مقدمه
مشکل رسوب از زمان پیدایش اولین مبدلها تا به امروز وجود داشته است[1]. از زمان انقلاب صنعتی و در تولید بخار توسط زغال سنگ این مشکل وجود داشته که در عمل به صورت ایجاد رسوب در جوش آورها نمایان می شد و علت آن وجود املاح و نمک در آب بوده است و در نتیجه آن دمای جوش آور برای تولید بخار می بایست افزایش می یافت. تا سال 1920 فقط به ایجاد و استفاده از ابزارهایی برای کاهش رسوب با توجه به شرایط موجود ، بدون در نظر گرفتن یک طراحی مناسب توجه می شد. از سال 1920 تا 1935 اندازه گیری رسوب و تعیین میزان تأثیر آن بر روی ابزارهای انتقال حرارت انجام گرفت. از سال 1935 تا 1945 با مطالعات بیشتر فاکتور رسوب گرفتگی معرفی بسط و گسترش یافت. تحقیقات در مورد رسوب نفت خام در مبدلهای پیش گرم کن پالایشگاه ها تقریباً از دهه هفتاد میلادی به طور جدی آغاز و در یک دهه گذشته این تحقیقات شتاب بیشتری به خود گرفته است. امروزه برای اکثر محیط ها فاکتور رسوب گرفتگی تعیین شده و با تعریف این فاکتور در نرم افزارها ، ابزارهای انتقال حرارت طراحی و ساخته می شوند که این امر سبب کاهش هزینه ، کاهش مصرف انرژی و نیز کاهش تولید مواد آلاینده گردیده است. برای تحقق هر چه بیشتر موارد ذکر شده این تحقیقات با شدت بیشتری ادامه دارد.
اهمیت رسوب در شبکه های پیش گرم کن نفت خام رسوب گذاری در مبدلهای شبکه پیش گرم کن نفت خام یکی از بزرگترین مشکلاتی است که هزینه های بسیاری را برای صنایع پالایش نفت در بر دارد. دو اثر عمده رسوب بر عملیات پیش گرم کن ، کاهش بازیافت حرارتی و افزایش افت فشار می باشد. برای یک شبکه پیش گرم کن که روزانه 100,000 بشکه نفت خام را تحت فرآیند قرار می دهد ، افت یک درجه ای دما در اثر رسوب به طور تقریبی منجر به 40,000 دلار هزینه اضافی سوخت و تولید 750 تن دی اکسید کربن اضافی در سال خواهد شد[3]. همچنین افت فشارهای بزرگتر بار بیشتری را بر پمپها تحمیل می کند و زمانی که ظرفیت اضافی برای پمپ موجود نباشد ، منجر به تبخیر نفت خام در داخل مبدلهای حرارتی و کاهش بار عملیاتی می گردد. در نتیجه کاهش تولید مهمترین هزینه رسوب برای اکثر پالایشگاه ها می باشد. برای پالایشگاهی که روزانه 100,000 بشکه نفت خام را تحت فرآیند قرار می دهد کاهش 10 درصدی تولید بر اثر افزایش افت فشار با فرض هزینه 2 دلار بر هر بشکه برای کاهش تولید ، 20,000 دلار در روز هزینه در بر خواهد داشت. در برخی عملیات پالایشگاهی مشکل افت فشار می تواند بسیار حادتر از کاهش بازیابی حرارتی باشد. برای روشن شدن بیشتر اهمیت رسوب به ارائه برخی آمارها در این مورد پرداخته می شود.
در سال 1981 Van Nostrand مقدار هزینه رسوب برای صنایع پالایشی را به ازاء 100,000 بشکه نفت در روز حدود 1,000,000 دلار در سال محاسبه کرد که این مقدار در سال 1993 برابر با 107×3- 2 تخمین زده شد[1]. در آماری که توسط Tackery در سال 1979 منتشر شد ، کل هزینه رسوب در انگلستان سالانه 108×5- 3 پوند و در آمریکا 109×10-8 تخمین زده شد. طبق این آمار هزینه رسوب در آمریکا در سال 1993 به 109×20-15 دلار رسید. Chaudagne در سال 1992 مقدار هزینه رسوب را در صنایع فرانسه سالانه 1010×1 فرانک فرانسه برآورد نمود. در سال 1995 Panchal هزینه های رسوب در واحدهای تقطیر نفت خام در آمریکا را تا 3/1 میلیارد دلار در سال تخمین زد[3].
پس از بحث هزینه ، به بررسی جنبه های زیست محیطی رسوب پرداخته می شود. بدین منظور مطالعه ای که توسط Pugh در سال 2002 صورت گرفته ارائه می گردد[4].
ظرفیت سالانه پالایشگاههای نفت در انگلستان 91,000,000 تن در سال می باشد. کوچکترین پالایشگاه نفت که در Dundee قرار دارد دارای ظرفیت سالانه 700,000 تن و بزرگترین آن که در Fawley قرار گرفته دارای ظرفیت 15,000,000 تن در سال می باشد. با در نظر گرفتن فرضیات زیر می توان اثرات مستقیم زیست محیطی رسوب را تخمین زد:
1- ظرفیت گرمایی نفت خام TonneMJ.K 3 می باشد.
2- انرژی سوخت TonneGJ 3/44 می باشد.
3- به ازاء سوختن هر تن سوخت 9/2 تن دی اکسید کربن آزاد می شود.
4- کل افت دما در اثر رسوب در مدت دو سال C°20 ( با نرخ افت خطی C/yr°10) فرض می گردد.
کل انرژی اتلاف شده در دو سال به صورت زیر محاسبه می گردد:
91×106 × (3×106) × 20 =5.46×106 GJ
که اتلاف سالانه انرژی برابر با GJ 106×2.73 خواهد بود.
مقدار سوخت مورد نیاز برای جبران این مقدار انرژی برابر است با :
2.73×106 / 44.3 = 61.6×103 Tonne/yr
2Tonne/yr Co 103×8.871 = 9.2 × 103×61.6بنابراین میزان انتشار دی اکسید کربن در سال تقریباً 179000 تن می باشد که این آمار تنها برای کشور انگلستان می باشد.
با توجه به آمارهای ارائه شده می توان به اهمیت رسوب پی برد و تلاش هر چه بیشتر برای کاهش این آمارها لازم و حیاتی به نظر می رسد.
مکانیزم های رسوب رسوب توسط مکانیزمهای مختلفی ممکن است تشکیل گردد که هر کدام از آنها بطور کلی وابسته به عوامل خاصی می باشند. مکانیزم های تشکیل رسوب را بر اساس عامل بوجود آورنده به شش دسته می توان تقسیم نمود[2]. 1- (Precipitation fouling) رسوب ته نشینی
این مکانیزم به ته نشینی ذرات نامحلول بر سطح انتقال حرارت مربوط می شود. بعضی مواد نامحلول نظیر سولفات کلسیم ، سیلیکات منیزیم ، کربنات لیتیم و . . . خاصیت حلالیت معکوس با دما دارند و بنابراین با افزایش دما ته نشینی این مواد بر روی سطوح بسیار گرم صورت می گیرد و رسوب به صورت پوسته ای روی سطح را می پوشاند.
2- (Particulate fouling) رسوب ذره ایاین مکانیزم زمانی رخ می دهد که جامدات بسیار ریز نظیر گرد و غبار ، ماسه و . . . که در سیال فرآیندی معلق هستند ، بر اثر نیروی وزن و جاذبه بر روی سطح انتقال حرارت تجمع می یابند.
3- (Chemical reaction fouling) رسوب واکنش شیمیایی
در این فرآیند رسوب توسط واکنشهایی شیمیایی بر روی سطح انتقال حرارت تشکیل می شود. پلیمریزاسیون ، کراکینگ و تشکیل کک توسط هیدروکربن ها مثال هایی از این نوع رسوب می باشند. در این فرآیند خود ماده تشکیل دهنده سطح بعنوان واکنش دهنده عمل نمی نماید.
(Corrosion fouling) رسوب خوردگی-4
همانگونه که از اسم آن مشخص است سطح انتقال حرارت واکنش می دهد تا محصولات به هم چسبیده خوردگی بر روی سطح تولید گردد. این محصولات به نوبه خود ممکن است تماس دیگر مواد رسوب دهنده را تشدید کنند.
(Biological fouling) رسوب بیولوژیکی -5
این نوع رسوب مربوط به ارگانیسم های بیولوژیکی می باشد که به سطح انتقال حرارت می چسبند. این مکانیزم بیشتر در سیستم های آبی که تفاوت دمای بین سیستم و محیط چندان زیاد نیست نظیر سیستم های خنک کننده آب و سیستم های چرخشی ، اتفاق می افتد. در این نوع رسوب لجن های چسبنده نیز ممکن است تولید گردد که باعث چسبیدن ذرات دیگر به این مواد می شوند.
(Freezing fouling) رسوب یخی-6
این نوع رسوب به دنبال جامد سازی یک مایع یا بعضی از اجزای آن بر یک سطح انتقال حرارت بسیار سرد صورت می گیرد.
رسوب در شبکه های پیش گرم کن نفت خام توسط مکانیزم های مختلفی ممکن است تشکیل گردد اما معمولاً در ابتدای شبکه و قبل از واحد نمک زدایی مکانیزم های نوع اول و دوم و بعد از واحد نمک زدایی و در انتهای گرم شبکه پیش گرم کن مکانیزم واکنش شیمیایی دارای اهمیت بیشتری می باشند.
عوامل مؤثر بر رسوب دو عامل در تشکیل رسوب در مبدلهای حرارتی نقش اساسی دارند[2]. اولین عامل دما می باشد.
افزایش دمای فیلم یا دیواره در مبدل سبب تشدید مکانیزم تولید رسوب که عمدتاً در مبدلهای شبکه پیش گرم کن از نوع واکنش شیمیایی می باشد ، می گردد.

فهرست مطالب

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….1

اهمیت رسوب در شبکه های پیش گرم کن نفت خام…………………………………………………………………….1

مکانیزم های رسوب ………………………………………………………………………………………………………….3

عوامل مؤثر بر رسوب …………………………………………………………………………………………………………4

راههای کاهش رسوب گرفتگی…………………………………………………………………………………………….5

فصل اول: روشهای اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی

1- 1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………….7
1- 2- هدفیابی در پروژه های اصلاحی………………………………………………………………………………………8
1- 3- اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی بر اساس ضریب انتقال حرارت ثابت ……………………………………………. 12
1- 3- 1- هدفگذاری بر اساس ضریب انتقال حرارت ثابت………………………………………………………………….12
1- 3- 2- طراحی اصلاحی بر اساس ضریب انتقال حرارت ثابت …………………………………………………………17
1- 4- اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی براساس افت فشار ثابت…………………………………………………………. 21
1- 4- 1- اهمیت بررسی افت فشار در شبکه مبدلهای حرارتی …………………………………………………………22
1- 4- 1-1- روابط افت فشار برای مبدلهای پوسته و لوله ای ……………………………………………………………. 23
1- 4- 1-2- محاسبه حداقل سطح مورد نیاز شبکه بر مبنای افت فشارهای مجاز ……………………………………. 24
1- 4- 2- هدفگذاری شبکه مبدلهای حرارتی بر اساس افت فشار ثابت…………………………………………………..27
1- 4- 3- طراحی اصلاحی شبکه مبدلهای حرارتی براساس افت فشار ثابت ……………………………………………28
1- 4- 3-1- تحلیل مسأله باقیمانده بر اساس افت فشار ثابت …………………………………………………………… 28
1- 4- 3-2- محاسبه افت فشار ایده آل هر مبدل…………………………………………………………………………… 29
1-.5- اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی به منظور رفع گلوگاههای حاصل از افزایش ظرفیت………………………………. 31
1- 5- 1- روش هدفگذاری برای رفع گلوگاه…………………………………………………………………………………….32
1- 5- 2- محدودیتهای افت فشار ……………………………………………………………………………………………..33
1- 5- 3- محدودیتهای بار کوره…………………………………………………………………………………………………35

2- فصل دوم: بررسی تأثیر رسوب بر اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی

2-1- معرفی شبکه پیش گرم کن پالایشگاه تهران………………………………………………………………………… 39
2- 2- تأثیر رسوب بر سطح حرارتی مورد نیاز شبکه………………………………………………………………………. 44
2-.3- تأثیر رسوب بر میزان سرمایه گذاری و هزینه انرژی ……………………………………………………………….. 46

فصل سوم: مدلهای حرارتی و هیدرولیکی رسوب

3-.1- مدلهای حرارتی رسوب ……………………………………………………………………………………………… 52
3- 1- 1- مدلهای آستانه رسوب……………………………………………………………………………………………..54
3-.2- مدلهای افت فشار …………………………………………………………………………………………………… 56
3- 2- 1- مدل A : اثر کاهش مجرای عبور جریان ……………………………………………………………………….. 60
3- 2- 2- مدل B : رسوب زبر …………………………………………………………………………………………….. 61
3- 2- 3- مدل C : گرفتگی لوله ………………………………………………………………………………………….. 63

فصل چهارم: اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن نفت خام

4-.1- منحنی نیروی محرکه دمایی اصلاح شده…………………………………………………………………………….. 67
4-.2- اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن پالایشگاه تهران ……………………………………………………… 70
4- 2- 1- اثرات حرارتی و هیدرولیکی رسوب بر شبکه پیش گرم کن ………………………………………………………70
4- 2- 2- شناسایی مبدلهای با نرخ رسوب گذاری بالا ………………………………………………………………………75
4- 2- 3- اصلاح شبکه پیش گرم کن از طریق اصلاح مبدل………………………………………………………………….80

4- 2- 4- اصلاح شبکه پیش گرم کن از طریق تغییر ساختار شبکه ……………………………………………………….82
4- 2- 5- ارزیابی اقتصادی شبکه های اصلاح شده …………………………………………………………………………85

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری …………………………………………………………………………………………………………… 89
5- 2- پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………… 90
منابع………………………………………………………………………………………………………………………….. 92

فهرست علائم……………………………………………………………………………………………………………… 94
پیوستها …………………………………………………………………………………………………………………… 97

فهرست اشکال

شکل 1-1 منحنی سطح حرارتی برحسب انرژی………………………………………………………………………….9

شکل 1-2 مسیر عملی برای پروژه های اصلاح……………………………………………………………………………10

شکل 1-3 مسیرهای متعدد برای اصلاح شبکه و بهترین مسیر اصلاح …………………………………………………11

شکل 1-4 منحنی ذخیره سازی بر حسب انرژی ………………………………………………………………………….12

شکل 1-5 منحنی اصلاح برای مقادیر 1=Δα و Δα=αexisting ………غا………………………………………………..14

شکل 1-6 منحنی نیروی محرکه دمایی ……………………………………………………………………………………..20

شکل 1-7 ارتباط میان توزیع سطح و سطح تماس در هر مبدل ……………………………………………………………26

شکل 1-8 تعیین افت فشارهای ایده آل برای یک مبدل ……………………………………………………………………..30

شکل 1-9 منحنی سطح – انرژی برای شبکه افزایش ظرفیت یافته ……………………………………………………….33

شکل 2-1 دیاگرام شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن پالایشگاه نفت تهران …………………………………………..40

شکل 2-2 دیاگرام پنجره ای شبکه پیش گرم کن پالایشگاه تهران…………………………………………………………..41

شکل 2-3 منحنی مرکب گرم و سرد شبکه ………………………………………………………………………………….44

شکل 2-4 منحنی اصلاح شبکه در دو حالت Rf=0 m2K/W و Rf=0.0001 m2K/W……….ا……………………………46

شکل 2-5 چگونگی افزایش سطح با افزایش مقدار رسوب…………………………………………………………………..46

شکل 2-6 منحنی سرمایه گذاری-صرفه جویی سالانه برای شبکه پیش گرم کن در دو حالت
Rf=0 m2K/W و Rf=0.0001 m2K/W…………ا……………………………………………………………………………….48

شکل 2-7 چگونگی افزایش میزان سرمایه گذاری مورد نیاز با افزایش مقدار رسوب ……………………………………….50

شکل 3-1 شماتیک ساده رسوب داخل لوله………………………………………………………………………………………58

شکل 3-2 اثر کاهش مجرای عبور جریان بر عدد بدون بعد رسوب …………………………………………………………….61

شکل 3-3 رفتار ترموهیدرولیکی پیش بینی شده توسط مدلهای افت فشار A و B………..ا……………………………….62

شکل 3-4 مقایسه روابط ترموهیدرولیکی ارائه شده برای یک حالت خاص …………………………………………………..65

شکل 4-1 منحنی نیروی محرکه دمایی اصلاح شده…………………………………………………………………………….68

شکل 4-2- الف) عملکرد حرارتی و هیدرولیکی مبدلهای شبکه پیش گرم کن بر اثر رسوب (E1-
E5)………ا……………………………………………………………………………………………………………………………73
شکل 4-2- ب) عملکرد حرارتی و هیدرولیکی مبدلهای شبکه پیش گرم کن بر اثر رسوب (E6-
E11)………ا…………………………………………………………………………………………………………………………..73
شکل 4-3 نتایج حاصل از شبیه سازی شبکه پیش گرم کن در دوره دو ساله………………………………………………..74
شکل 4-4 بازیابی حرارتی شبکه پیش گرم کن در دوره عملیاتی دو ساله…………………………………………………..75
شکل 4-5 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E1…ا………………………………………………………………………….76
شکل 4-6 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E2…..ا………………………………………………………………………..77
شکل 4-7 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E3…..ا………………………………………………………………………..77
شکل 4-8 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E4….ا………………………………………………………………………..77
شکل 4-9 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E5…ا………………………………………………………………………….78
شکل 4-10 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E6..ا………………………………………………………………………..78
شکل 4-11 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E7……….ا………………………………………………………………….78
شکل 4-12 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E8…….ا……………………………………………………………………..79
شکل 4-13 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E9…….ا……………………………………………………………………..79 شکل 4-14 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E10………ا…………………………………………………………………..79 شکل 4-15 منحنی دمایی اصلاح شده برای مبدل E11…………….ا…………………………………………………………..80

شکل 4-16 شبیه سازی عملکرد شبکه اصلاح شده از طریق اصلاح مبدل …………………………………………………..82

شکل 4-17 منحنی نیروی محرکه دمایی برای شبکه پیش گرم کن نفت خام ………………………………………………83

شکل 4-18 عملکرد حرارتی و هیدرولیکی شبکه اصلاح شده با تغییر در ساختار …………………………………………..84

فهرست جداول
جدول 2-1 مشخصات جریانهای فرآیندی شبکه پیش گرم کن پالایشگاه تهران……………………………………………….42

جدول 2-2 مشخصات جریانهای سمت پوسته مبدلهای حرارتی ……………………………………………………………..43

جدول 2-3 مشخصات جریانهای سمت لوله مبدلهای حرارتی ……………………………………………………………….43 جدول2-4 مقادیر سطح تبادل حرارت مورد نیاز برای اصلاح شبکه درΔTmin های مختلف ………………………………..45

جدول 2- 5 مقادیر میزان سرمایه گذاری و صرفه جویی سالانه در هزینه انرژی در دو حالت m2K/W 0=Rf و Rf=0.0001 m2K/W ….ا……………………………………………………………………………………………………………………………….48

جدول 2-6 مقادیر سطح تبادل حرارت و سرمایه گذاری مورد نیاز برای اصلاح شبکه به ازای افزایش 10 ، 20 ، 35 و 50 درصدی ضرایب رسوب ………………………………………………………………………………………………………………..49

جدول 4-1 مشخصات مبدلهای حرارتی شبکه پیش گرم کن پالایشگاه نفت تهران …………………………………………71

جدول 4-2 مقادیر سرعت آستانه برای مبدلهای مختلف شبکه پیش گرم کن ……………………………………………… 76

جدول 4-3 مشخصات مبدلهای اصلاح شده در شبکه پیش گرم کن ………………………………………………………….81

جدول 4-4 مشخصات مبدلهای حرارتی در شبکه اصلاح شده از طریق تغییر ساختار ………………………………………84

جدول 4-5 مقایسه شبکه اصلاح شده در دو حالت با شبکه اولیه ………………………………………………………….. 86

فصل اول
-1- مقدمه
اصلاح و بازسازی شبکه های مبدلهای حرارتی به منظور افزایش بازیابی حرارتی و صرفه جویی در مصرف انرژی بوسیله روشهای مختلف قابل انجام است که به سه دسته کلی تقسیم می شود[6]:
1- روش جستجوی کامپیوتری
2- اصلاح بوسیله بازرسی
3- روشهای مبتنی بر تکنولوزی پینچ
برای یک شبکه مبدلهای حرارتی موجود روش جستجوی کامپیوتری می تواند برای انتخاب یک شبکه با شرایط اقتصادی مناسب و با کمترین تغییرات از میان شبکه های از پیش طراحی شده استفاده گردد. این روش به سه دلیل نمی تواند چندان مؤثر واقع گردد:
• عامل شانس در رسیدن یا نرسیدن به بهترین شبکه
• محاسبات بسیار زیاد و پیچیده در شبیه سازی بعضی شبکه ها
• مشخص کردن طراحی که به صورت قابل قبولی دارای ساختار نزدیک به شبکه موجود باشد و به طور همزمان هیچ حرارتی از پینچ عبور ندهد ، مشکل می باشد.
همچنین از روش اصلاح بوسیله بازرسی شبکه می توان به منظور ذخیره سازی انرژی در یک واحد استفاده نمود. در این روش میتوان با انجام سرمایه گذاری و افزایش سطح جدید ، به میزان بازیابی حرارتی و در نتیجه ذخیره سازی بیشتر انرژی دست یافت. بدین منظور با افزودن مبدل جدید در انتهای سرد یا گرم شبکه مبدلهای حرارتی می توان از بار حرارتی گرم کن و خنک کن کاست. در این روش معیار خاصی برای تعیین محدوده سرمایه گذاری به منظور افزایش سطح و میزان بهینه ذخیره سازی انرژی وجود ندارد. به هر حال میزان ذخیره سازی بستگی به سقف سرمایه گذاری و زمان بازگشت سرمایه دارد. معمولاً ذخیره سازی بیشتر نیازمند سرمایه گذاری بیشتر و اغلب دوره بازگشت طولانی تر می باشد. در روشهای اصلاح بوسیله بازرسی و جستجوی کامپیوتری شبکه بدست

آمده ممکن است بهینه نباشد ، اما اصلاح بوسیله تکنولوژی پینچ یک روش قوی و قطعی می باشد کهبه کمک آن می توان شبکه موجود را به صورت بهینه ای اصلاح نمود. این روش به طور موفقیتآمیزی در صنعت مورد استفاده قرار گرفته است.
روشهای اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی بر اساس تکنولوژی پینچ شامل سه دسته می باشند:
1- اصلاح بر اساس ضریب انتقال حرارت ثابت
2- اصلاح بر اساس افت فشارهای مشخص
3- اصلاح به منظور رفع گلوگاه حاصل از افزایش ظرفیت
در قسمتهای بعد این سه روش به طور مفصل مورد بررسی قرار می گیرند.
اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی بر اساس تکنولوژی پینچ شامل سه مرحله می باشد. مرحله اول هدفگذاری می باشد که به اقتصاد عملکرد واحد و اصلاح آن برای تأمین هدف ها توجه می نماید. مرحله دوم شامل طراحی اصلاحی شبکه برای رسیدن به هدف ها می باشد و در مرحله سوم طراحی تفضیلی شبکه شامل طراحی مبدلهای حرارتی ، صورت می گیرد.
1-2- هدفیابی در پروژه های اصلاحی[6]
معیار اقتصادی هر پروژه اصلاح آنست که پروژه در یک محدوده سرمایه گذاری مشخص ما را به سمت زمان بازگشت سرمایه قابل قبولی هدایت کند. روش اصلاحی با استفاده از تکنولوژی پینچ ، طراحی را با یک مقدار ΔΤmin مشخص شروع می کند و با تعیین موقعیت نسبی منحنی مرکب و در نظر گیری اهداف هزینه های اصلاح را قبل از طراحی مشخص می کند. آنچه در مطالعات اصلاح شبکه لازم به نظر می رسد آنست که در اولین گام بتوان وضعیت شبکه موجود را نسبت به شرایط بهینه مشخص نمود. بهترین ابزار برای این کار استفاده از منحنی سطح حرارتی بر حسب انرژی می باشد. اگر مقدار ΔΤmin برای جریانهای یک شبکه مشخص باشد می توان مقادیر حداقل سطح حرارتی و حداقل انرژی مورد نیاز را قبل از طراحی مشخص نمود. بنابراین اگر این عمل برای جریانهای شبکه مورد نظر در ΔΤmin های مختلف تکرار شود و مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی محاسبه گردد ، می توان منحنی سطح بر حسب انرژی را رسم نمود (شکل1-1).

در این منحنی مقادیر حداقل انرژی و سطح حرارتی درΔΤmin مختلف برای شبکه های بهینه ارائهشده است. نظر به اینکه مقدار سطح حرارتی و مقدار مصرف انرژی شبکه موجود مشخص است بهراحتی می توان موقعیت این شبکه را در منحنی فوق مشخص ساخت. اگر موقعیت شبکه موجود که در شکل با x مشخص گردیده ، روی منحنی و یا به فاصله تقریبی 10% از منحنی قرار گیرد، شبکه موجود مناسب است و نیاز به اصلاح ندارد. اما غالباً شبکه های طراحی شده چنین نیستند و در موقعیتی دور از منحنی قرار می گیرند و باید اصلاح شوند. با فرض اینکه نقطه بهینه شبکه موجود B باشد ، لذا بهترین طرح اصلاح آنست که شبکه x را به سمت شبکه B هدایت کند زیرا هم مصرف انرژی نسبت به شبکه موجود کاهش می یابد و هم سطح حرارتی مورد نیاز شبکه کمتر می شود. اما غالباً چنین طرحی به دلیل وجود ساختمان شبکه موجود و سرمایه گذاری قبلی صورت گرفته برای سطح اضافه امکان پذیر نیست.

شکل 1-1 منحنی سطح حرارتی برحسب انرژی
در طرحهایی که هدف اساسی کاهش مصرف انرژی است ، ایده آل ترین مسیر حرکت از x به سمت نقطه A می باشد ، زیرا بدون افزایش سطح حرارتی جدید مصرف انرژی را تا حد امکان کاهش می دهد. اما نظر به اینکه کاهش مصرف انرژی بدون تغییرات در ساختار شبکه و تغییرات در ساختار شبکه بدون سرمایه گذاری (افزایش سطح حرارتی جدید) امکان پذیر نیست ، لذا چنین مسیری عملینمی باشد. حرکت از x به سمت نقاط پایین تر منحنی به دلیل افزایش مصرف انرژی چندان موردتوجه نمی باشد ، زیرا عمدتاً هدف اساسی کاهش مصرف انرژی است و سطحی را که قبلاً سرمایه گذاری شده است ، نمی توان بدون استفاده رها کرد. بنابراین همانطور که در شکل 1-2 نشان داده شده است ، تنها مسیر امکان پذیر ، عملی و سودمند مسیری است که از x به سمت نقاط بالاتر از A روی منحنی میل کند ، ولی چنین مسیری منحصر به فرد نیست و همانگونه که در شکل 1-3 نشان داده شده است ، مسیرهای متعددی را برای اصلاح شبکه می توان در نظر گرفت. تعیین موقعیت بهترین مسیر مشکل است و برای این کار باید پارامترهایی از قبیل سلاختمان شبکه ، جنس و فشار عملیاتی مبدلها و دیگر پارامترهای عملیاتی مورد توجه قرار بگیرد. اعمال اثر برخی از این پارامترها ممکن است ، اما در نظر گرفتن بعضی از آنها امکان پذیر نیست.

فصل دوم
در این بخش برای نشان دادن اهمیت رسوب در شبکه های پیش گرم کن به بررسی تأثیر رسوب گرفتگی مبدلهای حرارتی بر هزینه های سرمایه گذاری مورد نیاز و همچنین میزان صرفه جویی در مصرف انرژی به منظور اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن نفت خام پرداخته خواهد شد.
همانگونه که می دانیم ، تشکیل رسوب در مبدل حرارتی یک شبکه سبب ایجاد یک مقاومت حرارتی می گردد که ضریب انتقال حرارت کلی را کاهش می دهد و در نتیجه سبب افزایش سطح انتقال حرارت مورد نیاز می گردد. افزایش رسوب با گذشت زمان سبب کاهش عملکرد مبدل می گردد ، در نتیجه جریانهای موجود به دمای مطلوب خروجی نمی رسند. به این ترتیب کارآیی مبدل و در نتیجه کارآیی کل شبکه کاهش پیدا می کند و مصرف انرژی های خارجی افزایش می یابد.
به منظور بررسی تأثیر رسوب بر اصلاح شبکه مبدلهای حرارتی ابتدا باید ضرایب رسوب گرفتگی را در محاسبه حداقل سطح انتقال حرارت مورد نیاز شبکه وارد نمود.
برای محاسبه حداقل سطح انتقال حرارت مورد نیاز شبکه پیش از طراحی می توان از رابطه زیر استفاده نمود[7]:
Interval jh jc
Amin = ∑ LMTD i (∑ qhijj +∑ qhijj ) (1-2)
i j j
مقدارhj در این رابطه بر مبنای ضریب انتقال حرارت تمیز1 جریانها می باشد که می توان آن را بر مبنای ضریب انتقال حرارت کثیف جریان نوشت:
h hj = 1 + hcc jR f (2-2)
j j
ضریب انتقال حرارت تمیز جریانj ام :hc j مقاومت رسوب جریانj ام :Rf j
در این رابطه مقدار تقریبی Rf را می توان از مقادیر موجود در مراجع مختلف نظیر استاندارد TEMA استخراج
پس از محاسبه سطح تبادل حرارت مورد نیاز شبکه با در اختیار داشتن اطلاعات شبکه موجود و همچنین رابطه هزینه یک مبدل حرارتی و هزینه های انرژی گرمایش و سرمایش خارجی شبکه ، مقادیر میزان سرمایه گذاری مورد نیاز و صرفه جویی در مصرف انرژی را محاسبه نمود.
در ادامه تأثیر رسوب بر هزینه های سرمایه گذاری و صرفه جویی سالانه در هزینه انرژی برای اصلاح شبکه پیش گرم کن نفت خام پالایشگاه تهران مورد بررسی قرار می گیرد.
2-1- معرفی شبکه پیش گرم کن پالایشگاه تهران
شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن واحد تقطیر پالایشگاه نفت وظیفه تبادل حرارت بین نفت خام ورودی و محصولات گرم خروجی از واحد تقطیر را برعهده دارد. شکل 2- 1 شبکه مبدلهای حرارتی پیش گرم کن برج تقطیر اتمسفریک پالایشگاه نفت تهران را نشان می دهد که در آن 11 مبدل حرارتی پوسته و لوله ای تبادل حرارت بین جریانهای گرم و سرد را انجام می دهند[22]. نفت خام با دمای 32 درجه وارد شبکه گردیده و پس از تبادل حرارت در مبدلهای E- ، E-154 ، E-105106 و E-107 به دمای 110 درجه می رسد. سپس به دوشاخه 40% و 60% تقسیم شده و با مبدلهای E-182 ، E-156 ، E-155 و E-157 تبادل حرارت نموده و به دمای 216 درجه سانتیگراد می رسد. در مرحله بعد نفت خام وارد محفظه فلش شده ، 10% آن مستقیماً به صورت گاز به برج تقطیر رفته و بقیه پس از تبادل حرارت با جریانهای گرم در مبدلهای E-184 ، E-159 و E-158 به دمای 244 درجه سانتیگراد می رسد. چون نفت خام در این مرحله به دمای مورد نیاز برای ورود به برج تقطیر نرسیده ، وارد کوره شده و تا 360 درجه سانتیگراد گرم می شود و سپس وارد برج تقطیر می گردد.
مشخصات جریانهای فرآیندی گرم و سرد شبکه پیش گرم کن پالایشگاه تهران در جدول 2-1 آورده شده است. همچنین در جداول 2- 2 و 2- 3 مشخصات جریانهای سمت پوسته و لوله مبدلهای حرارتی داده شده است.

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان