|
1. مقدمه
امروزه در عمليات پالايش مديريت هيدروژن يک عمليات بحراني جهت توليد سوخت تميز بشمارمي رود. استانداردهاي جديد سوخت هاي مختلف و تلاش جهاني جهت کاهش ميزان گوگرد موجود در سوختها و نقش هيدروژن جهت گوگرد زدائي اهميت موضوع را خاطر نشان مي کند. تلاش پالايشگران جهت افزايش ظرفيت واحدهاي گوگردزدائي موجود و نيز حصول به استانداردهاي جديد در فرآورده هائي نظيرسوخت بنزين و سوخت گازوئيل بيش از پيش افزايش نياز به هيدروژن را ديکته نموده و افزايش ظرفيت و يا احداث واحد هاي جديد را توصيه مي نمايد.
گسترش واحد هاي گوگردزدائي در کنار سايرواحدهاي مصرف کننده هيدروژن و مبادي توليد کننده آن لزوم برخورداري از يک شبکه مطمئن هيدروژن درپالايشگاه هاي نوع پيچيده و نيمه پيچيده را مي رساند. بعلاوه در کنار عوامل فوق افزايش خلوص هيدروژن جهت بيشينه کردن ظرفيت واحدهاي Hydrotreating و افزايش عمر کاتاليست آن لازم است. توليد هيدروژن از گازهاي Off Gas کم هزينه ترين روش توليد هيدروژن مي باشد. بنا براين امروزه مجموعه فعاليتها در اين قسمت شامل
-
استفاده از( Refinery Off Gas (ROG جهت توليد هيدروژن
-
افزايش بازدهي واحد هيدروژن
موجود
-
افزايش ظرفيت واحد هيدروژن
-
احداث واحد هاي جديد
خلاصه مِي شود. مقاله حاضر مروري است به آينده مديريت شبکه هيدروژن در پالايشگاهها ونفش شبيه سازي دربهينه سازي واحد هاي هيدروژن سازي وپيش بيني محدوديتهاي موجود در اين زمينه.
2. شرح
در آينده نزديک پالايشگاههاي کشور با مسائل متعددي روبرو خواهند شد. که اين امر بطور قابل توجهي بر روي عمليات پالايش در سالهاي آتي تاثيرگذار خواهد شد. كه اولين مورد محدوديتهائي است که بر اساس اعلام شرکت ملي پالايش و پخش برمشخصات کيفي سوخت خودروها(بنزين و گازوئيل) اعمال خواهد شد. با توجه به پيروي از استانداردهاي Euro-2005 حداکثر ميزان گوگرد موجود در گازو ئيل به 50ppm کاهش خواهد يافت همچنين مطابق جدول شماره (1) سايرمشخصات ديگر نظير عدد ستان ، مواد پلي آروماتيک موجود و جرم مخصوص تغيير مي يابد. لذا تمام اين موارد مستقيما بر فرآيند و اجزاء تشکيل دهنده آن درتوليد گازوئيل تاثير گذار خواهد بود.
جدول (ِ1)- استانداردهاِي جدِيد سوخت
| |
Up to 1999 |
2000 |
2005 |
|
Gasoline |
|
|
|
Sulfur Content (ppm) |
<500 |
<150 |
<50 |
Benzene Content (Vol%) |
<5 |
<1 |
<1 |
Aromatics Content (Vol%) |
- |
<42% |
<35% |
|
Diesel Fuel |
|
|
|
Sulfur Content (ppm) |
<500 |
<350 |
<50 |
Cetane Number, min |
49 |
51 |
53 |
Distillation T95, ˚C |
<370 |
<360 |
<360 |
Density, kg/l (max) |
<0.86 |
<0.845 |
<0.845 |
با توجه به کاهش تقاضا به سوخت هاِي سنگين گوگرددار و در نتِيجه افزاِيش تقاضابراِي فرآورده هاِي سبک (بوِيژه بنزِين) و فرآورده هاِي مِيان تقطِير با توجه به تخمِين تقاضاِي جهانِي در شکل (1)و از طرفي افزايش تقاضا جهت بهينه سازي کيفيت محصولات، نياز به يک دگرگوني در عمليات پالايش شديدا احساس مي گردد. در مورد سوخت بنزين توليدي تغيير فرمولاسيون محصول نهائي با جايگزيني مواد اکسيژنه نيز مد نظر مي باشد. بعبارتي صنعت پالايش کشورعلاوه بربيشينه سازي توليد فرآورده هاي سوختي، بويژه بنزين، بايستي دگرگوني درکيفيت محصولات را ضمن درنظرگرفتن مسائل زيست محيطي به انجام برساند.
شکل(1)- تخمِين تقاضا به فرآورده هاِي سبک و
مِيان تقطِير
در حال حاضر تا پنج سال آينده اکثر سرمايه گذاريهادر صنعت جهاني پالايش مربوط به مسائل زيست محيطي مي باشد که تعدادي از آنها مربوط به کاهش گازهاي آلاينده خروجي حاصل از احتراق در خودروهاست.که قسمت اعظم آن مربوط به توليد سوختهائي با گوگرد کمتر ، حذف سرب وکاهش ماده آروماتيکي بنزن در سوخت بنزين است. بنابراين ملاحظه ميشود که کاهش گوگرد محصولات ميان تقطير توليدي بخش عمده اي از تحولات آتي اين صنعت را رقم مي زند. فلذا در اين ميان احداث واحدهاي جديد گوگرد زدائي از محصولات ميان تقطير مورد توجه خاص قرار گرفته است.
ملاحظه مي شود که سياستهاي آتي پالايشگران را به احداث واحد هاي جديد گوگردزدائي با فن آوري جديد واجراي پروژه هاي Upgrading سوق مي دهد. ظرفيت جهاني صنعت پالايش نشان مي دهد که در حال حاضر واحد هاي کاهش فرآورده هاي سنگين ظرفيت کوچکي را به خود اختصاص داده است. ولي امروزه اين فرايندها بطور محسوسي در حال گسترش مي باشند.
شكل(2)- ظرفيت جهاني تبديل فرآورده ها
در اين ميان گاز هيدروژن بعنوان اشباع کننده و عامل جايگزين گوگرد نقش اساسي ايفا ميکند. و اهميت شبکه هيدروژن در يک پالايشگاه نمايان مي شود. بديهي است که اين امر در پالايشگاهاي پيچيده و نيمه پيچيده بيشتر نمود پيدا مي کند و مديريت شبکه ، موازنه مبادي توليد و مصرف با توجه به الگوهاي اقتصادي ضروري مي گردد.
3. موازنه هيدروژن
در پالايشگاههاي مختلف با توجه به فرايندهاي موجود درآنها منابع مختلف توليد كننده گازهاي غني از هيدروژن وجود دارد. واحدهاي Catalytic Reforming عمده ترين منبع توليدگازغني ازهيدروژن ميباشد. همچنين گازهاي خروجي از واحدهاي Hydrocracking كه آلوده به گاز سولفيد هيدروژن ميباشند (در سيستم جذب توسط آمين مورد تصفيه قرار مي گيرند) از منابع توليد گازهاي غني از هيدروژن بشمار مي روند. موازنه بين مبادي توليد و مصرف هيدروژن حائز اهميت است. در حال
حاضرجهت خالص سازي هيدروژن درگازهاي فرايندي
كه خلوص هيدروژن در آنها بيشتر از 55% مولي مي
باشد از سيستمPressure Swing Adsorption) PSA) استفاده ميشود. خروجي سيستم هاي PSA گاز هيدروژن با خلوص 99.8%بوده وحدود 15-12% خوراك واحد هاي PSA بعنوان Offgas ميباشد.در گازهاي فرايندي كه خلوص هيدروژن بيشتر از 40% باشد جهت خالص سازي هيدروژن مي توان از سيستم Membrane استفاده نمود. بدين ترتيب بخش قابل توجهي از هيدروژن مورد نياز از اين طريق تامين مي گردد و بقيه هيدروژن مورد نياز از طريق واحدهاي هيدروژن تامين مي گردد.ذكر اين نكته ضروري است كه استفاده از تكنولوژيهاي مختلف خالص سازي هيدروژن واحداث واحد توليد هيدروژن با توجه ارزيابي اقتصادي صورت مي گيرد. . در شكل (3) آرايش ساده يك شبكه هيدرون نشان داده شده است
شكل(3) موازنه مبادي توليد و مصرف هيدروژن
4. شبيه سازي
استفاده از شبيه سازي كم هزينه ترين روش ارزيابي عملكرد واحد هيدروژن موجود مي باشد. استفاده از شبيه سازي علاوه بر بهينه سازي شرايط عملياتي واحد امكان ارزيابي عملكرد واحد باخوراكهاي مختلف را فراهم مي سازد. بدين ترتيب با توجه به وجود خوراكهاي مختلف درپالايشگاهها انتخاب مناسبترين گزينه خوراك با حداقل هزينه بسهولت امكان پذير است. اين مسئله با توجه به اينكه پالايشگاهها درصدد جايگزيني خوراك واحد به گاز طبيعي مي باشند حائز اهميت است. همچنين با توجه به وجود طرحهاي توسعه در پالايشگاههاي مختلف كه افزايش ظرفيت واحدهاي توليد هيدروژن نيز از آن جمله مي باشدبا استفاده از نرم افزارهاي شبيه سازي انجام مطالعات اوليه بسهولت امكان پذيرميگردد.
در اين مطالعه يك واحد نمونه با ظرفيت نسبي 34MMSCFD با استفاده از نرم افزار شبيه سازي Hysys شبيه سازي گرديده است. کليه مراحل فرايندي از قبيل واکنشهاي هيدروژن سازي(Reforming) ، تبديل کننده منواکسيد کربن در دماي بالا وپائين ومتان سازي در شبيه سازي وارد گرديده است. طيف واکنشهاي تعريف شده جهت فرايند Steam Reforming ازC1 تا C6 بطور کامل منظور شده است کليه واکنشهاي Reforming ، تبديل کننده منواکسيد کربن در دماي بالا وپائين بصورت تعادلي و واکنش متان سازي غير تعادلي در نظر گرفته شده است. بنابراين با تغيير خوراک ورودي مي توان رفتار قسمتهاي مختلف واحد را مورد ارزيابي قرار داد. همچنين با تغيير پارامترهاي مختلف نظير دما ، نسبت بخار به کربن و ... برآورد شرايط بهينه جهت حصول به خلوص مورد نظر محصول به سهولت امکان پذير است. بار حرارتي واکنشي و غير واکنشي(Steam Production Duty) درکوره واحد وهمچنين درصد تبديل قابل دسترسي مي باشد. بعلاوه برآورد بار حرارتي برخي مبدلهاي کليدي در وضعيت هاي مختلف امکان پذير مي باشد. نتايج برخي مطالعات انجام گرفته بر روي واحد نمونه بشرح زير است. در شكل(4) نمودار فرايندي شبيه سازي نشان داده شده است.
شكل(4) نمودار فرايندي شبيه سازي واحد هيدروژن سازي
5. اثر نسبت بخار به کربن در خوراک ريفرمر
در شکل (5) اثرات افزايش نسبت بخار به کربن بر خلوص هيدروژن و بار حرارتي کوره ريفرمر نشان داده شده است. ملاحظه ميشود چنانکه گاز طبيعي بعنوان خوراک استفاده شده و دماي خروجي را در حداکثر مجاز طراحي(C°844) تثبيت کنيم با افزايش نسبت مولي بخار به کربن خلوص هيدروژن توليدي افزايش مي يابد. از طرفي در S/C بالاتر از 5 نيز بار حرارتي کوره با همان شيب درصد هيدروژن افزايش خواهد يافت.
شکل(5)- اثر تغييرات نسبت بخار به کربن بر خلوص محصول و بار حرارتي
کوره
شکل(6)- اثر تغييرات نسبت بخار به کربن بر دماي خروجي و بار حرارتي کوره
6. استفاده از خوراکهاي مختلف
با توجه به اينكه طيف خوراكهاي واحدهاي هيدروژن متنوع مي باشد در پالايشگاها گزينه هاي مختلفي جهت انتخاب خوراك واحدهاي هيدروژن وجود دارد. در اين مطالعه چهار نوع خوراك مختلف بشرح زيربا استفاده از شبيه سازي مورد بررسي قرارگرفته است.
آناليز هريك از گزينه هاي فوق بشرح جدول(2) مي باشد
جدول (2) آناليز خوراكهاي مختلف
| |
C1 |
C2 |
C3 |
iC4 |
nC4 |
iC5 |
nC5 |
H2 |
N2 |
NG |
88.9 |
3.7 |
1 |
0.2 |
0.3 |
0.1 |
0 |
0 |
5.8 |
CRU Gas |
10.3 |
6.2 |
4.2 |
1 |
0.6 |
0.1 |
0 |
0 |
77.6 |
Amine Gas |
32.2 |
2.7 |
2.5 |
1.1 |
0.7 |
0.2 |
0.1 |
60.5 |
0 |
Propane |
0 |
0 |
99.5 |
0.4 |
0.1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
نتايج بدست آمده از شبيه سازي با خوراكهاي متفاوت در شكلهاي (7) و(8) نشان داده شده است. بطوريكه در شكل (7) ملاحضه ميشود تغييرات دماي خروجي كوره ريفرمر(راكتور) در نسبتهاي مختلف بخار به كربن براي خوراكهاي چهارگانه نشان داده شده است.
شکل(7)- اثر تغييرات نسبت بخار به کربن بر دماي خروجي کوره ريفرمر
در شكل (8) تغييرات بارحرارتي كوره ريفرمر(راكتور) در نسبتهاي مختلف بخار به كربن براي خوراكهاي مخلف نشان داده شده است. بطوريكه ملاحظه ميشود خوراك پروپان بيشترين و خوراك گازهاي CRU كمترين انرژي لازمه را جهت توليد گاز هيدروژن مصرف مي كنند.
شکل(8)- اثر تغييرات نسبت بخار به کربن بربارحراتي کوره ريفرمر
7. نتيجه گيري
با توجه به موارد مورد بحث نتيجه گيري كلي بشرح زير مي باشد.
-
با توجه به طرحهاي مختلف در دست اجراء و طرحهاي جامع توسعه در پالايشگاهها لازم است استراتژي روشني در مورد مديريت شبکه هيدروژن ترسيم شده و با ارزيابي دقيق اقتصادي نسبت به نيازهاي اتي طرح مناسب ارائه گردد.
-
استفاده از ابزار شبيه سازي در بهينه سازي عمليات واحد هيدروژن ، برآورد مناسبترين خوراك ، انجام مطالعات اوليه Revamp واحد بطور قابل ملاحظه اي صرفه جوئي در وقت و انرژي مي گردد.
8. مراجع
1. Refinery Hydrogen Management, Ruth A.Davis and etal, Hydrocarbon Engineering, August 2001
2. Use Pressure Swing Adsorption for Lowest Cost Hydrogen, Allon M.Watson, Linde AG, Hydrocarbon Processing, March 1983
3. Residue Upgrading Technology: Target for Environmental and Oil Market Issue, IFP Industrial Division, 1997
4. Hysys Simulation Software, Build 2.4
|
