JARC.

Transcript

1 JARC شیرینسازی مرحلهای چند ناگهانی تبخیر فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی شور آب 3 رودبارکی خوشرو عیسی و 2 باختری خسرو 1 و* نصر جعفری رضا محمد ایران تهران نفت صنعت پژوهشگاه و ایران تهران اسالمی آزاد دانشگاه تحقیقات و علوم واحد شیمی مهندسی استاد 1- ایران تهران اسالمی آزاد دانشگاه تحقیقات و علوم واحد 2- ایران تهران اسالمی آزاد دانشگاه تحقیقات و علوم واحد انرژی مهندسی دکترای دانشجوی اردیبهشت پذیرش: 1394 فروردین بازنگری: 1393 آذر دریافت: در آب این میشود. ریخته دور ورودی خوراک آب از بزرگی بخش شور آب سازی شیرین مرحلهای چند ناگهانی تبخیر فرایندهای در چکیده: برای است. شیرین آب تولید و گرما دفع بخش کننده تبخیر در شور پساب از آمده دست به بخارآب از نهان گرمای جذب برای کننده خنک آب واقع سازی زالل عملیات به ناگزیر فرایندی و مقدماتی تصفیه از پس خام آب و میشوند احداث رودخانهها کنار در که پاالیشگاههایی مانند صنعتی واحدهای به ورودی آب درصد 50 از بیش برگشت میشود فرستاده کن شیرین آب واحد به خوراک عنوان به کننده منعقد کمک و کننده منعقد مواد تزریق و سامانه از گیری بهره با میتوان که صورتی در میآید. حساب به هدرروی از بارزی نمونه و نبوده توجیه قابل 14 C معادل دمایی افزایش با رودخانه سازی شیرین آب فرایند اصالحی مطالعه به مقاله این آورد. در چرخش به فرایند در گردشی صورت به را کننده خنک آب میزان این کننده خنک برج شده داده نشان پژوهش این در است. آمده در اجرا مرحله به آن مطالعات آمده بهدست بار نخستین برای و است پرداخته کشور پاالیشگاههای از یکی پایه ترمودینامیکی مفاهیم و معادالت از گیری بهره با و فرایند شبیهسازی و مدلسازی انجام و الزم فرایندی اطالعات استخراج با چگونه که است به و مصرفی خوراک آب 667 m 3 h/ مقدار به درصد 52 تا نفت پاالیشگاه نمونه یک در موجود تبخیری شیرین آب واحد سه از یک هر در میتوان بخار مصرف درصد 50 با برابر 13 ton/h معادل نیز فرایندی تغییر و بهینهسازی انجام با آورد. عمل به صرفهجویی واحد دورریز آب در میزان همین است. یافته افزایش نامی بار در واحد هر آب روش آب جوش نقطه افزایش خروجی بهره نسبت شیرین آب مقطر آب زیرکش آب آبشور گرمکن مرحلهای چند ناگهانی تبخیر کلیدی: واژههای مقدمه دفع اصلی بخش سه از ای مرحله چند ناگهانی تبخیر واحد 1 شکل در است. شده تشکیل ورودگرما و گرما بازیافت گرما است. شده آورده آن از ای ساده شمای تبخیر اتاقک چندین از گرما بازیافت و گرما دفع بخشهای در 2 کننده تبخیر یک در که است شده تشکیل 1 مرحله یا ناگهانی به ظرفی در شور( )آب خوراک آب شدهاند. چیده دیگر یک کنار میشود. گرم اشباع جوش نقطه زیر دمایی تا شور آب کن گرم نام 1. Stage 2. Evaporator nasrmrj@ripi.ir مکاتبات: *عهدهدار 94 بهار 1 شماره نهم سال 59

2 ی ا ک و... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی ]1[ ای مرحله چند ناگهانی تبخیر روش 1 ای با زدایی هزحل نمک فرایندچ ذ اگ ا ی 1 شکل تبخیز ر ش با سدایی فزای ذ 1 ضکل کاهش و ناگهانی تبخیر اتاقکهای از عبور با سپس شده گرم آب ]2[. میشود تبخیر و آمده جوش به سرعت به فشار احتمالی قطرات گذاشتن جا و 1 زدا نم از گذر از پس آب بخار مایع و کرده برخورد چگالنده لولههای خارجی سطح به همراه آب خود گرمای که دارد نام 2 شیرین آب واحد این فرایند میشود. بخشهای 2 شکل در میدهد. انتقال لولهها درون آب به نیز را است. شده داده نشان فرایند این از مرحله یک گوناگون چیده پی در پی ای گونه به مراحل این مربوط صنعتی واحد در ترتیب این به مییابد. افزایش گام به گام آنها در خالء که شدهاند نیاز بدون میرود دیگر مرحله به مرحله یک از که شوری پساب هر معمول طور به میآید. در جوش به بیشتر گرمای افزودن به ]3[. دارد مرحله 25 تا 15 بین واحد عملیاتی متغیرهای ازکلیه مختصری شرح از پس مقاله این در شبیه و سازی مدل براساس تبخیری کن شیرین آب واحد کلیدی یافته بهبود ازمدل استفاده و فرایند چرخه ترمودینامیکی سازی تغییر و واحد این عملیاتی متغیرهای اثر بررسی به SIMTAW شده پرداخته گردشی به گذر بار یک کننده خنک آب فرایند بخار مصرف افزایش مقدار فرایندی تغییر این بررسی در است. است. شده مقایسه طراحی اولیه حالت با و محاسبه نیز واحد آب فرایند عملیاتی متغیرهای ادامه در که تبخیری کن شیرین آب واحد کلیدی عملیاتی متغیرهای ]4[. است شده داده نشان 3 شکل در میشود پرداخته آنها شرح به )TBT( 3 شور آب باالیی دمای کن شیرین آب واحد کارایی تعیین در شور آب باالیی دمای 1. Demister 2. Distillate 3. Top Brine Temperature بخص 2. ضکل مرحله یک گوناگون هزحل بخشهای یک گ اگ ى 2 شکل 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 60

3 جعفری نصر و همكاران ضکل 3 ض. و یا شکل 3. شمای فزای ذی احذ فرایندیآب واحد آب ضیزیي شیرین کيکن تبخیزی تبخیری با با نظرداشت ظزداضتمتغیرهای هتغیز ای عملیاتی ػولیا یت 1 خیلی کمی دارند. تنها اگر واحد با مشکل رسوب گذاری مواجه تبخیری نقش اساسی دارد. این موضوع با نرخ بهره وری خروجی که برابر است با نسبت آب شیرین تولیدی به میزان بخار آبی که شده باشد شرایط سطوح انتقال گرما تغییر یافته و منجر به کاهش به مبدل حرارتی گرم کن آب شور داده شده بیان میشود. افزایش دمای پایینی آب شور شود. دمای باالیی آب شور به دلیل محدودیتهای رسوب گذاری تا حد معینی امکان پذیر است. تجزیه شیمیایی و غلظت آب شور مقدار دبی آب شور گردشی )RBF( 2 این حد باالیی را تعیین میکند. هم چنین نوع تصفیه آب خوراک دبی آب شور گردشی یکی از مهمترین متغیرهای عملیاتی است نیز اثر گذار است. بهره گیری از برخی مواد افزودنی دما باال که بر کارایی واحد اثر میگذارد. گرچه افزایش میزان آب شور امکان افزایش دمای باالیی آب شور تا 121 C را فراهم میسازد. گردشی تولید آب شیرین را افزایش میدهد ولی بر نرخ بهرهوری به طور معمول دمای کاری 110 C در نظر گرفته میشود. در خروجی اثر وارون دارد. افزون براین همین میزان نرخ آب گردشی صورت بهره گیری ازتصفیه آب جبرانی با اسید TBT تا 118 C است که سرعت درون لولههای چگالنده را معین میکند. این قابل افزایش است. در این دما نرخ تشکیل رسوب بیشتر میشود. سرعت نقش مهمی در تشکیل ته نشینی و حذف رسوب دارد. از طرفی اگر این دما از حد معینی هم پایین تر بیاید ممکن به عبارت دیگر تغییر این جریان بر درجه و تکرار رسوب گرفتگی است تفاوت فشار چگالنده سامانه خالء ناکافی بوده خروج مناسب اثر میگذارد. گازهای غیر قابل میعان از سامانه را ناممکن ساخته و مشکالت دبی و دمای بخارآب مصرفی STT( )STF & ناپایداری و خوردگی بخش بخار را سبب شود. تغییر میزان دبی آب گردشی نیز راه حلی برای این مساله بخارآب کم فشار برای تأمین گرمای مورد نیاز در مبدل حرارتی تلقی نمیشود زیرا میزان تبخیر نیز تغییر کرده و نیاز است که گرم کن آب شور و بخارآب فشار باال برای راه اندازی سامانه روزنههای بین مرحله ای برای جلوگیری از افزایش یا کاهش تأمین خالء مورد نیاز است. بخارآب کم فشار بر روی دمای باالیی سطح برخی مراحل هر بار تنظیم مجدد شود. دمای آب گردشی آب شور و میزان آب شیرین تولیدی و در نتیجه بر روی نرخ در بخش حذف گرما تابعی از دمای آب خنک کننده وضعیت بهره وری خروجی واحد اثر میگذارد. هنگامی که در این مبدل سطوح انتقال گرما و کارایی مکندهها است. این عوامل تغییرات رسوب نشست کرده باشد دمای بخار آب و فشار پوسته به منظور 1. Gain Output Ratio 2. Recirculation Brine Flow rate نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC( سال نهم شماره 1 بهار 94 61

4 ... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی افزایش شیرین آب تولید میزان و شور آب باالیی دمای نگهداشت لوله دیواره دمای ای نقطه افزایش به منجر موضوع این مییابد. منجر سرانجام که میکند زیاد جا آن در را رسوب ضخامت و شده میشود. لوله خرابی به )SWR & SWRJ( 1 دورریز آب و خوراک آب دبیهای کاهش محیطی دمای که هنگامی دورریز آب کاهش نتیجه در حذف بخش از خروجی شور آب دمای نگهداشت منظور به مییابد, دبی این شدید کاهش گرچه میشود. کم خوراک آب دبی گرما درون کمینه سرعت نمیتوان که میرساند نقطهای به را فرایند فصل در کرد. تأمین رسوب نشست از پیشگیری منظور به را لولهها زیاد خوراک آب دبی دورریز آب افزایش به نیاز دلیل به سال گرم گرما حذف بخش در تبخیر و یژه نرخ با پایین حد بنابراین میشود. خوراک آب تأمین پمپ ظرفیت با هم باالیی حد میشود. تعیین متناسب لولهها درون سرعتهای با هم حدود این میشود. محدود تولیدی شیرین آب میزان روی بر خوراک آب دبی بنابراین است. میگذارد. اثر واحد خروجی وری بهره نرخ روی بر نتیجه در و )SWIT & SWOT( کننده خنک آب خروجی و ورودی دمای شیرین آب خوراک آب تأمین محل اروند رودخانه در آب دمای متغیر تابستان در 35 C تا زمستان در 14 C از پاالیشگاه کن تبخیر دامنه به هم تبخیری کن شیرین آب واحد بازدهی است. کننده خنک آب دمای با شور آب باالیی دمای بین تفاوت که آنی آب باالی دماهای در دارد. بستگی گرماست حذف بخش به ورودی سطوح و گردشی آب نرخ است. کوچک آنی تبخیر دامنه خوراک پایین دماهای در میشود. طراحی شرایط این برای هم گرما انتقال تغییر زیر شرح به تبخیرکنندهها ترمودینامیکی ویژگی خوراک آب این میشود. کم اشباع دمای کاهش از پیروی به تبخیر فشار مییابد. تغییرات دلیل به ای مرحله بین شور آب دبی بر عوض در موضوع و فشار شدن کم دلیل به چنین هم میگذارد. اثر مراحل فشار افت مییابد. افزایش بخار سرعت بخار چگالی در کاهش )MF( 2 جبرانی آب دبی در نمک غلظت مییابد افزایش جبرانی آب دبی که هنگامی جوش نقطه و ویژه جرم عوض در که مییابد کاهش گردشی آب و مصرفی آب بخار کاهش مطلب این میشود. کم گردشی آب مقداری چنین هم دارد. دنبال به را 3 زیرکش آب در نمک غلظت آب دبی پایین حد میرود. انتظار خروجی وری بهره نرخ در افزایش با باالیی حد دارد. بستگی گردشی آب در نمک غلظت به جبرانی تغییر خوراک آب تأمین پمپهای فشارخروجی و خوراک آب دبی جبرانی آب دبی با کن شیرین آب واحد معمول طور به میکند. میکند. کار باال مرحلهای بین روزنه ارتفاع دارای روزنهها از ای مرحله بین گردشی آب انتقال چگونگی یک ایجاد به یابی دست مناسب انتقال یک است. فراوانی اهمیت برای گردشی آب مناسب آمیختگی روزنه دست پایین در آرام جریان آب ترشح از جلوگیری و ناپایدار شرایط در هدررفت کردن کمینه میسازد. پذیر امکان را بخار فاز آلودهسازی و زداها نم سوی به شور دنبال به را برداری بهره ناپایداری روزنهها مناسب تنظیم عدم در شور آب سطح افزایش کوتاه اندازه با روزنه یک داشت. خواهد تأثیر تحت که هم مراحلی تعداد دارد. دنبال به را روزنه باالدست دستی پایین مرحلههای به نسبت آن موقعیت به میگیرند قرار آب سطح حد از بیش باالبودن دارد. بستگی سطح کنترل دارای فاز آلودهسازی و نمزداها سوی به شور آب ترشح و 4 طغیان شور با روزنه یک میشود. سبب را گرما هدررفت چنین هم و بخار دنبال به را بعدی مرحلههای سوی به بخار فرار هم بزرگ اندازه داشت. خواهد )LSBL( 5 پایانی مرحله شور پساب سطح هر شور پساب سطح کنترل شد اشاره پیشتر که طور همان شور پساب سطح است. حیاتی فرایند پایداری نگهداشت برای مرحله بندی آب مرحلهای بین روزنههای که باشد باال کافی اندازه به باید 1. Reject 2. Make-up Flow rate 3. Blow down 4. Flooding 5. Last Stage Brine Level 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 62

5 جعفری نصر و همكاران شده و فرار بخار به سوی مرحلههای بعدی امکان پذیر نباشد. در عین حال این سطح بایستی به اندازه کافی پایین نگه داشته شود تا هدررفت تعادلی کمتری رخ دهد. اندازه مناسب با بیشینه سازی افت فشار بین مرحله ای یا کمینه سازی جریان پساب شور در عرض واحد انجام میپذیرد. سطح پساب شور مرحله پایانی به سطوح همه مراحل دیگر دبیها )آب زیر کش آب گردشی آب شیرین تولیدی و...( و دمای باالیی آب شور مرتبط است. مدل سازی و روابط حاکم چندین مدل برای بررسی یک مرحله از واحد MSF از جمله مدلهای باربا لوئیزو و تاگلیافری درسال 1973 درویش و آرازینی درسال 1989 هالل مدانی و سلیمان درسال 1986 و فالستا و ایکیوبا درسال 1997 توسعه یافته و در اختیار مهندسان است. در مدل SIMTAW که دراین مقاله از آن بهره برده میشود موازنههای جرم و انرژی برای هر مرحله از واحد MSF به کار میرود. این روش در حقیقت مدل بهبود یافته مدل هالل و همکاران درسال 1986 است. در مدل SIMTAW فرضهای اساسی زیر مد نظر قرار گرفته است ]1[. محصول خروجی هر مرحله بدون امالح خواهد بود. بخار آب خروجی هیچ رطوبتی به همراه نخواهد داشت. خنک سازی آب مقطر خروجی از مبدل حرارتی گرم کن آب شور مد نظر قرار نگرفته است. هم چنین فرض بر آن است که بخار آب ورودی به این مبدل در حالت اشباع بوده و نیازی به بهره گیری از Desuperheater نبوده است. مدل بین مرحله ای در SIMTAW وجود ندارد. بنابراین اثر سطح پساب شور در هر مرحله به حساب نیامده است. مدل تبخیر ناگهانی یک مرحله ای با توجه به توضیحات باال و در نظرگرفتن شکل 4 معادالت حاکم بر مدل تبخیر ناگهانی یک مرحله ای در حالت پایدار در جدول 1 که برای مرحله j نوشته شده آمده است. شکل 4 مرحله j فرایند تبخیر ناگهانی چند مرحله ای 1. هؼادالتجدول حاکن 1 بز هذل معادالت تبخیز حاکم بر اگ ا ی مدل یک تبخیرهزحل ناگهانی اییک مرحلهای ضوار رابط رابط ضزح )1( B j-1 Hb j-1 =B j Hb j + (B j-1 B j ) Hv j ه اص ا شطی سؼبة ؿ س )2( B j-1 + D j-1 =B j + D j ه اص ولی آة وه )3( B j-1 C B,j-1 =B j C B,j ه اص وه )4( R CP Rj )T F,j T F,j-1 ( = D j CP D,j-1 )T D,j - 1 T * ( + B j- 1 CP B,j-1 )T B,j - 1 T * ( - D j CP D,j )T D,j T * ( - B j CP B,j (T B,j T * ) ه اص ولی ا شطی توضیح نمادها و متغیرهای جدولهای 2 1 و 3 به ترتیب کاربرد در رابطهها در انتهای مقاله آورده شده است. انتقال گرما در چگالنده معادله حاکم بر دما ورودی و خروجی, ضریب کلی انتقال گرما و سطح گرما از معادله 5 به دست میآید. ( ) )5( U j A j سطح کلی انتقال گرما چگالنده/تبخیرکننده و که نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC( سال نهم شماره 1 بهار 94 63

6 ... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی بخار دمای T s که الیه طرف دو دمای اختالف )ΔT fm = T s -T w ( به هم آن مقدار است. مرحله هر در کلی حرارت انتقال ضریب ضریب دارد. بستگی واحد حرارت انتقال گوناگون مقاومتهای نیز گرمایی مقاومتهای گرفتن نظر در با نیز کلی گرما انتقال است. محاسبه قابل زیر بصورت U j = )6( معادله از که است لوله داخلی گرما انتقال مقاومت R bi جا این در میآید. دست به زیر R bi = ) ( )7( انتقال ضریب h bi و لوله داخلی و خارجی قطرهای ID و OD با است. لوله درون کامل آشفته جریان برای همرفت گرمایی سیال: حجم و دیواره سطح بین کم دمایی تفاوت فرض h bi = E Re 0.8 Pr 0.4 )8( صاف لولههای برای که است بهبود ضریب E جا این در است. بودن آشفته یا آرام به بسته یافته بهبود لولههای برای و یک برابر و رینولدز عدد Re میشود. گرفته نظر 25 در تا 2 از سیال جریان است. جریان پرانتل عدد Pr میآید: دست به زیر معادله از هم لوله دیواره مقاومت R w )9( d lm نیز است. آن ضخامت t و دیواره گرمایی رسانایی k w است. لوله داخلی و خارجی قطرهای اندازه لگاریتمی میانگین افزایش یا و آن ضخامت کاهش با میتوان را لوله دیواره مقاومت داد. کاهش آن گرمایی رسانایی است. لوله خارجی دیواره دمای T w و اشباع 11 معادله از که T fm الیه دمای در معمول طور به مقطر آب خواص میگیرد: قرار نظر مد میشود محاسبه T fm = T s 0.5 (T s T w ) (11) سطوح بر رسوب تشکیل مقاومت از ناشی کلی مقاومت هم R f چگالش قابل غیر گازهای مقاومت و لوله دیواره بیرونی و درونی میشود. ارایه سازنده و طراح توسط معمول بهطور که است تبخیر حال در شور پساب جریانهای به مربوط دماهای معادله از: عبارآزمون تولیدی شیرین آب و ناگهانی T B,j = T D,j + BPE + NEA +PL )12( به نسبت 1 شور آب جوش نقطه افزایش BPE معادله این در این میشود داده شرح ادامه در که طور همان است. خالص آب غیر مجاز حد NEA است. شور آب غلظت و دما از تابعی افزایش محدود ماند زمان از ناشی دما افت با برابر که دماست افت 2 تعادلی هم PL است. تبخیر اتاقک در ناگهانی تبخیر حال در شور پساب است. زدا نم و چگالنده فشار تغییر از ناشی دما افت به مربوط شور آب کن گرم مدل را شده داده نشان 5 شکل در که شور آب کن گرم عملکرد داد. نشان 2 جدول در موجود معادلههای با میتوان بخار بخش در مقطر آب الیه تشکیل از ناشی مقاومت هم R c معادله از مقطر آب الیه گرما انتقال ضریب h c محاسبه با که است میآید: دست به ناسلت مشهور h c = ( μ ρ ) )10( مقطر آب چگالی ρ مقطر آب گرمایی رسانایی k آن در که در لولهها تعداد n تبخیر نهان گرمای λ fg زمین جاذبه شتاب g و لوله قطرخارجی OD مقطر آب ویسکوزیته μ عمودی ردیف گرما ورود و بازیافت بخشهای 5 شکل 1. Boiling Point Elevation 2. Non Equilibrium Allowance 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 64

7 ی ا جعفری نصر و همكاران مدل بخشهای اختالط و جدا کننده واحد مدل سازی بخشهای اختالط و جدا کننده واحد نشان داده شده در شکل 6 را نیز میتوان با معادلههای موجود در جدول 3 نشان داد. مورد کاوی واحد آب شیرین کن تقطیری شرکت پاالیش نفت آبادان جذ ج ل دول 2 2. هؼادالت معادالت حاکن حاکم بز بر هذل مدل گزم گرم کي کن آب آب ض ر شور ضزح ه اص خشهی آة ؿ س ه اص ولی ا شطی هعبدل ا تمبل گشهب دس گشم وي هؼادل ضوار هؼادل همان طور که در نمای فرایندی واحد آب شیرین کن تقطیری شرکت پاالیش نفت آبادان -پیوست 1 - نشان داده شده است این واحد دارای 22 مرحله است ]7[. آب زالل خروجی واحدهای زالل ساز به وسیلهی پمپهای توزیع به درون لولههای تبخیر کننده شماره 104 در مرحله 22 وارد و پس از جذب گرما و خروج از مرحله 18 به دو شاخه تقسیم میشود. از این دو یکی تأمین کننده آب جبرانی است و دیگری جهت کنترل دما در آخرین مرحله به عنوان آب خنک کننده یک بار گذر از واحد به بیرون انتقال مییابد. میزان معینی از سولفوریک اسید به طور پیوسته به منظور خنثی سازی عناصر قلیایی و هم چنین جلوگیری از عمل رسوب گذاری در لولههای مراحل چگالندهها و مبدل گرمایی گرم کن آب شور به جریان آب جبرانی تزریق و در نتیجه آن مقداری گاز کربن دی اکسید آزاد میشود. برای حذف این گاز آب از درون دستگاه گاززدا عبور داده میشود که درآن جا با بهره گیری از ویژگی حاللیت بیشتر گاز اکسیژن نسبت به گاز کربن دی اکسید در آب گاز کربن دی اکسید از سامانه خارج میشود. سپس برای حذف گاز اکسیژن آب از درون دستگاه هوازدا که در شرایط خالء قرار دارد عبور داده میشود. در این مرحله آب هوازدایی شده پس از مخلوط شدن با آب گردشی به وسیله پمپ گردشی به سمت لولههای تبخیر کنندههای و 101 )بخش بازیافت گرما ) فرستاده میشود. جریان آب گردشی درون لولهها برقرار و جریان آب گرم شونده که بخار با فشار کم از آن متصاعد میشود درون هر تبخیرکننده در مجاورت لولهها برخالف جهت آن در حرکت است. دمای آبی که از لولههای تبخیر کنندههای 103 الی 101 عبور میکند توسط بخاراتی که از آب جوشیده درون بدنه ظروف فوق متصاعد گشته و به سطح آنها برخورد میکند به تدریج و مرحله به مرحله افزایش مییابد و در مقابل خود این بخارات سرد گشته و به آب شیرین تبدیل میشوند. برای اطمینان از حذف اکسیژن باقی مانده موادی به عنوان اکسیژن زدا 1 مانند سدیم سولفیت به آن نیز افزوده میشود. هم چنین در صورت نیاز ترکیب ضدکف 2 برای جلوگیری یا از بین B o = R, C B, o = C R R CP H (T B, o - T F, l ) = m ST λ ST ( ) شکل 6 بخشهای اختالط و جداکننده واحد جدول 3 جذ ل 3. معادالت حاکم هؼادالتبرحاکن مدلبز هذل بخشهای بخص اختالط و جدا اختالط کننده جذا واحد ک ذ احذ ضزح ه اص خشهی ( آة+ وه ) اخت ط ه اص خشهی اخت ط ه اص ا شطی اخت ط ه اص خذاو ذ آة خ ه و ذ هؼادل B j-1hb j-1=b j Hb j + (B j-1 B j) Hv j ضوار هؼادل R = F +B N BD R. H br = (B N BD) H bn + F. Hb DR CW = SR F 1. Oxygen Scavenger 2. Antifoam نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC( سال نهم شماره 1 بهار 94 65

8 ... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی کنترل منظور به مییابد. تداوم چنان هم چرخه این و ارسال 103 تزریق گردشی آب به کنندهها تبخیر در شده ایجاد کفهای بردن عنوان به آن از مقداری پیوسته صورت به گردش در آب غلظت ظروف لولههای درون از که این از بعد گردشی آب میشود. به و خارج سامانه از مربوطه پمپهای وسیلهی به زیرکش آب نظر مورد دمای حداکثر به رسیدن برای شد خارج تبخیرکننده میشود. هدایت صنعتی فاضالب حد تا آن دمای آب بخار وسیله به و میشود شور آب کن گرم وارد ورودی آب مجاورت در کننده گرم بخار مییابد. افزایش مطلوب فرایندی اصالح شرح بخش در و میشود تبدیل مقطر آب به شده سرد گرمایی مبدل به پاالیش شرکت تقطیری کن شیرین آب واحد شمای 7 شکل در خارج آن از پمپ وسیلهی به سپس و آوری جمع مبدل این تحتانی است. شده آورده طراحی اولیه حالت در آبادان نفت کاهش منظور به آب این از بخشی نیاز صورت در گرچه میشود. واحد این کلی انرژی و جرم موازنه 4 جدول در که طور همان این در تبخیر آماده آب میشود. مبدل به مصرفی آب بخار دمای 1256 / 5 m 3 h/ مقدار از است شده داده نشان طراحی اولیه حالت در ناگهانی تبخیر اتاقک به بخارات به شدن تبدیل برای را بخش مرحله پایانی مرحله به 32 C دمای با که ورودی خوراک آب در که میشود وارد 101 شماره تبخیرکننده در مرحله نخستین 53 با برابر که آن 667 m 3 h/ میشود وارد 104 کننده تبخیر 22 پساب شده تبخیر گردشی آب از بخشی دارد. قرار خالء شرایط دفع بخش در 45 / 3 C دمای با است ورودی خوراک آب درصد گذر از پس تدریج به مرحله این از حرکت ضمن مانده باقی شور از 18 مرحله در گذر بار یک کننده خنک آب عنوان به و گرما تبخیر در مرحله آخرین سمت به 103 و 102 تبخیرکنندههای از سرویس در واحد سه که صورتی در بنابراین میشود. خارج سامانه به و شده روانه است خالء میزان بیشترین دارای که 104 کننده شده تصفیه پیش زالل آب 2000 m 3 h/ عدد به رقم این باشند و خارج کننده تبخیر از 22 مرحله در گردشی آب پمپ وسیلهی رسید. خواهد کننده تبخیر 17 مرحله سوی به جبرانی آب با شدن آمیخته از پس ا لی حبلت دس آثبداى فت سبالیؾ ؿشوت تمغیشی وي ؿیشیي آة احذ ؿوبی 7 ؿىل دس فزای ذی استغییز فرایندی پیص ازتغییر آباداى پیش آبادان پاالیطگا پاالیشگاه )MSF( مرحلهای هزحل چند چ ذ کننده ک ذ تبخیر واحد تبخیز 7 شکل احذ 7. ضکل 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 66

9 همكاران و نصر جعفری خروجی بهره نسبت میزان طراحی دادههای از گیری بهره با آب میزان و 589 / 5 m 3 h/ جبرانی آب میزان است. 7 / برابر 5 واحد به تولیدی شیرین آب از جبرانی آب میزان تفاضل از که زیرکش واحد تغلیظ سیکل میزان است. 392 / 9 m 3 h/ با برابر میآید دست است. 1 / 5 با برابر زیرکش آب و ورودی آب غلظت به توجه با هم 17 معادله به توجه با مربوط پمپ از خروجی گردشی آب میزان 43 C برابر ترتیب به آب این غلظت و دما و 1571 / 34 m 3 h/ برابر است. شده محاسبه درصد 1 / 2 و به شده محاسبه دمای با گردشی آب میزان این بنابراین نخستین عنوان -به 103 کننده تبخیر 18 مرحله چگالنده لولههای خارج آن 13 مرحله از و میشود وارد گرما- بازیابی بخش مرحله وارد سپس است. رسیده 63 / 2 C به آن دمای درحالیکه میشود با و شده گرما بازیابی دوم بخش 102 کننده تبخیر 12 مرحله 83 / 4 C به آن دمای میشود. خارج آن 7 مرحله از گرما جذب لولههای به گردشی آب 101 کننده تبخیر در است. یافته افزایش آن از 105 / 5 C دمای با آن انتهای در و وارد 6 مرحله چگالنده آب کن گرم در میشود. ارسال شور آب کن گرم سوی به و خارج بخارآب جا این در خارجی کننده گرم عامل از گیری بهره با شور 115 C تا گردشی شور آب دمای و میپذیرد صورت گرما انتقال 4 رابطه از نیز گرمایی ظرفیت محاسبه برای مییابد. افزایش آنها میانگین سپس و خروجی و ورودی دمای دو در 2 پیوست است. شده استفاده دفع بخش سه در شده جذب گرمای میزان ترتیب همین به تبخیرکنندههای گرما بازیافت 104 تبخیرکننده گرما جدول در و محاسبه شور آب کن گرم مبدل گرما ورود و 103 و است. شده داده نشان 5 ا زصی جزم ه اس تبخیری کن شیرین آب واحد تبخیزی انرژی کي و جرم ضیزیي موازنه آب 4 جدول احذ 4. جذ ل گزهاگرما ر دورود و گرما بازیافت گزها باسیافت گرما دفع گزها بخش دفغ سه بخص در س شده جذب گرمایدر ضذ جذب میزان محاسبه گزهای هیشاى 5 هحاسب جدول 5. جذ ل 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 67

10 ی ا... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی یافته اصالح تقطیری کن شیرین آب واحد شمای 8 شکل خنک آب تأمین حالت این در میدهد. نشان را آبادان پاالیشگاه با و شده خارج اولیه گذر بار یک حالت از گرما دفع بخش کننده است. آمده در گردشی صورت به کننده خنک برج از گیری بهره ورودی خوراک آب دمای با برابر جبرانی آب دمای حالت دراین نگهداشتن ثابت و واحد تولید ظرفیت حفظ لزوم به توجه با و شده میشود. مشاهده زیر تغییرات واحد شرایط دمای به توجه با مربوطه پمپ از خروجی گردشی آب دمای خروجی گردشی آب دمای آب 42 C دمای و جبرانی آب 32 C است. 38 / 2 C برابر آخر مرحله از بازیافت بخش گرمایی بار بودن ثابت فرض با مرحله این در کاهش دمای به توجه با 103 و تبخیرکنندههای در گرما کنندهها تبخیر این از کدام هر خروجی دمای جبرانی آب یافته جبران منظور به شور آب کن گرم مبدل بار افزایش نهایت در و سایر برای محاسبه این میشود. محاسبه جبرانی آب دمای افت است. شده آورده 6 جدول در نتیجه و پذیرفته انجام نیز مراحل از خروج از پس گردشی آب 101 کننده تبخیر در ترتیب بدین کن گرم سوی 100 به / 5 C دمای با 1 مرحله در چگالنده لولههای برای شور آب کن گرم بار افزایش بنابراین میشود. ارسال شور آب این است.در نیاز مورد 115 C تا گردشی شور آب دمای رساندن MJ/h برابر شور آب کن گرم در نیاز مورد گرمای کل حالت بنابراین میآید. دست به 39 / 3 ton/h نیاز مورد آب بخار میزان و 13 / 1 ton/h تولید مساوی شرایط در واحد آب بخار مصرف مقدار است. یافته افزایش تبخیز احذ 8. ضکل فرایندی تغییر فزای ذی از پس آبادان استغییز پاالیشگاه پس آباداى )MSF( پاالیطگا ای مرحله چند کننده تبخیر ای هزحل واحد چ ذ 8 شکل ک ذ گرما بازیافت 103 و گزها 102 باسیافت 101 تبخیرکنندههای در در تبخیزک ذ خروجی دمای محاسبه در 6 جدول در خز جی دهای هحاسب 6. جذ ل 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 68

11 جعفری نصر و همكاران نتیجه گیری نتیجههای به دست آمده از این پژوهش کاربردی به اجرای پیشنهاداتی برای اصالح در واحد آب شیرین کن تقطیری پاالیشگاه صورت پذیرفت که در آن با تأمین آب خنک کننده بخش دفع گرما از حالت یک بار گذر اولیه خارج و با بهره گیری از برج خنک کننده به صورت گردشی در آمده است. این اصالح که برای نخستین بار در واحدهای آب شیرین در سطح کشور صورت پذیرفته نتیجههای عمده زیر را در برداشت: 1- اجرای عملی نتیجههای این مطالعه در هر یک از سه واحد آب شیرین تبخیری پاالیشگاه به میزان 52 درصد برابر با 667 مترمکعب در ساعت در مصرف آب خوراک و هم چنین در نرخ آب دورریز واحد صرفه جویی به دنبال داشته است. 2- این تغییر فرایندی به میزان 13 تن در ساعت به میزان 50 درصد مصرف بخار آب هر واحد را در بار نامی واحد افزایش میدهد که با توجه به وجود بخار آب کم فشار مازاد در سایت و هم چنین ظرفیت مناسب پمپهای آب مقطر مشکلی در روند واحد ایجاد ننموده است. 3- در فرایندهای تقطیری )گرمایی( شیرین سازی آب شور به ویژه فرایند تبخیر ناگهانی چند مرحله ای بخش بزرگی از آب خوراک ورودی به عنوان آب خنک کننده به منظور بهره گیری از گرمای محسوس آب برای جذب گرمای نهان از آب شیرین تولیدی از واحد دور ریخته میشود. اهمیت این موضوع شاید در واحدهایی که در کنار دریا نصب شدهاند و به منابع عظیم آب دسترسی دارند به چشم نیاید اگرچه انتقال حجم باالی آب تصفیه مقدماتی تزریق کلر برای ضد عفونی آب و هم چنین برگشت به دریا با توجه به لزوم رعایت مالحظات زیست محیطی هزینههای باالیی را به سامانه تحمیل خواهد نمود. بنابراین به طور مشابه با بهره گیری از سامانه برج خنک کننده و تغییر سامانه آب خنک کننده به صورت گردشی برای آب شیرین کنهایی که در کنار رودخانهها نصب بوده و بیش از نیمی از آب ورودی پس از تصفیه مقدماتی و فرایند زالل سازی از واحد دور ریخته میشود میتوان صرفه جویی قابل توجهی در مقدار مصرف آب خوراک به دست آورد. مراجع [1] Marcuello, F.; "Thermoeconomic Analysis and Simulation of a Combined Power and Desalination Plant, PhD Thesis, Department of Mechanical Engineering, Zaragoza, Spain, [2] Kullab, A.; "Desalination Using Membrane Distillation Experimental and Numerical Study", PhD Thesis, Division of Heat and Power Technology, Department of Energy Technology, Royal Institute of Technology, [3] Lian-ying, Wu.; Sheng-nan, Xiao.; Advances in Materials Physics and Chemistry, 2, , [4] Al-shayji, K.A.; "Modeling, Simulation, and Optimization of Large Scale Commercial Desalination Plant, PhD Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, [5] Semiat, R.; Environmental Science & Technology, 42 (22) , [6] Shah, B.; Solar Energy: The Ultimate Renewable Resource ", India Institute of Technology, India, [7] Water Desalination Plant Engineering Book, Abadan Oil Refining Company, Abadan, Iran, نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC( سال نهم شماره 1 بهار 94 69

12 ... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی ]7[ آبادان نفت پاالیش شرکت تقطیری کن شیرین آب واحد کوکی] PFD]1 6 نمودار 1 پیوست هؼادالت. 2 پی ست 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 70

13 جعفری نصر و همكاران پیوست 2 معادالت کمکی ]1 و 6[ نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC( سال نهم شماره 1 بهار 94 71

14 ... فرایند در خنککننده آب مصرف بهینهسازی و مدلسازی 3 و 2 1 جدولهای اختصاری عالیم و نمادها Bj, kg/h Hbj, kj/kg Hvj, kj/kg Dj, kg/h CB,j, % R, kg/h CPRj, J/kg.K J/kg.K., CPDj CPBj, J/kg.K T*, K TF,j,TD,j & TB,j, K Bo, kg/h CB,o,% CR,% TB,o, K CPH, J/kg.K mst, kg/h λst, kj/kg UH, W/m2.C AH, m2 TS, K BN, kg/h BD, kg/h HbR, HbDR & HbN, kj/kg CW, kg/h F, kg/h SR, kg/h j مرحله در تبخیر درحال آب جرمی دبی j مرحله در گردشی آب آنتالپی j مرحله در اشباع آب بخار آنتالپی j مرحله در شیرین آب آب جرمی دبی j مرحله در نمک غلظت میزان گردشی آب جرمی دبی کننده خنک شور آب گرمایی ظرفیت تولیدی شیرین آب گرمایی ظرفیت تبخیر درحال شور پساب گرمایی ظرفیت مرحلهj شور پساب و شیرین کننده خنک شور آب دمای کن گرم از خروجی گردشی آب جرمی دبی کن گرم از خروجی گردشی آب در نمک غلظت کن گرم به ورودی گردشی آب در نمک غلظت کن گرم از خروجی گردشی آب دمای کن گرم به ورودی گردشی آب متوسط گرمایی ظرفیت کن گرم به ورودی بخارآب جرم کن گرم به ورودی بخارآب تبخیر نهان گرمای کن گرم حرارت انتقال کلی ضریب کن گرم حرارت تبادل کلی سطح کن گرم به ورودی بخار اشباع دمای گرما دفع بخش مرحله آخرین در گردشی آب جرمی دبی زیرکش آب جرمی دبی گرما دفع بخش خروجی شور پساب آنتالپی هوازدا خروجی آب و گردشی آب کننده خنک آب جرمی دبی جبرانی آب جرمی دبی واحد به ورودی خوراک آب جرمی دبی 94 بهار 1 شماره نهم سال )JARC( شیمی در کاربردی پژوهشهای نشریه 72

15 JARC Modeling and optimization of cooling water consumption in the multi stage flash distillation process M.R. Jafari-Nasr 1, * K. Bakhtari 2 and I. Khoshrou 3 1. Prof. of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran 2. Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran 3. PhD student in Energy Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran Recieved: October 2014, Revised: February 2015, Accepted: April 2015 Abstract: In the multi stage flash distillation type of brackish water desalination, the main stream supply feed water is rejected. This water actually is the cooling water which adsorbs the latent heat of vapors of the recirculating boiling brine in the heat rejection evaporator and leads to produce distillate water. In the industries like petroleum refineries, which are located beside the rivers, raw water after pretreatment and clarification with coagulants and other chemicals, now named clarified water, goes to water desalination plant as feed water. The return of more than 50 percent of the treated water to the river with around 14 C temperature increase which is not acceptable and considered as waste. Nevertheless, by using cooling tower system, it can be recycled in this process. This paper represents optimization of water desalination process in a petroleum refinery as a case study, where for the first time; the result of this study has been performed. In this research, it is clearly shown that how by using of proper data gathering, modeling and simulation of process with appropriate use of equations and employment of the basic concepts of thermodynamic a significant saving can be achieved. It is found that for each of three exist thermal desalination plants up to 52 percent of feed water, i.e.; 667 m 3 /h and same amount of reject water can be conserved. Though, with this modification, the unit steam consumption has been increased up to 13 ton/h, about 50 percent of design. Keywords: Flux, Fouling, Membrane, Microfiltration *Corresponding author Nasrmrj@ripi.ir Journal of Applied Research in Chemistry 85