چگونگی طراحی و شبیه‌سازی فاز پایلوت در الکترود گرافیتی

برای طراحی پایلوت، نیاز به مجموعه­‌ای از فرضیه‌­هاست که در ادامه آمده است. با توجه به نبود اطلاعات کافی در مورد خوراک و نیاز به آنالیز و آزمایش خوراک مورد نظر، از منبع اطلاعات خوراک و محصولات مشخص برای تولید کک سوزنی استفاده شده است.

طراحی و شبیه‌سازی پایلوت

خوراک مورد استفاده در طراحی، Visbroken Thermal Tar است. در جدول زیر خواص خوراک و محصولات تولید کک سوزنی نشان داده شده است.

برای انجام شبیه­‌سازی از نرم‌افزار  Aspen HYSYS V 8.8 استفاده شده است. در این نرم‌­افزار، برای خواص فیزیکی از مدل  Peng-Robinson استفاده شده است. به منظور شبیه‌­سازی دو جریان نفتا ( C₅-193 ^oC) و نفت گاز (+^oC193) ذکر شده در جدول، از مفهوم سودو کامپوننت در HYSYS استفاده شده است.

بدین منظور داده‌­های مربوط از منبع استخراج شده است. نزدیک‌ترین داده‌ها به جریان نفتا، C₅ تا  C₁₁و به جریان نفت گاز، C₁₁ تا C₄₅ است. از داده‌­های جدول زیر (خواص فیزیک سودوکامپننت) به صورت میانگین برای تعریف برش‌­های مذکور در شبیه‌­سازی جدول بعدی (خواص میانگین در نظر گرفته شده برای برش نفتا و نفت گاز در شبیه­‌سازی) استفاده شده است.

با توجه به نبود آنالیز گاز خروجی از ککینگ تأخیری، از داده‌­های منبع برای شبیه­‌سازی ترکیب درصد گاز خروجی استفاده شده است.

اطلاعات این گاز در جدول زیر نمایش داده شده است. برای ساده‌سازی بیشتر در شبیه‌­سازی تنها ترکیبات متان، اتان، پروپان و هیدروژن که مقدار بیشتری دارند، در نظر گرفته شده است.

با توجه به درصد کک سوزنی (2/53 درصد) و با توجه به در نظر گرفتن این مقدار برابر با 1 تن (یا هزار کیلوگرم)، مقدار کل خوراک 1879 کیلوگرم محاسبه می­‌شود. با توجه به API درج شده برای خوراک در جدول مربوط به خواص خوراک و محصولات تولید کک‌سوزنی، مقدار .S.G برابر با 05676/1 به دست می­‌آید.

از این اطلاعات، حجم خوراک 87/1 مترمکعب یا 19/11 بشکه محاسبه می‌­شود. خلاصه این محاسبات در جدول زیر (جرم و حجم خوراک در هر batch) ذکر شده است.

مطابق با منابع مطالعه شده، در هنگام ککینگ تنها 70 درصد درام 1 پر می­‌شود. بدین ترتیب با توجه به حجم خوراک، حجم مخزن، حداقل باید 54/2 مترمکعب باشد. برای اطمینان بیشتر نسبت به عملیات پایلوت، حجم درام، 3 مترمکعب در نظر گرفته می­‌شود (در هنگام پر شدن کک، حداکثر 60 درصد مخزن پر می­‌شود.)

مطابق با پتنت­‌ها و مقالات مطالعه شده، می­‌دانیم که مدت زمان ککینگ در درام، 24 ساعت است. در این 24 ساعت در ابتدا مقدار تبخیر خوراک زیاد و در انتها، کم است. با این وجود به دلیل نبود اطلاعات کافی از مقدار گاز تولید شده در گذر زمان، فرض می‌­کنیم تولید گاز در درام در 24 ساعت به صورت یکنواخت و پیوسته باشد.

با فرض مذکور از 1879 کیلوگرم خوراک، 1000 کیلوگرم کک و 879 کیلوگرم محصولات گازی تولید می‌­شود. با یکنواخت در نظر گرفتن مقدار تولید این محصولات، نرخ تولید سوخت­‌ها kg/hr(24¸7/879) یا 65/ kg/hr 36 خواهد بود.

از این مقدار با توجه به ترکیب درصد ذکر شده در جدول ترکیب درصد گاز برای ککینگ تأخیری، در دما و فشار محیط، 28/11 کیلوگرم بر ساعت گاز و 38/25 کیلوگرم بر ساعت مایعات سوختی (مجموع نفتا و نفت گاز) داریم که ترکیب درصد مجموع آن یعنی گاز تولیدی در درام، با کمک شبیه‌­سازی در جدول زیر (ترکیب درصد گاز تولیدی در درام) ذکر شده است.

دمای فرآیند مطابق با مقالات و پتنت­‌ها بین 460 تا 520 درجه سانتی‌گراد و فشار نیز بین 10 تا 20 بار بیان شده است. برای انتخاب بهینه‌­ترین دما و فشار نیاز به آزمایش وجود دارد. در شبیه‌­سازی و برای طراحی پایلوت مقاوم‌­ترین سناریو برای طراحی یعنی دمای 520 درجه سانتی‌گراد و فشار 20 بار در نظر گرفته شده است.

در طراحی پایلوت برای رسیدن به فشار 20 بار، فرض شده است که خوراک در فشار 1 بار وارد درامی می­‌شود که 520 درجه سانتی‌گراد دما دارد. با بستن خروجی درام تحت گرمایش، مطابق با شبیه­‌سازی، زمانی که دمای 520 درجه سانتی‌گراد و فشار 1 بار باشد، 96/49 مترمکعب بر ساعت گاز داغ تولید می­‌شود. با توجه به در نظر گرفتن حجم ظرف 3 مترمکعب، فشار در یک ساعت اول واکنش به 17 بار می‌رسد. در 17 بار، حجم گاز 932/2 مترمکعب است که با در نظر گرفتن تولید مقداری کک در محفظه، رسیدن به این فشار منطقی به نظر می­‌رسد.

در صورتی که فشار در کل آزمایش 1 بار باقی بماند، در مجموع 24 ساعت، 1199 مترمکعب گاز تولید می­‌شود. با توجه به حجم مخزن (3 مترمکعب)، حتما باید در طول آزمایش، گاز تخلیه شود در غیر این صورت فشار تا 4000 بار بالا می­‌رود. لازم به ذکر است در حالت پایا با فشار 20 بار، مقدار گاز تولیدی در درام 491/2 مترمکعب در ساعت خواهد بود.

برای طراحی لوله خروجی گاز داغ، سرعت از منظر طراحی بهینه باید بین 10 تا 60 فوت بر ثانیه باشد. در فشار یک بار، بیشترین تولید گاز (بیشترین سرعت خروجی) و در فشار 20 بار کم‌ترین تولید گاز (کمترین سرعت خروجی) را خواهیم داشت. قطر لوله خروج گاز باید به نحوی طراحی شود که سرعت خروج گاز همواره در محدوده مذکور باشد. این امر با توجه به کاهش شدید مقدار گاز تولیدی با افزایش فشار (از 96/49 مترمکعب در ساعت به 491/2 مترمکعب در ساعت) امکان‌­ناپذیر است.

برای حفظ حداقل سرعت 10 فوت بر ثانیه در لوله، قطر باید 70/1 سانتی‌متر باشد. با این قطر در زمانی که فشار 1 بار است، سرعت درون لوله 201 فوت بر ثانیه (26/61 متر بر ثانیه) خواهد بود. از آنجایی که این سرعت تنها در ساعت ابتدایی از 24 ساعت واکنش وجود دارد، در صورتی که در شرایط مذکور به سرعت صوت نزدیک نشود، مشکلی از نظر طراحی وجود نخواهد داشت. بدین ترتیب سرعت صوت در دما و فشار مذکور برای گازهای موجود محاسبه می­‌شود تا کمتر بودن از مقدار سرعت صوت بررسی شود.

سرعت صوت در محیط از رابطه زیر محاسبه می­‌شود (با کمک داده‌­های شبیه‌­سازی):

با توجه به سرعت صوت، سرعت 61 متر بر ثانیه گاز در ساعات اولیه درام، مشکلی ایجاد نخواهد کرد. از آنجایی که درام کوچک است، برای کاهش ضخامت برای تحمل فشار مذکور، لازم است نسبت L/D آن بالاتر باشد. بدین ترتیب نسبت L/D ،3 برای درام در نظر گرفته می‌­شود. با در نظر گرفتن شکل استوانه برای مخزن،ضخامت آن از رابطه زیر محاسبه می­‌شود:

در این رابطه، t حداقل ضخامت دیوار (متر،) P حداکثر فشار داخلی مجاز (کیلوپاسکال)، r شعاع داخلی (متر) S، حداکثر تنش عملیاتی مجاز (کیلوپاسکال) و E راندمان اتصال است. هم‌چنین Cc خوردگی مجاز است که معمولا 3 میلی‌­متر در محیط‌­های هیدروکربنی در نظر گرفته می­‌شود.

لازم به ذکر است طبق منبع، مقدار S برای فولاد با کشش زیاد برای دیواره ضخیم در دمای بالا kpa42750 و E در صورت استفاده از جوشکاری لب به لب، 8/0 است. بنابراین با قطر مذکور، حداقل ضخامت درام باید 84/35 میلی­‌متر باشد.

با در نظر 84/35 میلی­‌متر به عنوان ضخامت، وزن درام 3380 کیلوگرم فولاد (با چگالی 7850 کیلوگرم برمترمکعب) محاسبه می­‌شود.

با خروج گاز داغ از درام، یک شیر فشارشکن قرار داده می­‌شود تا فشار محصول را به 1 بار کاهش دهد. مطابق با شبیه‌­سازی، کاهش فشار تأثیر چندانی بر دمای محصولات ندارد. این محصولات داغ در ادامه وارد یک کندانسور می­‌شوند. برای آن که دمای محصولات به 35 درجه سانتی‌گراد (دمای آغازین برش نفتا) کاهش پیدا کند، نیاز به 78/20 کیلوگرم بر ساعت آب با دمای 25 درجه سانتی‌گراد و فشار شهری ( 2/1 بار) داریم تا آب خروجی به صورت بخار اشباع خارج شود. در صورتی که بخواهیم آب را در دمای 50 درجه سانتی‌گراد تحویل بگیریم، به 502 کیلوگرم بر ساعت آب نیاز خواهیم داشت.

برای طراحی این کندانسور، می­‌توان از یک مبدل AFL استفاده کرد. طراحی و ساخت این مبدل بسیار هزینه‌­بر است و در حدود 50 هزار دلار هزينه دارد. به جای آن می­‌توانیم از کوئنچ با آب مستقیم استفاده نماییم.

در ادامه در یک مخزن با فشار 1 بار و دمای 35 درجه سانتی‌گراد جدایش گاز سوختی از محصولات مایع (نفتا و نفت گاز) صورت می­‌گیرد. در این شرایط و مطابق با شبیه‌سازی، مقدار گاز سوختی تولیدی 76/14 کیلوگرم بر ساعت و مقدار مایع سوختی تولید 89/21 کیلوگرم بر ساعت است.

در صورتی که گاز سوختی تولیدی سوزانده شود، قادر است دمای 200 کیلوگرم آب در ساعت را از 25 درجه سانتی‌گراد به دمای جوش برساند. مقدار این گاز طبق بند قبل در کل 24 ساعت برابر با 24/354 کیلوگرم است. در صورت داشتن مشخصات خوراک، می‌­توان از سوزاندن این گاز در پیش گرم کردن خوراک استفاده کرد. محاسبات فوق تا اینجا در شکل­‌های زیر آمده است.

شکل 1: دیاگرام جعبه­‌ای پایلوت

شکل 2: شبیه­‌سازی با هایسیس

همان‌گونه که در بالا ذکر شد، استفاده از مبدل در طرح پایلوت، هزینه اجرای طرح را بسیار بالا می­‌برد. روش دیگر استفاده از کوئنچ با آب است. در این روش آب سرد به صورت مستقیم با محصولات ترکیب می­‌شود و با بخار شدن آب، دمای محصولات کاهش می‌­یابد. مقدار آبی که کوئنچ می­‌شود، باید به گونه­‌ای باشد که 99 درصد نفت گاز در جریان مایع خروجی از برج کوئنچ قرار بگیرد و هم‌چنین دمای خروجی بالای 100 درجه سانتی‌گراد باشد تا آب در جریان نفت گاز وارد نشود.

برای ایجاد شرایط مذکور، استفاده از مقدار 17 کیلوگرم بر ساعت آب شهری در دمای 25 درجه سانتی‌گراد، هدف را برآورده می­‌كند. در این شرایط مقدار 2 درصد نفتا و 02/0 درصد آب در برش نفت گاز وجود دارد.

جداسازی جریان گاز از نفتا و آب در مقیاس پایلوت (از نظر مقدار آب هدر رفت) چندان به صرفه نیست. به عنوان مثال اگر 100 کیلوگرم بر ساعت آب را به صورت کوئنچ با جریان ترکیب کنیم، در جریان گاز حدود 41 درصد نفتا و 25 درصد آب داریم و دما تنها تا 76 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌­یابد. هم‌چنین استفاده از مبدل حرارتی، بنا به استدلال­‌های قبل، هزینه طرح را بسیار گران می­‌كند.

بهترین استفاده از این جریان، تبادل حرارت با خوراک سرد است تا بتوان آب و نفتا و گاز آن را جداسازی نمود. این شبیه­‌سازی به دلیل در دسترس نبودن ارزش حرارتی خوراک در طراحی کنونی امکان­‌پذیر نیست. حالت جدید طراحی پایلوت، در شکل زیر رسم شده است.

شکل 3: طراحی پایلوت با کوئنچ

برای طراحی برج کوئنچ در شبیه‌­سازی از یک فلاش درام استفاده شده است. مطابق با شبیه­‌سازی، قطر درام 9144/0 متر و ارتفاع 65/3 متر است. با توجه به فشار 1 بار، وزن برج 380 کیلوگرم برآورد می­‌شود.

منبع: برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترودگرافیتی