کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

کتاب پایداری در صنعت فرآیند

جامعیت و بهینه سازی

فصل ۱۱- کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی

 این فصل ارائه دهنده مروری بر موارد اجرایی منتخب از روش یکپارچه سازی فرایند برای مطالعات صنعتی موردی مختلف می باشد. مطالب ارائه شده در این فصل به خاطر محدودیت فضا نسبتا فشرده هستند؛ اطلاعات بیشتر در آثار ذکر شده در دسترس خوانندگان  قرار دارند.

۱۱-۱- بازیابی انرژی از یک واحد FCC

در این مطالعه موردی، شبکه مبدل حرارتی (HEN) مورد مطالعه یک فرایند کراکینگ کاتالیزوری روی بستر سیال[۱] (FCC)  یک ستون اصلی و یک مقطع غلظت گاز دارد (Al Riyamin, Klemes and Perry;2001). داده های جریان از ۲۳ جریان گرم و ۱۱ جریان سرد به دست آمده اند. هزینه مربوطه و داده های اقتصادی مورد نیاز برای تحلیل توسط صاحب پالایشگاه مشخص شده است. از راندمان مساحت افزایشی برای مرحله هدف گذاری طراحی بهبود استفاده شده است. این کار با استفاده از روش پینچ شبکه انجام شده است (Asante; 1996, Asante and Zhu; 1997)؛ این روش شامل یک مرحله تشخیص و یک مرحله بهینه سازی می باشد. در مرحله تشخیص، چند مرحله امیدوار کننده بهبود با استفاده از بسته نرم افزای UMIST ( که اکنون متعلق به دانشگاه منچستر می باشد) به نام SPRINT (2009) انجام شد. از این نرم افزار با در نظر گرفتن هزینه سرمایه در مقابل ذخیره انرژی، به منظور بهینه سازی طراحی اولیه نیز استفاده شد. سپس، گزینه های طراحی با هم مقایسه شده و مورد ارزیابی قرار گرفتند، پس از آن طراحی بهبود نهایی برای بررسی پایانی مطرح شد.

 موجد فرایند شناسایی شد و مصرف یوتیلیتی گرم فرایند MW46.055 برآورد شد؛ راندمان مساحت طراحی موجود ۸۰۵/۰ بود. پتانسیل ذخیره انرژی از منحنی های ترکیبی حاصله، که در شکل ۱۱-۱ نشان داده شده است به دست آمد. همانطور که در شکل مشاهده می شود، منحنی های ترکیبی نسبتا پهن هستند، به جز در منطقه اطراف پینچ.

هزینه سرمایه ، با فرض این که توزیع بهبود منطقه با توزیع شبکه موجود یکسان است، برآورد شد. با این روش، حداقل دمای بهینه بدست آمده برای  افزایشی حدود  ۵/۱۱ و برای  ثابت حدود ۵/۱۷ بدست آمد. این مقدار نشان می دهد که  در طراحی موجود از مساحت موجود به صورت نسبتا کارآمدی استفاده شده است. همچنین، جا برای بهبود بیشتر وجود دارد. از آنجا که ثابت  هدف یک برآورد محافظانه کارانه ارائه می کند، از مقدار افزایشی  معادل ۰/۱ ، برای تنظیم مقدار هدف بهبود استفاده شده است، که یک پتانسیل ذخیره انرژی در حدود MW 117/12 ایجاد می کند. تحلیل طراحی موجود نشان داد که چهار مبدل حرارتی فرایند- به– فرایند وجود دارند که حرارت را در سراسر طول پینچ فرایند (از بالا تا پایین پینچ)  انتقال می داده اند. همچنین از تحلیل انجام شده چنین برمی آید که بعضی از گرمکن های حرارتی یوتیلیتی لازم  برای جریان های فرایند زیر پینچ را تامین می کردند و نیز بعضی از سردکننده ها حرارت را از جریان های فرایند بالای پینچ بر می داشته اند. این تناقض ها در انرژی در قوانین پینچ حوزه احتمالی ذخیره انرژی در پروژه را تعیین می کنند.

[۱] Fluid Catalytic Cracking

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۲- رفع مشکلات سیستم تقطیر نفت خام یکپارچه حرارتی

یک مسئله بهبود سیستم پیش گرمایش نفت خام توسط سیکورا، واربوناو، و ایووناوا[۱] (۱۹۹۹) مورد مطالعه قرار گرفت. هدف از این مطالعه توسعه یک پروپوزال اصلاح توپولوژی برای صاحب پالایشگاه  بود که با یک سری ملزومات انعطاف پذیری راندمان انرژی بهتری نسبت به شبکه موجود داشته باشد. که در این صورت، تاسیسات تقطیر با چند ماده اولیه جایگزین کار خواهد کرد. سیستم پیش گرمایش تاسیسات تقطیر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و چند اصللاح/تغییر توپولوژی مورد ارزیابی قرار گرفتند.

جنبه بهبود یکپارچه سازی حرارت برای اولین بار توسط لینهاف[۲] (۱۹۸۶)  به صورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفت؛ وی یک قالب کاری برای بررسی بهبود و هدف گذاری مطرح نمود. سپس، آسانته و ژو[۳] (۱۹۹۷) روش پینچ شبکه را توسعه دادند. این راهکار هیبرید، که روش اکتشافی و برنامه نویسی ریاضی[۴] (MPR) را با هم ترکیب می کرد، از طریق یک روند تکرارشونده اجرا شد که دو مرحله اصلی آن شناسایی تنگنای انتقال حرارت HEN داده شده و پس از آن اجرای تغییرات/  اصلاحات برای غلبه بر آنها می باشد.

یک مبحث مهم دیگر در یکپارچه سازی فرایند، در نظر گرفتن شرایط عملیات مختلف در تاسیسات، جدا از در دسترس بودن مواد اولیه  مختلف در بازار، می باشد. مطالعه موردی که در مطالعه سابو، موراری و وودکاک[۵] (۱۹۸۵) گزارش شده است بر اساس روش های بهبود HEN ، که قبلا مطرح شد، بود، و افزایش بازیابی انرژی را با الزامات انعطاف پذیری که در تاسیسات فرایندی واقعی رایج هستند ترکیب می کرد.

واحد تقطیر نفت خام (شکل ۱۱-۳) شامل یک ستون تقطیر اصلی (با ظرفیت m³/h 6 ) می باشد که برای انکسار نفت خام به چهار محصول طراحی شده است: تقطیر سبک ، گازوئیل سنگین، سوخت دیزل و پسماندهای اتمسفریک. پیش گرمایش HEN حرارت را از اطراف پمپ و برخی از محصولات قبل از کوره بازیابی می کند. برای رساندن دمای نفت خام نهایی به مقدار هدف مورد نیاز ستون، حرارت باقیمانده از طریق احتراق گازهای سبک چگال نشده و گاز طبیعی اضافی فراهم می شود.

فرایند مذکور مشخصات زیر را دارد: (۱) وابستگی دما به ظرفیت حرارتی؛ (۲) تغییر فاز جزئی پیوسته نفت خام؛ (۳) تغییر دما، که در فرایند تقطیر اندک است؛ (۴) تغییر زیاد نرخ جریان گرم نسبت به تغییر در ترکیب مواد اولیه.

سه منبع یوتیلیتی موجود برای عملیات HEN گازهای سبک (مثل یک سوخت کوره ای برای سطوح دمای بالاتر)، بخار در فشار atm1 (bar 51325/1) و آب خنک کننده در دمای  ۱۸-۳۵ ، می باشند. داده های مورد استفاده برای برآورد هزینه یوتیلیتی عبارت اند از: $/kWy 7/68 برای گرمایش کوره، $/kWy 1/103 برای بخار، و $/kWy 30 برای سرمایش آب. برای این منظور از قانون هزینه سطح زیر استفاده شده است:

[۱] Seikora, Varbonav and  Ivonava

[۲] Linnhoff

[۳] Asante and Zhu

[۴] Mathematical Programming

[۵] Saboo, Morari and Woodcoch

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۳- کمینه سازی آب و فاضلاب در یک کارخانه آب مرکبات

این مطالعه موردی یک پروژه حداقل سازی آب و فاضلاب را توصیف می کند که برای یک کارخانه آب مرکبات گیری واقع در آرژانتین طراحی شده است (Thevendiraraj et al.; 2003). این مطالعه با استفاده از تکنولوژی پینچ آب (Wang and Smith; 1994) انجام شد. کارخانه فرآوری آب مرکبات مقدار زیادی آب تازه مصرف می کند. هدف اولیه این مطالعه کاهش آب تازه مصرف شده و فاضلاب تولید شده در کارخانه می باشد. در کارخانه فرآوری آب مرکبات فرایندهای زیر اجرا می شوند؛ انتخاب و تمیز کردن، استخراج عصاره آبمیوه، عملیات آبگیری، عملیات امولسیون سازی، عملیات پوست کندن.

کمینه سازی مصرف آب از طریق حداکثر سازی استفاده مجدد از آب و شناسایی فرصت هایی بازتولید آب حاصل شد. عملیات استفاده کننده آب با حداکثر غلظت آلاینده در ورودی و خروجی، مشخص شدند، این عملیات ها تابعی از خوردگی تجهیزات، محدودیت های رسوب ها، حداقل نیروی محرک انتقال جرم، و نرخ جریان آب محدودکننده در یک عملیات می باشند. مقادیر هدف حداقل آب تازه مورد نیاز را با استفاده از منحنی های ترکیبی محدودکننده برای شبکه طراحی آب تعیین کردند. روش های پینچ گرافیکی که بر اساس یک آلاینده خاص را میتوان توسعه داد تا بتوان چند آلاینده را نیز پوشش دهند. در هنگام کار با چند عملیات ، چند آلاینده، و چند منبع آب مسئله پیچیده تر می شود و بنابراین الگوریتم هایی که از اصول پایه ای پینچ استفاده می کنند و از طریق روشی بر مبنای MPR برای حل مسئله توسعه یافته است (Smith; 2005).

مسئله با استخراج داده آغاز شد: مشخصات هر جریان باید بر اساس غلظت آلاینده، سطح غلظت ورودی و خروجی و نرخ جریان محدودکننده در هر عملیات مشخص می باشد. داده ها در یک نمودار جریان شماتیک از کارخانه آب مرکبات ارائه شده است، که یک شبکه توزیع آب ساده سازی شده و تعادل جرم جریان های آب کارخانه را با هم ادغام میکند. ۱۱ عملیات که مصرف کننده آب تازه بودند شناسایی شدند. نیاز اکسیژن شیمیایی[۱] (COD) به دو دلیل به عنوان عنصری به نمایندگی تمام آلاینده ها انتخاب شد. اول این که، COD قابل توجه ترین بار آلاینده در اکثریت جریان های آب را اندازه گیری می کند؛ و دوم، COD مقادیر بسیار بالا را نشان می دهد.

[۱] Chemical Oxygen Demand

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۴- استفاده کارآمد از انرژی در سایر صنایع مواد غذایی و نوشیدنی

در مطالعات بسیاری از تکنولوژی پینچ  (و تحلیل یکپارچه سازی حرارت مربوط به آن) در صنعت فرآوری مواد غذایی انجام شده است. این صنعت یک پروفیل ترمودینامیکی بسیار متفاوتی نسبت به صنایع پتروشیمی و تصفیه دارد. در صنعت فرآوری مواد غذایی مشخصات جریان های فرایندی عبارت اند از دمای نسبتا پایین (معمولا  ۱۲۰-۱۴۰) ، تعداد کمی جریان گرم، تبخیر نقطه جوش محلولهای غذایی، رسوب قابل توجه مقیاس در اواپراتور و سیستم های بازیابی حرارت و عملیات فصلی.

با این وجود، تعدادی مطالعه دریافته اند که جنبه های خاصی از سیستم های فرآوری غذایی مانع کاربرد تکنولوژی پینچ و یکپارچه سازی حرارت می شوند. این جنبه ها شامل گرمایش مستقیم بخار، مشکلات در تمیز کردن سطوح مبدل حرارتی و دمای بالای یوتیلیتی ها می باشد. با وجود این مشکلات، مزایایی که می توان با اعمال تکنولوژی پینچ حاصل شود (مثل سیستم های بازیابی حرارت بهینه و کاهش مصرف انرژی) مشکلات انجام مطالعه را بیشتر می کند. همچنین، مزایای دیگری از بهبودهای تکنولوژیکی حاصل می شود؛ کاهش رسوب مقیاس به خاطر کاهش دمای یوتیلیتی، خود تنظیمی فرایندهای حرارتی و کاهش انتشار.

یک مطالعه موردی در مورد تولید روغن آفتابگردان تصفیه شده (Kelmes, Kimenov, Nenov: 1998) مزایای تحلیل فرایند بر اساس تکنولوژی پینچ و یکپارچه سازی حرارت را تشریح می کند. فرایند مورد مطالعه با حداقل اختلاف دمای  ۶۵ در پینچ فرایند کار می کند. گرمایش خارجی مورد نیاز سیستم توسط دو نوع یوتیلتی گرم فراهم می شود (بخار Dowtherm و بخار آب)؛ سرمایش خارجی مورد نیاز توسط دو یوتیلیتی سرد فراهم می شود: آب خنک کننده و آب خنک شده. از تحلیل ها چنین بر می آید که بازیابی حرارت افزایش یافته و حداقل اختلاف دما تا  ۸-۱۴ کاهش می یابد. افزایش در بازیابی حرارت (که از طریق کاهش در حداقل نیروی محرک برای فرایند ایجاد می شود) منجر به افزایش سطح انتقال حرارت می شود، اما این افزایش بیشتر از افزایش حاصل از کاهش در الزامات یوتیلیتی سرد و گرم بود. یک مزیت دیگر تحلیل انجام شده، کاهش در تعداد یوتیلیتی های مورد نیاز بود: حذف بخار آب وآب خنک کننده طراحی کلی را خیلی ساده سازی می کرد.

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۵- سنتز در سیستم های یوتیلیتی صنعتی

واربوناو و همکاران[۱] (۲۰۰۵) سنتز یک سیستم یوتیلیتی (شبکه CHP) مربوط به مجتمع صنعتی را مورد مطالعه قرار دادند؛ این مطالعه با به کارگیری ترکیبی از تکنیک های برنامه نویسی ریاضی و هدف گذاری انجام شد. شکل ۱۱-۱۳ نیاز سرمایشی و گرمایشی مجتمع شیمیایی مورد مطالعه را نشان می دهد.  دو سناریو برای کارکرد وجود دارد: برای زمستان و برای تابستان، با قیمت های مختلف برای توان و سوخت. داده های پایه برای مسئله در جدول های ۱۱-۳ و ۱۱-۴ ارائه شده است.

برآوردهای عمومی از ضرایب مربوطه برای کارکرد بویلر مشخص شدند (بویلرهایی که برای این منظور هستند نسبت به واحدهای بسته بندی شده کمی کارآمدترند). برآوردهای هزینه سرمایه به صورت آنلاین به دست آمدند (هزینه بویلر در سال ۲۰۰۳). این برآوردها تابعی از ظرفیت بویلر و فشار بخار هستند. کارکرد و هزینه توربین های گازی (در محدوده ای از MW 7/11 تا ۴/۸۵) با استفاده از داده های حاصل از Gas Turbine World (2001) برآورد شدند.

شکل ۱۱-۱۳ پروفیل های مجتمع و سطوح فشار بخار کاندید برای هر سه مسیر اصلی بخار یک مجتمع شیمیایی صنعتی (پروفیل منبع حرارت برای تابستان حرارت بیشتری نسبت به زمستان دارد).

[۱] Varbonave et al.

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۶- یکپارچه سازی حرارت و توان در ساختمان ها و مجتمع های ساختمانی

هرا، ایسلاس و آریولا[۱] (۲۰۰۳) یک مجتمع بیمارستانی که یک بخش اداری، یک بیمارستان عمومی، یک مرکز خشکشویی محلی، یک مرکز ورزشی و چند ساختمان عمومی دیگر دارد را مطالعه کردند. استفاده از سوخت دیزل ۷۵ درصد کل انرژی و ۶۸ درصد کل هزینه انرژی مجتمع را دربر می گیرد؛ ۱۳۱/۳۹۶ $ در سال ۱۹۹۹٫

در مجتمع بیمارستانی، تقاضای حرارت از طریق تولید بخار در بویلرهای که سوخت دیزل پرهزینه مصرف می کند، برآورد می شود. هیچ گونه بازیابی حرارتی بین منابع حرارتی موجود و حفره های حرارتی وجود ندارد. جریان های گرم سیستم آب صابونی و خاکی از خشکشویی و جریان بخار فشرده که در شبکه چگالش بازیابی نمی شود، هستند. داده های جریان در جدول ۱۱-۶ ارائه شده است.

برای این مجتمع بیمارستانی، حجم گرمایش خارجی مورد نیاز (یعنی مقدار هدف برای یوتیلیتی گرم) MW 64/388 می باشد، که می توان آن را در منحنی های ترکیبی گرم و سرد در شکل ۱۱-۱۷ مشاهده کرد. از این نمودار برای تعیین این که کدام سطح دمای یوتیلیتی این نیاز را ارضاء خواهد کرد استفاده می شود. مقدار هدف گذاری شده یوتیلیتی گرمایشی معادل MW 64/388 یعنی نیاز انرژی سالانه معادل TJ/y 26/12 است.

حجم گرمایش ارائه شده در واقع kW 28/625 است، که خدمات حرارتی که در حال حاضر به مجتمع منتقل می شود را نشان می دهد. این شکل پتانسیل ذخیره انرژی معادل ۳۸ درصد را نشان می دهد، که معادل کاهش سالیانه مصرف سوخت دیزل تا ۲۴۶٫۰۰۰ لیتر (به ارزش حدود ۱۰۰٫۰۰۰$) می باشد. برای کاهش تقاضای انرژی گرمایشی به مقدار هدف گذاری شده، تحلیل یکپارچه سازی حرارت نشان می دهد که چهار مبدل حرارتی اضافی باید به شبکه اضافه شود. دو تا از مبدل ها در خشکشویی لازم است که قسمتی از تقاضای حرارتی را پوشش دهد. مبدل سوم در اتاقهای تجهیزات لازم است که به گرمایش آب تغذیه بویلر کمک کند. مبدل چهارم نیز در منطقه مخزن چگالش لازم است که آب بهداشتی را گرم می کند. این تحلیل را می توان با بررسی مباحث متعدد دیگر؛ از جمله رسوب گذاری، افت فشار، و تغییر در تقاضای حرارت توسعه داد.

[۱] Herra, Islas and Arriola

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۷- طراحی بهینه یک زنجیره تأمین

در بازار جهانی کنترل مدیریت بهینه یک شرکت برای حفظ بقای آن ضروری است. چنین کنترل هایی شامل تصمیمات استراتژیک کارآمد می باشد که جنبه های مختلف زنجیره تأمین را در بر می گیرد؛ به عنوان مثال، تصمیمات مربوط به خود محصولات و نیز مکان تسهیلات و امکانات تولید و مراکر توزیع. وقتی هدف توسعه یا اجرای فرایندهای تجاری بسیار پیچیده باشد (یعنی زنجیره تامین، زنجیره ارزش) ، تصمیم گیری با کمک کامپیوتر ارجحیت دارد. یک راهکار سنتی برای ارزیابی سیستماتیک راهکارهای تصمیم گیری برنامه نویسی ریاضی[۱] می باشد، هرچند یک مسئله مدیریت روزانه اغلب از طریق روشهای MPR حل نمی شوند. حتی وقتی که بتوان از MPR برای حل مسئله استفاده کرد، باز هم تعیین این که برای راهکارهای تصمیم گیری مربوطه کدام فرمول ریاضی برای شناسایی راه حل بهینه مناسب و کامل است، دشوار است. وقتی که مدل ریاضی به صورت سیستمی تولید نمی شود، شانس مدل برای ارائه راه حل بهینه بسیار کم است.

این مطالعه موردی شامل تعیین طراحی بهینه از یک زنجیره تامین می باشد. در این جا، هدف زنجیره تامین برآورد یک حجم تقاضای مشخص برای محصول C در مکان L1 می باشد. سه گزینه مورد بررسی قرار گرفته اند: تولید محصول C در مکان L1، تولید محصول C در مکان L2 و سپس انتقال آن به مکان L1؛ یا ترکیبی از اینها. تولید محصول ملزم به موجود بودن قطعه A و B در یک مکان می باشد. قطعه A در مکان L3 و در حجم کمی در مکان L4 موجود است؛ این قطعه را می توان به مکان L1 یا مکان L2 منتقل کرد. قطعه B در مکان L2 است و می توان آن را به مکان L1 انتقال داد. فهرست فعالیت های بالقوه در جدول ۱۱-۷ ارائه شده است.

[۱] Mathematica Programming

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی ۱۱ کتاب پایداری در صنعت فرآیند

۱۱-۸- زمان بندی یک سیستم تولید رنگ بزرگ مقیاس

تولید رنگ معمولا از سه عملیات اصلی تشکیل شده است: سنگ زنی و پاشش، مخلوط کردن و رنگ آمیزی، تخلیه و بسته بندی. رنگ ها و پوشش ها معمولا به صورت دسته ای تولید می شوند. این مواد در واحدهای تجهیزات ثابت و متحرک؛ از قبیل میکسرهای پاششی، میکسرهای دسته ای دوار، مخلوط کن ها، آسیاب ها، و مخزن ها ساخته می شوند. مواد خام شامل حلال ها، رزین ها، رنگدانه ها و مواد افزودنی شامل مواد شیمیایی آلی و غیرآلی می باشد. در تولید رنگ معمولا واکنش های شیمیایی بین مواد خام انجام نمی شود، بنابراین محصول نهایی شامل مخلوطی از مواد خام مختلف می باشد. دوزهای مختلفی از محصولات نهایی در سایت تولید، تولید می شوند، بنابراین مسئله زمان بندی بسیار پیچیده می شود.