طراحی فرآیند پایدار و تحلیل تفکیک‌های هیبریدی

چکیده

کلید واژه ها

مقدمه

شکل ۱. مصرف انرژی نسبی توسط فناوری‌های متعدد تفکیک

۲. طرح

۲.۱. تفکیک از طریق تقطیر

جدول ۱. بازدهی‌های گرمایی سیستم‌های انرژی منتخب و تجهیزات تولیدی

شکل 2. بار ریبویلر در مقابل خلوص محصول تقطیر برای انواع ترکیب‌ها

شکل ۳. عملکرد ریبویلر و ردپای کربنی به عنوان تابعی از خلوص محصول تقطیر

2.2. تفکیک از طریق غشاها

۲.۲.۱. فرآیند تراوش تبخیری

شکل 4. نمودار تفکیک غشای متداول

شکل 5. نیروی محرکه‌ی متانول – سیستم‌های آبی (تفکیک غشا و تقطیر)

۲.۲.۲. فرآیند نفوذ بخار

۲.۳. فرآیند تفکیک هیبریدی مبتنی بر غشای تقطیر

شکل ۶. طرح تفکیک هیبریدی

۳. روش طراحی- طرح‌های هیبریدی

شکل ۷. تقطیر ساده

۳.۱. الگوریتم مرحله به مرحله

شکل ۸. توالی تقطیر برای تفکیک مخلوط آلکان

جدول ۲. ترکیب تغذیه

۴. مثال‌های کاربردی

۴.۱. مثال ۱

جدول 3

ذخیره‌سازی واقعی انرژی

جدول ۴

مساحت غشا برای ماژول‌های نفوذ بخار C4 و C5

جدول 5. دوره‌ی بازگشت سرمایه برای واحد غشا

۴.۱.۱.  تحلیل هزینه سرمایه برای ماژول‌های غشا

شکل 9. نمودار نیرو محرکه برای مخلوط‌های C4 و C5 در 2 atm

شکل ۱۰. دانش پایه برای شناسایی   و   برای ستون‌های C4 و C5

۴.۲. مثال ۲

4.2.1. تحلیل هزینه سرمایه برای واحد غشایی

شکل ۱۱. فلوشیت فرآیند جدید با طرح‌های هیبریدی برای تفکیک ایزومرهای C4 و C5

شکل ۱۲. فلوشیت فرآیند برای ابرسازه‌ی عمومی تولید TAME برای بازیابی متانول

جدول ۶. کاربرد الگوریتم برای ستون بازیابی متانول

جدول ۷

دوره‌ی بازگشت سرمایه برای واحد غشا

5. نتایج

فرآیند تقطیر در صنایع شیمیایی به شدت به انرژی وابسته است. تقریبا ۴۰ هزار ستون فعال تقطیر در ایالات متحده وجود دارند که انرژی موردنیاز آن‌ها تقریبا برابر با ۴۰ درصد از انرژی مصرفی کل در صنایع شیمیایی ایالات متحده است. با این‌حال، تحلیل تفکیک بر اساس تقطیر نشان می‌دهد بیش از ۵۰ درصد از انرژی، صرف تصفیه‌ی ۵ الی ۱۰ درصد از محصولات تقطیر می‌شود. از سوی دیگر ماژول‌های غشایی می‌توانند با صرف انرژی کمتر به تفکیک‌های خالص‌تری برسند اما در صورتی که جریان شدید باشد، نیاز به مساحت غشایی بزرگی دارند. بر اساس طرحی هیبریدی، ماژول‌های غشایی و تقطیر به گونه‌ای ترکیب می‌شوند که هر کدام با بیشترین بازدهی فعالیت کنند. مزیت این طرح کاهش چشمگیر انرژی بدون افزایش قابل توجه هزینه‌ها است. این مقاله، روشی را برای طراحی پایدار طرح‌های غشایی، تقطیر هیبریدی با تضمین کاهش مصرف انرژی همراه با دو مثال ارائه می‌دهد.

تقطیر یکی از کاربردی‌ترین روش‌های تفکیک در صنایع شیمیایی است. این فرآیند نیاز به انرژی زیادی دارد و از دید بازدهی از جمله فرآیندهایی است که کمترین بازدهی گرمایی را دارد (پلگرینو و همکاران ، ۲۰۰۴). بازدهی گرمایی به نسبت کار خالص به گرمای حاصل از سوخت احتراقی گفته می‌شود. جدول ۱ فهرستی از بازدهی‌های گرمایی یک مجموعه‌ی منتخب از تجهیزات تولیدی را ارائه کرده است. گرچه تقطیر از جمله فرآیندهایی با حداقل بازدهی گرمایی است، نزدیک به ۸۰ درصد از تفکیک‌های بخار- مایع در صنایع شیمیایی به آن وابسته هستند (وانکات ، ۲۰۰۷). به نقل از بخش انرژی ایالات‌متحده، مصرف انرژی فرآیندهای تفکیکی تمام صنایع تولیدی در سال ۲۰۰۵ به ۱۵۰ میلیون کیلووات رسید (آنجلینی و همکاران، ۲۰۰۵)، از این میان فرآیند تقطیر (۴۹ درصد)، خشک کردن (۲۰ درصد) و تبخیر (۱۱ درصد)، بیش از ۹۰ درصد از مصرف انرژی کل را به خود اختصاص دادند. شکل 1، به مصرف انرژی نسبی فناوری‌های تفکیک متعدد در صنایع تولید اشاره دارد. این صنایع به طور کلی صنایع وابست به گرما هستند (برای مثال تبخیر یک جریان ورودی) و بیشترین مصرف انرژی را به خود اختصاص می‌دهند. بر اساس تخمین‌ها تنها ایالات متحده دارای بیش از ۴۰ هزار واحد عملیاتی تقطیر در بیش از ۲۰۰ فرآیند متعدد است (آنجلینی و همکاران، ۲۰۰۵)، از این رو تقطیر را می‌توان عاملی مهم در مصرف انرژی کل در نظر گرفت. بنابراین، طراحی سیستم‌های جدید تفکیک بخار- مایع یا به‌روزرسانی سیستم‌های موجود می‌تواند از راه‌حل‌های پایدار و بهینه انرژی باشد. یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی استفاده از سیستم‌های تفکیک هیبریدی است که یک یا بیش از دو روش تفکیک کم مصرف را با تقطیر پرمصرف ترکیب می‌کنند به طوری که تفکیک در نهایت با انرژی کمتری انجام شود. طرح‌های هیبریدی مثل ترکیب تفکیک غشایی با تقطیر توسط بسیاری از پژوهشگرها پیشنهاد شده‌اند. برای مثال، استفان و همکاران (۲۰۰۵)، پیترسون و همکاران (۱۹۹۶)، دیویس و همکاران (۱۹۹۳)، موگانتی و همکاران (۱۹۹۴) و کابالرو و همکاران (۲۰۰۹)، طرح هیبریدی را برای بازیابی اولفین‌ها پیشنهاد دادند. همچنین راتنباخ و آلبرشت (۱۹۸۵) بر کاربرد طرح‌های هیبریدی برای تفکیک مخلوطی آزئوتروپی از بنزن و سیکلوهگزان تأکید کردند در حالی که گلدبلات و گودینگ (۱۹۸۸) به کاربرد طرح‌های هیبریدی برای جداسازی مخلوطی آزئوتروپی از آب اتانول اشاره کردند. پرسش اصلی این است که چه زمانی باید به پیاده‌سازی چنین طرح‌هایی پرداخت، چه خصوصیات از مسئله‌ی تفکیک را باید در اختیار داشت، چه تنظیماتی را باید اعمال کرد و تا چه میزان باید انتظار پیشرفت داشت. در این مقاله روشی عمومی برای طراحی ترکیبی تفکیک هیبریدی غشایی و تقطیر با شرایط ذیل پیشنهاد شده است: تفکیک مخلوط، دشواری‌های استفاده از عملیات تقطیر یا غشایی برای رسیدن به تفکیک مطلوب، طرح هیبریدی بهینه‌‌ی مبتنی بر تقطیر و غشا، پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی بدون کاهش کیفیت محصول و افزایش هزینه‌ها.