مطالعات موردی از برج و قطعات داخلی بهینه‌سازی‌شده در کارخانه‌های شیمیایی

افزایش بازدهی تقطیر با استفاده از اجزای داخلی پیشرفته برج

مشکلات رایج در برج‌های تقطیر متعارف

برج‌های تقطیر قدیمی در طول کارکرد با انواع مشکلاتی از جمله سرریز شدن، مشکلات ناشی از همراه شدن مایع با بخار و پدیده کف کردن مواجه می‌شوند که عمدتاً ناشی از طراحی قدیمی صفحات یا فرسودگی مواد پرشینگ است. بر اساس تحقیقات اخیر سال گذشته در مورد یکپارچگی مواد، این گونه ناکارآمدی‌ها به طور متوسط بین ۱۵ تا ۳۰ درصد از سطح مؤثر تماس بین فاز بخار و مایع را در مقایسه با سیستم‌های جدیدتر کاهش می‌دهند. این مشکل با افزایش عمر تجهیزات بدتر می‌شود، زیرا زیرساخت‌های قدیمی تمایل به ایجاد شرایط عدم توزیع یکنواخت دارند که در آن مایع و بخار به صورت یکنواخت در سراسر سیستم جریان نمی‌یابند. این توزیع نامتعادل باعث کاهش دقت فرآیند جداسازی شده و در نهایت نیاز به مصرف انرژی بیشتری برای دستیابی به نتایج مشابه دارد.

چگونه قطعات داخلی پیشرفته ستون‌ها، کارایی جداسازی را بهبود می‌بخشند

اجزای داخلی جدیدتر مانند مواد بسته‌بندی ساختاریافته و سیستم‌های پیشرفته صفحه‌ای بهبود قابل توجهی در نحوه تعامل فازهای مختلف درون تجهیزات ایجاد کرده‌اند و مشکلات زیادی را که در رویکردهای طراحی قدیمی‌تر وجود داشت، رفع نموده‌اند. به عنوان نمونه‌ای از این پیشرفت، صفحه‌های شیری با بازده بالا را می‌توان نام برد که افت فشار را بین ۴۰ تا ۶۰ درصد کاهش داده‌اند، در حالی که همچنان عملکرد پایداری را حتی در شرایطی که ترکیب خوراک روز به روز تغییر می‌کند، حفظ می‌کنند. واحدهای فرآوری شیمیایی اکنون می‌توانند به استانداردهای خلوص هیدروکربن نزدیک به ۹۹٫۵ درصد دست یابند که حدود ۱۲ تا ۱۸ درصد بالاتر از صفحه‌های الکی معمولی است. شکل هوشمندانه این اجزای مدرن همچنین باعث می‌شود حجم کمتری از مایع در سیستم گیر کند، بنابراین کل سیستم به سرعت بیشتری به تغییرات شرایط در حین عملیات واکنش نشان می‌دهد.

صفحه‌های سوپرفراک با بازده ۹۲ تا ۱۰۰ درصد: طراحی و تأثیر

ظرف سوپرفراک دارای طراحی جریان دوگانه است که بهترین ویژگی‌های فناوری ظروف کلاه‌دار حبابی و صافی را ترکیب می‌کند. این ظروف دارای کانال‌های بخار جداگانه هستند که در کاربردهای تقسیم‌کننده C3، بازدهی بین ۹۲ درصد تا تقریباً ۱۰۰ درصد کامل دارند. این مقدار حدود ۲۵ درصد بهتر از آنچه در سال گذشته بر اساس برخی معیارهای صنعتی برای ظروف استاندارد مشاهده شده است. عملکرد بهبودیافته به این معناست که نیروگاه‌ها می‌توانند بدون نیاز به نصب ستون‌های بزرگ‌تر، ظرفیت برج اتیلن خود را حدود ۱۰ تا شاید حتی ۱۵ درصد افزایش دهند؛ که این امر باعث جذابیت ویژه این ظروف برای ارتقای تأسیسات موجود می‌شود. علاوه بر این، نکته دیگری نیز وجود دارد که اشاره به آن ارزش دارد: پوشش‌های ویژه‌ای که برای جلوگیری از رسوب‌گذاری به کار می‌روند، زمان‌های توقف تعمیر و نگهداری در فرآیند تولید پروپیلن درجه پلیمری را در مقایسه با سیستم‌های سنتی تقریباً به اندازه دو سوم کاهش می‌دهند.

این پیشرفت‌ها نقش حیاتی بهینه‌سازی را برجسته می‌کنند تامین تجهیزات صنعتی شیمیایی در بهبود عملکرد تقطیر. واحدهایی که از اجزای داخلی مدرن استفاده می‌کنند، معمولاً دوره بازگشت سرمایه را در عرض کمتر از 18 ماه به لطف صرفه‌جویی در انرژی و افزایش ظرفیت تجربه می‌کنند.

ارتقای ظرفیت برج‌های فرآوری شیمیایی از طریق راه‌حل‌های بازسازی

رفع محدودیت‌های زیرساخت‌های قدیمی تقطیر برای افزایش ظرفیت تولید

بیش از نیمی از تمام برج‌های تقطیر ساخته‌شده قبل از سال 2000 با مشکلات جدی در عبور دебی مواجه هستند، زیرا طراحی اولیه صفحات آنها منسوخ شده و سیستم‌های توزیع آنها به‌سادگی برای نیازهای مدرن اندازه‌گذاری نشده‌اند. هنگامی که کارخانه‌ها این سیستم‌های قدیمی را با مواد بسته‌بندی ساختاریافته جدیدتر ارتقا می‌دهند و به جای فناوری‌های قدیمی سرکپسولی، از صفحات دوطرفه جریان استفاده می‌کنند، معمولاً طبق تحقیقات اخیر منتشرشده توسط IntechOpen، حدود ۲۰ درصد کاهش در افت فشار مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، در یک کارخانه تولید پلی‌اتیلن، مهندسان صفحات شیری سنتی پنج مرحله‌ای را با طراحی‌های ضد ترشت تعویض کردند و همزمان سیستم توزیع فید را نیز بازسازی کردند. نتیجه؟ افزایشی شگفت‌انگیز معادل ۴۰ درصد در ظرفیت کلی که کاملاً از طریق ارتقای تجهیزات و بدون نیاز به تخریب دیوارها یا بازسازی سازه‌ها حاصل شد.

مطالعه موردی: افزایش ۲۶ درصدی تولید اتیلن از طریق بازسازی برج تقسیم‌کننده

یکی از واحدهای بزرگ تولید اتیلن در ساحل خلیج با اجرای یک بازسازی هدفمند، به رفع مشکل مداوم سیلابی شدن برج C2 پرداخت:

• نصب صفحات MVG با قابلیت افزایش موج که توانایی تحمل بار بخار ۳۲ درصدی بیشتری دارند
• ارتقای لوله‌های بازگشتی از مبدل حرارتی (ربویلر) از قطر ۱۸ اینچ به ۲۴ اینچ
• اجرا و پیاده‌سازی نازل‌های ورودی مواد با بهینه‌سازی جریان سیالات با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

یک پروژه در سال 2023 که حدود 9.2 میلیون دلار هزینه داشت، توانست مصرف انرژی را حدوداً 15 درصد کاهش دهد و در عین حال تولید سالانه اتیلن را به اندازه‌ای افزایش دهد که حدود 47 میلیون دلار فروش اضافی ایجاد شود. بررسی این بازسازی دوباره اتیلن‌گیر نشان‌دهنده موضوع جالبی در مورد بهبود واحد تولید نسبت به ساخت مجدد کامل آن است. هنگامی که شرکت‌ها تصمیم می‌گیرند تجهیزات موجود را ارتقا دهند به جای اینکه کل برج‌ها را تعویض کنند، بازگشت سرمایه بسیار سریع‌تری دارند. در این پروژه خاص، بازگشت سرمایه تنها در 11 ماه حاصل شد، در حالی که تعویض کامل برج‌ها معمولاً بین سه تا چهار سال طول می‌کشد تا از نظر مالی نقطه سربه‌سر خود را برساند.

ارتقاءهای داخلی سفارشی برای کاربردهای اوالفین و جداکننده C4

بخش تولید اولفین با برخی مشکلات بسیار خاصی مواجه است، به‌ویژه در مورد مسائل مربوط به تجمع پلیمر. به عنوان مثال، یک جداکننده C4 که سالانه حدود ۴۵۰٬۰۰۰ تن متریک مواد را فرآوری می‌کند. هنگامی که اپراتورها در این واحد، صفحات فولاد ضدزنگ روکش‌دار 317L نصب کردند—که حدود ۸۰٪ کمتر از مواد استاندارد 304SS دچار گرفتگی می‌شوند—همراه با اجرای سیستم‌های توزیع مایع از ترانشه به ترانشه و شست‌وشوی ورودی بخار با دستگاه‌های گیره‌ای بخاری (Vapor horn inlet scrubbers)، شاهد افزایش ۱۸٪ در ظرفیت عبور بودند. و چه بسا؟ آن‌ها همچنان توانستند خلوص بوتا دی‌ان را در سطح قابل توجه ۹۹٫۵٪ حفظ کنند. بر اساس مطالعات مهندسان، این نوع راه‌حل‌های بازسازی سفارشی می‌توانند عمر تجهیزات را بین ۱۲ تا ۱۵ سال دیگر نیز افزایش دهند. هزینه‌های تعمیر و نگهداری نیز به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، به‌طوری که در طول دوره عملیاتی معمول ۲۵ ساله، سالانه بین ۳٫۲ میلیون تا ۴٫۸ میلیون دلار کاهش یابد. این مقدار بازگشت سرمایه برای مدیران نیروگاهی که به دنبال بهینه‌سازی عملیات خود بدون هزینه‌های سنگین هستند، بسیار قابل توجه است.

صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی از طریق بهینه‌سازی قطعات داخلی

کارخانجات شیمیایی مدرن باید هزینه‌های رو به افزایش انرژی را در کنار تولید ثابت مدیریت کنند. ارتقاء قطعات داخلی ستون‌های تقطیر راهی اثبات‌شده برای بهبود بازدهی است که هزینه‌های عملیاتی و تأثیرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد.

کاهش نسبت دوباره جوشاندن و مصرف بخار با صفحات با بازده بالا

طرح‌های پیشرفته صفحات — از جمله طرح‌های جریان دوطرفه و چندین تخلیه‌کننده — گرادیان‌های هیدرولیکی را به حداقل می‌رسانند و امکان کاهش نسبت دوباره جوشاندن تا ۱۵ تا ۳۰ درصد نسبت به صفحات الکی معمولی را فراهم می‌کنند. این امر به طور مستقیم بار مجددگرم‌کننده و مصرف بخار را کاهش می‌دهد. برخی از هندسه‌های صفحه، بازده جداسازی را حتی در سرعت‌های بخار معادل ۶۰ درصد استاندارد حفظ می‌کنند و انعطاف‌پذیری عملیاتی را در دوره‌های کم‌تقاضا فراهم می‌آورند.

داده‌های عملکرد: کاهش ۲۰ درصدی مصرف بخار پس از ارتقاء

یک ارتقاء انجام‌شده در سال ۲۰۲۳ بر روی یک جداکننده C4 بهبودهای قابل اندازه‌گیری‌ای نشان داد:

METRIC	قبل از ارتقاء	بعد از بازسازی
مصرف بخار	۳۸٫۲ تن/ساعت	۳۰٫۵ تن/ساعت
نسبت دوباره جوشاندن	3.8:1	3.1:1
ارتقای ۱.۲ میلیون دلاری در عرض ۱۴ ماه از طریق صرفه‌جویی در هزینه‌های انرژی بازگشت سرمایه داشت و نشان داد که نوآوری‌ها در تامین تجهیزات صنعتی شیمیایی چگونه بازدهی سریعی در عملیات تقطیر فراهم می‌کنند.

تعادل بین سرمایه‌گذاری اولیه و صرفه‌جویی بلندمدت در مصرف انرژی

اگرچه قطعات داخلی پیشرفته دارای هزینه اولیه‌ای ۲۵ تا ۴۰ درصد بالاتر هستند، اما بهبود ۸ تا ۱۵ درصدی راندمان آنها منافع تجمیعی ایجاد می‌کند. تحلیل چرخه عمر برای واحدهای الفین نشان می‌دهد که صفحات بهینه‌سازی شده هزینه کل مالکیت (TCO) را در طی پنج سال ۱۸ تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهند و فواصل تعمیرات تا ۳۰ تا ۵۰ درصد به دلیل کاهش گرفتگی افزایش می‌یابد.

نقش مدل‌های شبیه‌سازی در بهینه‌سازی شرایط عملیاتی برج

مدل‌های امروزی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) عملکرد تسمه‌ها را با دقت ۳ درصد در محدوده تنظیم دبی پیش‌بینی می‌کنند. مهندسان از این ابزارها برای ارزیابی بیش از ۵۰ پیکربندی داخلی به صورت دیجیتال استفاده می‌کنند و تنظیمات بهینه‌ای را شناسایی می‌کنند که ضمن دستیابی به اهداف خلوص، مصرف انرژی را به حداقل می‌رسانند. بهره‌بردارانی که از شبیه‌سازی استفاده می‌کنند، چرخه‌های بهینه‌سازی سریع‌تری تا ۴۰ درصد نسبت به روش‌های سنتی آزمون و خطا گزارش داده‌اند.

رفع مشکلات و راه‌حل‌های تخصصی برای فرآیندهای شیمیایی چالش‌برانگیز

تشخیص اجزای داخلی تخریب‌شده و رسوب‌گذاری در برج‌های تقسیم‌کننده

رسوب‌گذاری و تخریب داخلی عامل ۴۲ درصد از توقف‌های برنامه‌ریزی‌نشده در سیستم‌های تقطیر شیمیایی هستند (IChemE 2023). رویکردهای تشخیصی یکپارچه، اسکن لیزری برای ارزیابی تغییر شکل تسمه‌ها را با مدل‌سازی CFD ترکیب می‌کنند تا موارد زیر را شناسایی کنند:

• افت فشار بیش از ۱۵ درصد بالاتر از مقادیر طراحی‌شده
• نقاط حساس خوردگی در مناطق ورودی برج تقسیم‌کننده C4
• مسدودشدگی پلیمرها در مجاری خروجی برج اولفین

اسکن گاما در زمان واقعی به شدت مؤثر بوده است و مطالعه‌ای در سال 2022 در یک کارخانه اتیلن نشان داده است که دقت پیش‌بینی زمان تعمیرات مورد نیاز به 89٪ می‌رسد.

مطالعه موردی: رفع گرفتگی در کارخانه متانول با استفاده از فناوری ضد گرفتگی

یک تولیدکننده متانول در جنوب آسیا به دلیل رسوب نمک آمین در برج تصفیه خود، به طور مکرر با کاهش خروجی مواجه می‌شد. پس از بازسازی با فناوری ضد گرفتگی، نتایج شامل موارد زیر بود:

METRIC	قبل از ارتقاء	بعد از بازسازی
طول دوره کارکرد	58 روز	182 روز
فشار افت ستون	1.8 بار	1.1 بار
خلوص متانول	99.2%	99.7%

این راه‌حل ترکیبی از موارد زیر بود:

1. پوشش‌های ضدالتصاق فوق‌العاده صاف (Ra ≤ 0.8 μm)
2. پخش‌کننده‌های مایع با زوایای پاشش 30 درجه برای جلوگیری از جاری شدن دیواره‌ای
3. شیرهای سینی خودتمیزکننده که ذرات را در حین عملکرد خارج می‌کنند

این اقدام، توقف سالانه را به میزان 1440 ساعت کاهش داد و ظرفیت عبوری را 19٪ افزایش داد.

پیکربندی‌های داخلی سفارشی‌سازی‌شده برای راکتورهای فرم آلدهید و کاربری‌های سنگین

سنتز فرم آلدهید نیازمند مواد مقاوم در برابر خوردگی و انتقال جرم کنترل‌شده است. نصب‌های اخیر شامل موارد زیر هستند:

• سیستم‌های توزیع مجدد بخار برای جلوگیری از گرمایش محلی
• چیدمان‌های ترکیبی بسته‌بندی-سینی که بازده جداسازی را به حداکثر می‌رسانند
• سازگاری‌های کریوژنیک برای جداکننده‌های اکسید اتیلن که در دمای 80- درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند

در فرآیندهای کلر-قلیایی، سرپوش‌های حبابی روکش‌دار زیرکونیوم عمر مفیدی هشت برابر طولانی‌تر از فولاد استنلس استیل 316SS در برابر بخارات مرطوب کلر نشان داده‌اند و به‌طور قابل توجهی فرکانس تعویض و خطرات ایمنی را کاهش می‌دهند.

سوالات متداول

مشکلات رایج در برج‌های تقطیر متعارف چیست؟

برج‌های تقطیر متعارف اغلب با مشکلاتی مانند سیلاب شدن (flooding)، همراه شدن مایع با بخار (entrainment)، کف کردن (foaming) و توزیع نامناسب جریان مواجه هستند که منجر به ناکارآمدی و مصرف انرژی بیشتر می‌شوند.

اجزای داخلی پیشرفته ستون چگونه کارایی تقطیر را بهبود می‌بخشند؟

اجزای داخلی پیشرفته ستون، مانند مواد بسته‌بندی ساختاریافته و صفحات کارآمد بالا، برهمکنش فازها را به‌طور قابل توجهی افزایش داده و افت فشار را کاهش می‌دهند که این امر منجر به کارایی جداسازی بهتر و مصرف انرژی کمتر می‌شود.

صفحات Superfrac چه مزایایی ارائه می‌دهند؟

صفحات Superfrac دارای طراحی جریان دوگانه هستند که باعث افزایش کارایی و ظرفیت بدون نیاز به ستون‌های بزرگ‌تر می‌شوند و بنابراین برای ارتقای تأسیسات موجود ایده‌آل هستند.

ارتقاء‌های داخلی سفارشی چگونه بر تولید اتیلن تأثیر می‌گذارند؟

ارتقاء‌های سفارشی می‌توانند مشکلات خاصی مانند سیل‌شدگی را هدف قرار داده و ظرفیت عبور و سطح خلوص را بهبود بخشند که منجر به افزایش ظرفیت تولید و کاهش هزینه‌های نگهداری می‌شود.

شبیه‌سازی چه نقشی در بهینه‌سازی فرآیندهای تقطیر ایفا می‌کند؟

مدل‌های شبیه‌سازی، مانند دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، امکان پیش‌بینی دقیق و بهینه‌سازی عملکرد سینی‌ها را فراهم می‌کنند که منجر به انجام سریع‌تر و کارآمدتر عملیات کارخانه می‌شود.