وبلاگ

: پدیده های انتقال و جریان در سطوح بسیار متنوع علوم و مهندسی مشاهده می شوند. فرایندهای بسیاری در صنایع مواد شیمیایی نظیر: جذب سطحی، تبادل یون، واکنشگرهای (راکتورهای) کاتالیزوری و شیمیایی، شامل یک بستر فشرده یا براساس آن هستند و معمولا در بردارنده جریان سیالات از درون یک محیط متخلخل می باشند. برای طراحی و عملکرد عملیاتی بهتر این واحدها، به درک عمیقی از مکانیزم های کنترل کننده پدیده های انتقال درون محیط های متخلخل نیاز است. در میان جنبه های مختلفی که باید در نظر گرفته شوند، تاثیر ساختار فضای خالی، از مهمترین موارد است. تحولات اخیر در قدرت کامپیوترها و تکنیک های جدید تعیین مشخصه، استفاده از ساختار واقعی محیط متخلخل جهت مدلسازی پدیده انتقال را ممکن ساخته است. زمانی که مدل های شبکه ای به کار گرفته می شود استراتژی متفاوتی در نظر گرفته می شود. هدف اصلی این است که ساختار موضعی محیط متخلخل به کمک مجموعه ای از مولفه ها به شکل هندسی (نظیر کره، استوانه یا لوله انشعابی) نمایش داده شود تا به سادگی رفتار هیدرودینامیکی آنها توصیف شود. نوع مولفه های به کار رفته ممکن است به هندسه ذره، مشخصه های محیط متخلخل، نحوه ساخت بستر فشرده و دیگر اطلاعات تجربی و نظری مربوطه بستگی داشته باشد. هدف مدلسازی و امکان حل معادلات مدل به صورت تحلیلی یا به کمک کامپیوتر نیز در انتخاب نوع مولفه ها اهمیت دارند. این مدلها کوشش دارند میان توصیف دقیق فضای خالی درون محیط های متخلخل و تلاش لازم برای حل معادلات موازنه، توازن برقرار کنند. فصل اول کلیات پیش بینی متغیرهای فرایند، از جمله افت نهایی فشار و نرخ (سرعت) نهایی جریان، اغلب مبتنی بر انطباق های نیمه تجربی با ثابتهایی است که می بایست با داده های آزمایشگاهی مطابقت داده شوند. بالاخص معادله ارگان (Ergun) به انطباقی استاندارد تبدیل شده است؛ ولی مثال های دیگر شامل معادله کوزنی (Kozeny) برای جریان آرام صحیح است و معادله فورشیمر (Forcheimer) که در مدل بستر فشرده، فشار نسبت به جریان به صورت خطی تغییر نمی کند، برای جریان غیرخطی صحیح است. در مجموع تعمیم این انطباق ها به موقعیت های مختلف امکان پذیر نیست؛ چرا که براساس داده های تجربی هستند که برای سیستم های خاصی به دست آمده اند. همچنین مطالعه پدیده های انتقال از جمله جریان چند فازی امکان پذیر نیست چرا که در مورد ساختا ر موضعی اطلاعاتی در نظر گرفته نمی شود. در نظر گرفتن ساختار موضعی در عین اینکه باعث پیچیدگی ریاضیاتی این مدل می شود، باعث بالا رفتن کیفیت و کارائی مدل هم می شود. به خاطر ساختار اتفاقی و بسیار پیچیده بسیاری از بسترهای فشرده، مدل تقریبی ساده ای از ساختار حفره ها باید مورد بررسی قرار گیرد که این مدل باید بتواند مشخصه های اصلی انباشتگی را در قالبی که از لحاظ ریاضی قابل استفاده باشد، حفظ کند. رویکردهای مختلفی جهت مدلسازی ساختار فضای متخلخل یک بستر فشرده یا یک محیط متخلخل، با سطح پیچیدگی مختلف با بهره گرفتن از انواع اطلاعات تجربی، پیشنهاد شده اند. یک نوع از این مدل ها با تعریف نمودن سلول های اولیه – جهت بیان ساختار موضعی بستر فشرده – جریان اطراف ذرات محیط متخلخل را تشریح می کند. در ابتدا این مدل ها فرض کردند که هر ذره منفرد یک سلول را تشکیل می دهد به این صورت که حضور و تاثیر ذرات کناری از طریق عبارات تصحیحی و شرایط خاص مرزی، به حساب آورده می شود. بعدها جریان نیز با فرض ساختارهایی ساده برای بستر فشرده، مدلسازی شد. بخصوص برای فشرده سازی های منظم متشکل از کره و استوانه، به دست آوردن عبارت تحلیلی برای تشریح جریان داخل بستر فشرده، امکان پذیر است. برای بسترهای فشرده نامنظم و دیگر محیط های متخلخل، می توان برای تشریح میدان جریان از تکنیک های میانگین سازی حجم، استفاده کرد. معمولا این رویکردها در مورد جریان خطی (با مقادیر پایین عدد رینولدز)، مقادیر تخلخل بالا و زمانی که یک مدل ساده شده در محیط های متخلخل در نظر گرفته شده، قابل اعمال هستند.

ای بر روانكاری و روانكارها
1- روانکاوی
روانكاری علم تسهیل حركت نسبی سطوح در تماس با یكدیگر است. این علم به عنوان یكی از رشته های بسیار مهم در علم مهندسی شناخته می شود، به طور ی كه موفقیت بسیاری از طرح های صنعتی در گرو آگاهی از این دانش فنی خواهد بود. امروزه توسعه صنعت روانكار یک بخش مهم از توسعه صنایع ماشینی و صنایع مربوط به آن شده است. علاوه بر این، با مطرح شدن بحث های جدیدی چون بهینه سازی مصرف و حفظ منابع تجدیدناپذیر و همچنین رعایت الزامات زیست محیطی، مطالعه بر روی روانكارها جایگاه خاصی را پیدا كرده است. برای جلوگیری از فرسایش و از كارافتادگی زودرس ماشین آلات صنعتی و همچنین دسترسی به بیشترین بازده مكانیكی در حداقل زمان برنامه روانكاری مناسب جزء مهمترین شرایط مورد نیاز خواهد بود. در قرن حاضر برنامه روانكاری مناسب، یک برنامه روانكاری پایدار است كه شاید با كمی تعاریف روانكاری قدیمی متفاوت باشد.

نوع روانكار، مقدار زمان و مكان مناسب، چهار عامل مهم در عمل روانكاری هستند كه امروزه برای یک روانكاری موفق علاوه بر آن ها باید 

هزینه های نگهداری، تعمیرات، عملیات (هزینه سوخت، استهلاك، و رعایت قوانین و الزامات زیست محیطی را نیز در نظر گرفت. آمار نشان می دهد تنها با یک افزایش 1 یا 2 درصدی در هزینه برای یک روانكاری بهتر می توان حدود 15% از هزینه های اضافی یک خودرو را كاهش داد. ضمن اینكه استفاده از یک روانكار مناسب فاصله زمانی تعویض روغن برای یک خودرو را زیاد می كند كه این مسئله به حفظ محیط زیست و در نهایت حفظ منابع تجدید ناپذیر نیز كمك می كند و لذا این مسئله خود بیانگر اهمیت دانش فنی روانكارهاست.

به طور كلی به لایه های گاز، مایع و یا جامد كه میان دو سطح قرار می گیرد و یک نواختی حركات یک سطح بر روی دی گری را بهبود می بخشند و از ایجاد آسیب بر روی سطوح جلوگیری می كنند، روانكار گویند.
روانكارها كاربردهای بسیار مهمی در موتورهای احتراق داخلی، وسایل نقلیه، چرخدنده های صنعتی، كمیرسورها، توربین ها سیستم های هیدرولیک و… دارند. 90% از روانكارهای مصرفی را روغن های روانكار تشكیل می دهند كه در بین آن ها روغن های خودرو بیشترین مصرف را دارند. در حال حاضر بیش از 1700 تولید كننده روانكار در سراسر جهان وجود دارند كه حدود 200 شركت به صورت جانبی و در كنار تولیدات دیگر، تولید می كنند و حدود 1500 شركت به طور اختصاصی به تولید روانكار پرداخته اند. بیش از 60% از روانكارهای مصرفی در سراسر دنیا توسط این شركت تولید می شود. در جدول 1-1 نام 16 شركت از بزرگترین روانكارها در دنیا و در جدول 2-1 نیز نام بزرگترین تولید كنندگان روانكارهای صنعتی آمده است.

اسیدفسفریک صنعتی تولید شده با روش تر (Wet – Process) که محصول واکنش سنگ معدن فسفات و اسیدسولفوریک است، به منظور خالص سازی و به دست آوردن اسیدفسفریک در درجه های خوراکی و دارویی و… به وسیله سرمایش مستقیم کریستاله شد. بررسی های انجام شده به وسیله آزمایش نشان داد که کریستالیزاسیون مستقیم به دلیل افزایش شدید ویسکوزیته در دماهای پایین تر از (-20 درجه سانتی گراد) امکان پذیر نیست. همچنین آزمایشات نشان داد که ناخالصی های موجود در اسیدفسفریک صنعتی مانند کلسیم، منیزیم، آهن و آلومینیوم که از طریق سنگ معدن فسفات و اسیدفسفریک وارد محصول می شوند، مقاومت اسید را برای رسیدن به ناحیه فوق اشباع و کریستالیزاسیون به شدت افزایش می دهند و اسید در دماهای پایین به توده ای سخت و منجمد تبدیل می شود. برای جلوگیری از این امر قبل از اینکه پدیده توده ای شدن اتفاق بیفتد در دمای 15- درجه سانتی گراد از دانه های اسیدفسفریک (Seeds) استفاده می کنیم. در این صورت فوق اشباعی صرفاً در جهت رشد دانه ها مصرف می شود و از هسته زائی اولیه (Primery nucleation) که عاملی مهم در افزایش ویسکوزیته است جلوگیری می شود. برای کاهش ویسکوزیته در حین سرمایش از محلول های بی اثر مانند آب مقطر و اسیدسولفوریک استفاده شد. در انتها نیز کریستالیزوری برای تولید یک تن اسیدسولفوریک در روز به همراه سیستم سرمایش آن با بهره گرفتن از داده های به دست آمده طراحی شده است. فصل اول خصوصیات فیزیکی و شیمیایی اسیدفسفریک 1-1- اسیدفسفریک 1-1-1- خصوصیات خصوصیات فیزیکی: اسیدفسفریک به صورت بدون آب و خالص H3PO4 با mp = 42/35 ‘C و Mw =98 و p =1/88 g/cm3 به فرم کریستالهای بی رنگ و قابل حل در آب می باشد. اسیدفسفریک آبدار با فرمول H3PO4.1/2H2O نیز شناخته شده است. شکل 1-1 دیاگرام فازی H3PO+H2O را نشان می دهد. اسیدفسفریک به طور نامحدود در آب قابل حل می باشد. این ماده در سه غلظت استاندارد در دسترس می باشد: 75% H3PO4 With 54.3% P2O5 , mp=-20 0C 80% H3PO4 With 58.0% P2O5 , mp=0 0C 85% H3PO4 With 61.6% P2O5 , mp=21 0C اسید 85% (p=1.687g/cm3) شربتی مانند است، دارای ویسکوزیته بالایی می باشد و در شرایط سرمای زیاد (super cool) نگهداری می شود. اسید بی آب را می توان از اسید 85% با تبخیر در دمای 80 درجه سانتیگراد به دست آورد. جدول (1-2) و (3-1) نیز تغییرات دانسیته اسیدفسفریک را در غلظت های مختلف و در محدوده دمایی 40 – 10 درجه سانتیگراد نشان می دهند. جدول (4-1) و (5-1) ظرفیت گرمایی اسیدفسفریک را در دماها و غلظت های مختلف نشان می دهند. سایر خصوصیات فیزیکی اسیدفسفریک نظیر گرمای تشکیل و ذوب اسیدفسفریک، فشار بخار محلول های اسیدفسفریک، نقطه جوش و انجماد و گرمای رقیق سازی در شکل ها و جداول زیر نشان داده شده است.

:
با توجه به اصول طراحی فرایند صنعتی، خوراك ورودی به واحد پس از عبور از مرحله واكنش وارد بخ ش جداسازی می شود. بخش جداسازی هر واحد صنعتی سهم عمده ای از مجموع هزینه های یک واحد شیمیایی را به خود اختصاص میدهد. بنابراین طراحی بهینه این بخش هم از نظر امنیت طرح و هم از نظر اقتصادی بسیار حائز اهمیت میباشد.
در شروع طراحی سیستم جداسازی، این سؤال در ذهن ایجاد میشود كه از چه روش جداسازی جهت رسیدن به محصولات مطلوب استفاده شود به نحوی كه طراحی ما به سمت یک طراحی بهینه سوق نماید.
معمولا جداسازی به روش تقطیر معمولی به لحاظ سابقه و هزینه بعنوان برترین انتخاب مطرح میشود. مگر در شرایط خاص كه جداسازی توسط تقطیر بدلیل خصوصیات فیزیكی مواد مورد نظر غیر ممكن یا مقرون به صرفه نیست (نظیر مواد نزدیک جوش یا آزئوتروپیك). در صورت انتخاب تقطیر به عنوان روش جداسازی، تنها سؤال باقی مانده یافتن توالی بهینه برجهای تقطیر است. هدف اصلی پروژه یافتن توالی بهینه برجهای تقطیر بخش سرد واحد اولفین می باشد.
اساسی ترین راه برای انتخاب بهترین توالی برجها، برآورد كامل هزینه برای تمام گزینه های محتمل می باشد. اما تعداد زیاد توالی های قابل اجرا این كار را بصورت امری دشوار طولانی و پرهزینه در می آورد. بنابراین تعیین پارامترهای موثر در انتخاب توالی مناسب برای بخش سرد واحد الفین گزینه های محتمل را کم می کند و سریعتر به توالی بهینه می رسیم.
كلیه مطالعات و فعالیتهای انجام شده در این پروژه در قالب چهار فصل جداگانه به شرح زیر جهت استفاده علاقمندان ارائه شده است.
در فصل اول این پایان نامه علاوه بر توضیحات مقدماتی در مورد صنعت پتروشیمی، اهمیت آن و مجتمع های پتروشیمی در ایران و واحد الفین مطالبی ارائه می شود.
در فصل دوم در مورد تعداد گزینه های محتمل جداسازی در شرایط متفاوت (استفاده از برج ساده یا پیچیده یا تركیبی از هر دو) بحث می شود و بعضی روش های ارائه شده جهت سنتز توالی های برج تقطیر همراه با نقاط قوت و ضعف هر كدام از آنها ارائه می شود.
در فصل سوم انواع توالیهای مورد استفاده در بخش سرد واحد الفین و نحوه شبیه سازی و طراحی بحث می شود و نحوه محاسبه هزینه برجها آورده شده است.
در فصل چهارم در دو بخش یکبار شبیه سازی توالی Front-End-Demethanizer را با طراحی شرکت TPL و سپس شبیه سازی فوق را با طراحی توالی Front-End-Deethanizer مقایسه می کنیم و در پایان نتایج را ارائه می دهیم.
فصل اول
صنعت پتروشیمی و واحد الفین
1-1- پتروشیمی

پتروشیمی صنعتی است كه از مواد اولیه هیدروكربنی، مواد گوناگون مورد نیاز زندگی امروز فراهم می سازد و در واقع در این صنعت با اعمال یكسری فعل و انفعالات شیمیایی، از هیدروكربن های نفتی فرآورده های با ارزش افزوده ای معادل ده ها برابر ارزش مواد اولیه آن (نفت خام و گاز) تولید می شود. تولیدات صنعت پتروشیمی به عنوان یک صنعت مادر تأمین كنندة بسیاری از مواد اولیه و مصرفی مورد نیاز تعداد قابل توجهی از صنایع است. وجود منابع وسیع هیدروكربن ها (نفت و گاز) به عنوان مواد اولیه مورد نیاز این صنعت در ایران، 

كشور ما را از این جهت در وضعیت بسیار مناسبی قرار داده است.

عواملی كه باعث شده صنعت پتروشیمی از اهمیت زیادی برخوردار گردد به شرح زیر است:
1- وفور و ارزانی مواد اولیه.
2- تنوع فرآورده های پتروشیمی و نیاز جوامع بشری.
3- ارزش افزوده بالای محصولات پتروشیمی.
4- قابلیت جایگزینی فرآورده های پتروشیمی با فرآورده های طبیعی در ابعاد مختلف.
5- تنوع در روش ساخت یک محصول پتروشیمی با بهره گرفتن از مواداولیه متفاوت.
6- امكان تولید انبوه و سریع محصولات پتروشیمی.
در حالت كلی محصولات پتروشیمی از نظر تولیدات به سه دسته تقسیم می شوند:
1- محصولات اصلی یا پایه: این محصولات از مواد اولیه نفت و گاز به دست می آید و پایه و اساس محصولات میانی را تشكیل می دهند. مانند: اتیلن.
2- محصولات میانی: محصولاتی هستند كه محصولات پایه مواد اولیه آنها می باشند و با عنوان مواد اولیه تولید محصولات نهایی بكار می روند. مانند پلی كلرید و نیپل.
3- محصولات نهایی: محصولاتی هستند كه مستقیمًا در زندگی روزمره وارد می شوند و بكار می روند مانند كودهای شیمایی، پلاستیک ها.
فرآورده های این صنعت می تواند در صنایع پایین دستی به ویژه صنایع زیر مورد استفاده قرار گیرند:
1- كشاورزی : كودهای شیمیایی و سیستم های آبیاری
2- صنایع غذایی: حلال ها، اسیدها
3- صنایع پلاستیک : انواع پلاستیک ها
4- صنایع نساجی: مواد میانی جهت تولید الیافت مصنوعی
5- صنایع بسته بندی: انواع پلاستیک ها
6- صنایع رنگسازی: حلال ها و پلیمرها
7- صنایع لوازم خانگی: انواع پلاستیک ها
8- صنایع لاستیک سازی: لاستیک های مصنوعی
9- نایع شیشه سازی: كربنات سدیم
10- صنایع مواد شوینده: الكیل بنزن خطی، دودسیل بنزن و پلی فسفات سدیم
11- صنایع مصالح ساختمان: انواع پلاستیک ها
12- صنایع كابلسازی: انواع پلاستیک ها.

در بین کلیه واحدهای صنعتی شاید بتوان گفت که عملیات خشک کردن بیشترین کاربرد را داشته باشد؛ زیرا که در اکثر مراحل تولید لااقل یک مرحله خشک کردن به چشم می خور د. اگر بخواهیم تعریف جامعی از خشک کردن داشته باشیم باید گفت خشک کردن گرفتن رطوبت مواد تا رسیدن به یک محصول جامد است که به طرق مختلفی مانند حرارت دادن و تبخیر کردن آب درون مواد، کار مکانیکی یعنی فشرده کردن مواد و خارج کردن آب درون آن، جذب آب از درون مواد از طریق مواد شیمیایی جاذب الرطوبه, انجماد آب درون مواد و تصعید آن می تواند صورت گیرد که مهمترین آنها تبخیر رطوبت از طریق حرارت دهی می باشد که بیشتر مد نظر است. در این تحقیق نیز خشک کردن از طریق تبخیر صورت می گیرد و گاز داغ مورد استفاده در خشک کن هوا می باشد. 2-1- روش های خشک کردن تعداد بسیار متنوع موادی که لازم است خشک شوند از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی با هم کاملاً متفاوتند و همچنین طرق مختلف حرارت دهی برای فرایند خشک کردن وجود دارد بنابراین بسیار مشکل است که بتوان همه روش های ممکن برای خشک کردن را دسته بندی کرد. تعدادی از روش های معمول خشک کردن که در صنایع به کار می رود را می توان به صورت زیر دسته بندی کرد: 1-2-1- خشک کردن از طریق جابجایی در این روش حرارت محسوس محیط گازی از طریق انتقال حرارت جابه جایی به سطح ماده تر داده می شود. عامل خشک کننده (هوا) از روی ماده تر یا از درون آن عبور داده می شود تا رطوب ت ماده را تبخیر کند. برای صرفه جویی در انرژی مقداری از هوای خروجی به سیستم برگشت داده می شود. معمولاً از هوای داغ به عنوان عامل خشک کردن استفاده می شود ولی از مواد دیگری مانند گازهای خروجی از دستگاه ها یا بخار داغ و … نیز می توان به عنوان خشک کننده استفاده کرد. برای خشک کردن مواد قابل انفجار یا مواد اشباع از حلالهای آلی، از گاز بی اثری مانند نیتروژن یا مخلوط نیتروژن – بخار آب به عنوان عامل خشک کردن در یک سیستم کاملاً بسته استفاده می شود. در چنین سیستمی رطوبت تبخیر شده از طریق میعان از سیستم جدا می شود. 1-2-2- خشک کردن هدایتی در این روش, حرارت لازم به طریق هدایتی از یک سطح داغ سوز ی، صفحه ای استوانه ای یا دیواره خشک کن تأمین می شود. در این روش خشک کردن مقدار انتقال حرارت به بدنه مواد، نه فقط به هدایت حرارتی سطح داغ بلکه همچنین به ضریب حرارت بین منبع گرم کننده و سطح داغ بستگی دارد. منبع گرم کننده سطح داغ معمولاً بخار داغ، مایعات آلی، فلزات گداخته یا ذوب شده یا حاملهای دیگر انرژی اند که ضریب انتقال حرارت بالایی دارند. از آنجایی که همه حرا رت لازم برای تبخیر رطوبت ماده از میان لایه های مواد عبور می کند، راندمان حرارتی این روش خشک کردن بیشتر از راندمان روش جابه جایی است زیرا در روش جابه جایی بیشتر حرارت عامل خشک کننده از بالای مواد به بیرون از خشک کن هدایت می شود.