخار اب به ازای هر کیلوگرم اتم کربن می‌باشد که بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز طبق فرمول های شیمیایی می باشد. مقدار اضافی فوق موجب هدایت واکنش‌ها به سمت راست و جلوگیری از ایجاد کک بر روی سطح کاتالیست می‌گردد.
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2
C2H6 + 2H2O 2CO + 5H2
C2H6 + 4H2O 2CO2 + 7H2
C3H8 + 3H2O 3CO + 7H2
C3H8 + 6H2O 3CO2 + 10H2
C4H10 + 4H2O 4CO + 9H2
C4H10 + 8H2O 4CO2 + 13H2
– تبدیل CO به CO2 : گازهای خروجی از قسمت ریفرمینگ حاوی مقداری CO می‌باشد که در راکتور 11H.T.S.C با حضور کاتالیست با فلز فعال بفرم (Fe3O4) طبق واکنش زیرتبدیل به CO2 می گردد.
CO + H2O CO2 + H2
واکنش فوق گرمازا می‌باشد و با کاهش دما به مقدار ممکن به سمت راست هدایت می‌گردد. واکنش تبدیل با راندمان حدود 78 درصد می‌باشد و غلظت CO خروجی باید کمتر از  mol درصد باشد.
-‌ خالص‌سازی تحت فشار توسط جذب سطحی (PSA) : مخلوط گازهای خروجی از قسمت تبدیل واحد هیدروژن نهایتاً برای خالص‌سازی و استحصال گاز هیدروژن با درجه‌ی خلوص بالا وارد ظرف PSA (محتوی لایه‌های متفاوت جذب کننده سطحی برای جذب ناخالصی‌های CO و CO2 بخار آب هستند) شده و هیدروژن تقریباً خالص خروجی به واحد هیدروکراکر تزریق می‌گردد.
3-3- شرح عملیات واحد
خوراک گازی واحد مخلوطی از گاز طبیعی به مقدار عمده و گازهای تصفیه شده با آمین به مقدار کم میباشد. البته در صورت نیاز مثلاً در زمستان‌ها مقداری پروپان هم بعد از عبور از مبدل‌ به خوراک افزوده می‌شود که این مسئله، به ندرت اتفاق می‌افتد.
خوراک ارسالی از واحد آمین بافشار bar24-22ودمای 0C 45-40 وگاز طبیعی نیز با فشار حدود
bar 24-22و با دمای 0C وارد ظرف مایع‌گیر می‌شوند. ظرف مایع‌گیر دارای تعدادی مش می باشد که ناخالصی‌ها را دریافت کرده و مایع را ته‌نشین و جداسازی می‌نماید. سطح مایع درون این ظرف توسط سیستم ابزار دقیق اندازه‌گیری شده و مایعات جمع شده در آن به صورت دستی به سیستم مشعل پالایشگاه ارسال می‌گردد. خوراک گاز خروجی از این ظرف وارد لوله مبدل حرارتی شده و توسط جریان خروجی از کوره ریفرمر تا 0C 371 گرم می‌شود. خوراک خروجی جهت گوگردزدایی از بالا وارد دوبستر کاتالیستی ZNO-DRUM که معمول اً سری هستند، می‌شود .اگر گوگرد خوراک بیشتر باشد هر دو راکتور وارد سیستم می‌شود. (ZNO
DRUM : راکتور گوگردزدایی که در حضور کاتالیست اکسید روی H2S خوراک را جذب می‌کند).
Zno + H2S Zns + H2O
کاتالیست ZNO قابل احیاء نبوده و هر کدام بعد از جذب حدود K.G 1360 گوگرد باید تعویض گردند. معمولاً ظرفی را که کاتالیست قدیمی‌تری دارد، در ابتدا قرار می‌دهند. ترتیب ظروف فوق را می‌توان با تغییر وضعیت باز و بسته بودن شیرهای ارتباطی تنظیم نمود. خوراک گازی خروجی از ZNO DRUM به دو شاخه تقسیم شده وبه کوره هدایت می‌شود و با بخار آب خشک مخلوط می‌شود.
CH4 + H2O CO + H2
CH4 + H2O CO2 + H2
کاتالیست‌ها باید هر دو سال یکبار احیاء و یا تعویض گردند.مخلوط خوراک و بخار آب از بالا وارد دو ردیف لوله (هر ردیف 90 لوله 5 اینج به طول56 /13 متر) که حاوی کاتالیست اکسید نیکل بر پایه آلومینااست می‌گردد. لوله‌ها تماماً در قسمت تشعشعی کوره قرار گرفته‌اندو در طول عبور گرمای مورد نیاز را برای واکنش ها جذب می‌نمایندو با کاتالیست نو دمای خروجی در حدود0C730 می‌باشد.
در شرایط طراحی نسبت به بخار آب به اتم کربن، kgmole 5/5 بخار آب به ازای هر کیلوگرم مول اتم کربن است. اگر نسبت فوق کم شود سبب کاهش میزان تبدیل و افزایش سرعت کک‌سازی می شود اما از نظر اقتصادی مصرف بخار زیاد به صرفه نمی‌باشد. دمای خروجی کوره با گذشت عمر کاتالیست بین 0C 790-730کنترل می‌گردد.
جریان خروجی از کوره بعد از کاهش دما تا 0C 370در یک سری مبدل با دمای بالا وارد راکتور H.T.SC می‌گردد و CO همراه آن در حضور بخار آب در حضور کاتالیزور اکسید آهن تبدیل به CO2 شده و با توجه به گرمازا بودن آن با افزایش دمای حدود 0C 38-20 براساس میزان CO از ته راکتور خارج می‌شود. علت تبدیل CO به CO2 این می‌باشد که در قسمت PSA جذب CO2 آسان‌تر می‌باشد. گازهای خروجی وارد یک مبدل شده و خوراک واحد را گرم می‌کند و سپس تا0C 170 درچند مبدل دیگر سرد می‌گردد. آب مورد نیاز مبدل از ظرف هوا زدا در Deaerator تامین می‌شود .
گازهای خروجی وارد کولر هوائی و کولر آبی شده و تا 0C 38 خنک می‌شوند و وارد ظرف جداکننده آب مقطر سرد می‌شوند. آب مقطر تولید شده به ظرف گازدار رفته و گازهای خروجی که مخلوط H2 و CO و CO2 و کمی بخار آب است به PSA ارسال می‌گردند. محصول هیدروژن خروجی از PSA به عنوان هیدروژن مورد نیاز به واحد هیدروکراکر (ISO Max) تزریق می‌گردد.
Tail Gas یا گازهای زائد12 (گازهای خروجی از PSA شامل CO و CO2 و H2O و …) خروجی از PSA با فشار حدود bar 3/0 خارج شده و سپس فشار آن افزایش یافته و به سیستم سوخت گازی پالایشگاه تزریق می‌گردد. واحدPSA برای تولید هیدروژن خالص از گازهای خروجی کوره ریفرمر طراحی شده است. هنگام کار در شرایط طراحی واحد PSA دو جریان گاز تولید خواهد کرد: هیدروژن خالص و Tail gas.
طراحی واحد براساس کارکرد]]>