مهندسی پتروشیمی

مقدمه

مهندسی پتروشیمی (petrochemical engineering) رشته‌ای از مهندسی شیمی است که به عملیات پالایش نفت یا نفت خام با استفاده از فناوری پیشرفته و فعالیت‌های مربوط به تولید هیدروکربن‌ها می‌پردازد. استخراج نفت خام از هسته زمین نیز بخشی از این رشته است. در دنیای امروز، مهندسی پتروشیمی شامل عملیات مربوط به استخراج مواد معدنی نیز می‌شود. این یکی از رشته‌های مهندسی شیمی است که به مردم می‌آموزد چگونه با استفاده از تجهیزات و ماشین‌آلات مناسب، مواد خام را از روی زمین به صورت موفق جمع‌آوری کنند.

فهرست جامع محصولات پتروشیمی بسط داده می‌شود. با این حال، موارد زیر برخی از رایج‌ترین پتروشیمی‌هایی است که توسط مردم عادی و نه فقط صنعتگران استفاده می‌شود:

• روغن موتور
• گازوئیل
• گاز طبیعی
• انواع پلاستیک
• ژله نفتی

ابررایانه‌ها توسط مهندسان نفت برای ارزیابی داده‌های اکتشافی، مدل‌سازی دینامیک مخزن، و خودکارسازی فعالیت‌های تولید و حفاری میدان نفتی استفاده می‌شوند.

چگونه می‌توان مهندسی گاز و پتروشیمی را با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) یک ابزار قدرتمند برای شبیه سازی جریان سیال، انتقال حرارت و فرآیندهای مرتبط در مسائل مختلف علمی و مهندسی است. برخلاف آزمایش‌هایی که فقط اجازه می‌دهند داده‌ها از تعداد محدودی از مکان‌های سیستم استخراج شوند (مانند کاوشگرهای فشار و دما، گیج‌های شار گرما و غیره)، CFD به تحلیلگر اجازه می‌دهد تا تعداد زیادی از نواحی را در منطقه مورد نظر بررسی کند و مجموعه‌ای جامع از پارامترهای جریان را برای تجزیه و تحلیل ایجاد می‌کند. علم CFD توانایی شبیه سازی هر شرایط فیزیکی را به صورت نظری فراهم می‌کند. با افزایش تقاضای انرژی، منابع اضافی درحال اکتشاف هستند و عملیات حفاری در سراسر جهان گسترش می‌یابد.

هرگونه پیشرفت در حفاری، تولید یا برنامه‌ریزی می‌تواند در هزینه اپراتورها صرفه جویی کند. درنتیجه، داشتن یک برنامه و توسعه یک دیدگاه کارآمد پیش از موعد درمورد عملیات پرهزینه و نامطمئن چاه نفت و گاز حیاتی است. علم CFD در کاربردهای مهندسی پتروشیمی مانند بهینه‌سازی عملکرد بیت، انتقال حرارت همرفتی بین محفظه‌ها و سیالات حلقوی، جریان در محیط‌های متخلخل، شبیه‌سازی جریان چندفازی برای طراحی جداکننده‌ها، جابجایی سیمان، پیش‌بینی فرسایش، تحلیل ریسک در حین انفجار، هیدرولیک حفاری و بهینه سازی پاکسازی سوراخ‌ها استفاده می‌شود.

روش CFD در شبیه سازی راکتورها (reactor)

راکتور شیمیایی مخزنی است که در آن یک واکنش شیمیایی انجام می‌شود. طراحی راکتور شیمیایی طیف وسیعی از مفاهیم مهندسی شیمی را دربر می‌گیرد. مهندسان شیمی راکتورهایی می‌سازند تا ارزش فعلی خالص واکنش را بهینه کنند. طراحان تضمین می‌کنند که واکنش تا حد امکان به طور مؤثر نسبت به محصول خروجی مورد نظر ادامه می‌یابد و درنتیجه بهترین بازدهی را به همراه دارد و در عین حال به کمترین پول برای خرید و اجرا نیاز دارد. مصرف انرژی، حذف انرژی، قیمت مواد خام، نیروی کار و سایر هزینه‌های عملیاتی منظم، همگی شامل می‌شوند. گرمایش و سرمایش، پمپاژ برای افزایش فشار، افت فشار اصطکاکی، و بهم زدن همگی نمونه‌هایی از جابجایی انرژی هستند.

در کاربردهای فرآیند شیمیایی، دینامیک سیالات محاسباتی به صرفه‌جویی میلیون‌ها دلار کمک می‌کند. این به مهندسان فرآیند بینش کاملی در مورد نحوه عملکرد واحدهای جداگانه در داخل می‌دهد. درنتیجه، چندین شرکت شیمیایی و فرآیندی در حال سرمایه‌گذاری برروی نرم‌افزار CFD و آموزش مهندسان خود برای افزایش بازدهی در جریان سیال، گرما و عملیات انتقال جرم هستند.

راکتورهای شیمیایی ممکن است با استفاده از چندین معادله بقای مربوط به حرکت سیال و انرژی، که با استفاده از الگوهای جریان سیال CFD و میدان‌های دما طراحی شده‌اند، برآورد شوند.

استفاده از CFD برای اسکرابر (scrubber)

گازهای خروجی از موتورهای دیزل دریایی حاوی آلاینده‌های مضر هوا مانند دی‌اکسید گوگرد، اکسید نیتروژن و ذرات پیچیده است. سیستم‌های اسکرابر (همچنین به عنوان اسکرابرهای شیمیایی یا گازی شناخته می‌شوند) تجهیزات مدیریت آلودگی هوا هستند که ممکن است ذرات و یا گازهای خاصی را از جریان‌های اگزوز صنعتی حذف کنند. اولین اسکرابر هوا برای حذف دی‌اکسید کربن از جو یک زیردریایی اولیه ساخته شد.

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های صورت گرفته در طراحی نازل و اتمیزه‌سازی مایع، امکان بهینه‌سازی فرآیند را بی‌سابقه فراهم کرده است. ویژگی‌های نازل و محل قرارگیری آن باید برای کاهش هزینه اجرای سیستم و کاهش خطرات ناشی از کاهش ناکافی آلودگی برای بهبود اسکرابر بهینه شود. تجزیه و تحلیل درجا بهترین ارزیابی را از مشخصه‌های اسپری در برج ارائه می‌دهد. با این حال این امر گاهی اوقات به صرفه است یا از نظر فیزیکی ممکن نیست. به جای بهینه سازی درون خطی، پروژه‌های دینامیک سیالات محاسباتی برای این کاربرد بسیار مفید شده‌اند. با CFD، مهندسان می‌توانند با شبیه سازی فرآیند تهویه گاز، کیفیت اسپری را در منطقه فرآیند واقعی اسپری ارزیابی کنند.

نمک زدایی (desalination) آب دریا با استفاده از CFD

نمک زدایی آب دریا بهترین فرآیند سازگار برای شهرستان‌هایی است که انرژی خورشیدی بالایی دارند. سیستم‌های تقطیر خورشیدی معمولاً از چوب یا صفحه فولادی برای افزایش شدت نور خورشید تشکیل شده است.

به دلیل اختلاف دما بین پوشش شیشه جلو و آب در حوضه، دستگاه خورشیدی (solar still) همچنان براساس اصل تبخیر و چگالش عمل می‌کند. خورشید به جمع‌آوری انرژی خورشیدی که روی پوشش شیشه‌ای جلویی می‌افتد، ادامه می‌دهد و دمای آب ناخالص را افزایش می‌دهد. آب گرم شده در سطح زیرین پوشش شیشه‌ای تبخیر و چگالش می‌شود و تمام ناخالصی‌ها در حوضچه باقی می‌مانند. با این حال، تبخیر-چگالش برای افزایش نرخ تولید آب شیرین در چنین سیستم‌هایی حیاتی است. درنتیجه، ارزیابی اثربخشی یک طرح دستگاه خورشیدی هم به کار واقعی و هم به ایجاد مدل‌های ریاضی مناسب نیاز دارد که بسیاری از جنبه‌های دستگاه خورشیدی را بررسی می‌کند.

این مقاله تعداد کمی از کاربردهای CFD را در بهبود مهندسی پتروشیمی پوشش می‌دهد. صنعت پتروشیمی پر از کاربردهای CFD است، از احتراق در فلر (flare) گاز گرفته تا شبیه‌سازی اسکرابر ونتوری (venturi scrubber) برای تولید جداسازی ذرات از جریان گاز، که یک چالش مهم در صنعت است.

دینامیک سیالات برای اکثر جنبه‌های بخش پتروشیمی اساسی است. اگرچه نمونه‌های اولیه واقعی برای مراحل بعدی توسعه استاندارد هستند، طراحی و بهینه سازی در مراحل اولیه می‌تواند با مطالعات CFD به طور قابل توجهی تسریع شود.

خدمات پردازشگران مهر

نرم افزار ANSYS Fluent برای شبیه سازی احتراق هوا-متان دو مرحله‌ای درمشعل گازی استفاده شد. سیستم فلر یک دستگاه احتراق است که در واحدهای صنعتی مانند پالایشگاه‌های نفت و گاز و تولید چاه‌های نفت و گاز به‌ویژه در سکوهای دریایی استفاده می‌شود. فلرهای گاز مسئول احتراق کاملاً تنظیم شده گازهای طبیعی منتشر شده در حین استخراج نفت هستند. درحقیقت، در طول فرآیند استخراج نفت، مقداری گاز طبیعی روی نفت موجود در مخازن جمع می‌شود. درنتیجه جمع آوری و ذخیره گاز طبیعی ارجح است ولی در صورت عدم احتمال آن را می‌سوزانند.

استفاده از سیستم فلر برای سوزاندن این گازها ابتدا از انفجار و سوختن خطرناک و غیرقابل کنترل آنها جلوگیری می‌کند. دوم، سوزاندن متان، تبدیل آن به دی‌اکسید کربن و رهاسازی آن در اتمسفر آسیب کمتری نسبت به انتشار متان دارد.

شعله و گازهای تخلیه شده از دودکش با استفاده از CFD برای ساخت و تجهیز یک کوره (Furnace) تجزیه و تحلیل شد. این کوره برای تأمین گرما برای عملیات‌های متعدد بیش از 400 درجه سانتیگراد در بخش‌های نفت، گاز و پتروشیمی استفاده می‌شود. غالباً کاهش ویسکوزیته روغن معدنی سنگین برای کمک به این روش با گرم کردن روغن در کوره ضروری است. هدف از این تحقیق، افزایش دمای متان است.

اسکرابرها در کوره‌های سیمان، کارخانه‌های شیمیایی و دارویی، بویلرهای صنعتی، کارخانجات طلا، صنایع متالورژی و زباله‌سوز استفاده می‌شوند. درنتیجه، پارامترهای شبیه سازی برای یک اسکرابر نمونه در آزمایش بعدی استفاده خواهد شد. با این پارامترها، ما ممکن است اسکرابرهای مختلف را در اندازه‌های مختلف شبیه سازی کنیم.

در این پژوهش، یک دستگاه اسکرابر سری 720 ونتوری در سایز 720-2 شبیه سازی شد. با این حال، با توجه به تنظیمات شبیه‌سازی در این اندازه، اگر بخواهیم از اسکرابر ونتوری (Venturi scrubber) برای سایر صنایع (با جریان گاز یا جریان ذرات مختلف) استفاده کنیم، شرایط ایده‌آل برای صنعت هدف ممکن است در زمان کمتری به دست آید.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی پتروشیمی

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی پتروشیمی به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شبیه سازی CFD طراحی راکتور
• CFD شبیه سازی جریان مایع/گاز در حال واکنش
• شبیه سازی واکنش شیمیایی CFD (احتراق، حذف NOx، و …)
• شبیه سازی CFD اوریفیس و اندازه گیری سیال
• شبیه‌سازی CFD چندفازی (جداکننده‌های گاز-مایع، رسوب‌گذاری، و …)
• شبیه سازی CFD انتقال گونه‌های شیمیایی
• شبیه سازی CFD انجماد و ذوب
• شبیه سازی CFD مخلوط‌کن‌ها
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی پتروشیمی را در فروشگاه آموزشی بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی پتروشیمی به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.