وثيقة
Exergy analysis of distillation sequence for ternary, quaternary and quinary systems.
الناشر
Sultan Qaboos University.
ميلادي
2020
اللغة
الأنجليزية
الملخص الإنجليزي
Distillation is a key separation technology for the chemical and petrochemical industries.
However, high energy consumption is drastically associated with distillations. Achievement of
0.99 product purity in a mixture separation process requires more than one distillation column.
This leads to many possible configurations of distillation columns for separating a multicomponent
mixture. The number of possible separation sequences increases dramatically with the number of
product components. Exergy analysis has appeared as a beneficial method to quantify the sources
of energy consumption in the process and optimize the most efficient alternative for a large number
of multicomponent mixtures separation alternatives.
The main objective of the current work is to obtain an optimal distillation sequence among
different sequences for ternary, quaternary and quinary systems by applying exergy analysis to
meet the desirable pure products with the minimum energy consumption. A separation of benzene,
toluene and xylene was applied in the ternary system. A distillation of ethane, propane, i-butane
and n-butane was carried on the quaternary system. In the quinary system, there was a separation
of propane, i-butane, n-butane, i-pentane and n-pentane in different sequences. The use of exergy
as an analysis tool has grown to a point where it can prove the possibility of designing more
efficient systems by minimizing the deficiencies in existing systems and identifying whether a
system is applicable to achieve sustainable development. To accomplish the analysis of the ternary,
quaternary and quinary systems, the distillation separations of the mixtures into pure components
were modelled using Aspen Hysys. The inputs were constant for all the sequences of the same type
system. Data related to mass and energy obtained from Aspen Hysys model has been extracted
and transferred to excel to calculate streams' exergy and thermodynamic efficiency of the
distillations. Irreversibility sources were found in the mass transfer of the phases, heat transfer in
reboilers, heat exchange in condensers, heat transfer caused by flows inside the column and
column external surface heat losses.
The results illustrated that the direct method at which benzene, toluene and xylene were separated
in sequence was the optimum configuration in the ternary system. The direct method can save
around 90% of the energy used in the indirect method. In the quaternary system, separating nbutane first followed by ethane separation then propane and i-butane separately consumed small
amount of energy and with low amount of entropy and became the optimum alternative. It can
save energy from 6 to 21%. In the quinary mixture, it was concluded that separating propane, ibutane, n-pentane, n-butane and i-pentane in sequence is exergetically beneficial and optimal with
good product purity. Energy savings of the quinary system optimal sequence was ranged between
vi
21% to 70%. Temperature change between summer and winter had an impact on exergy of the
ternary, quaternary and quinary systems. As environment/system temperature difference
increased, the system entropy increased as it processed to a final state in equilibrium with its
surrounding. Entropy and temperature are directly related and exergy consumption was
proportional to entropy action.
المجموعة
URL المصدر
الملخص العربي
يشكل التقطير تكنولوجيا فصل رئيسية في الصناعات الكيميائية والبتروكيميائية. ويصاحب ذلك زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة.
يتطلب فصل المخلوط الكيميائي إلى منتجات نقية بنسبة 99.0 إلى وجود أكثر من برج تقطير واحد. ويؤدي ذلك إلى العديد من
التشكيالت الممكنة لتسلسل أبراج التقطير لفصل خليط متعدد المكونات. ويزداد عدد متواليات الفصل الممكنة زيادة كبيرة مع
عدد المنتجات النقية. ويعد تحليل تسلسل التقطير طريقة مفيدة لتحديد مصادر استهلاك الطاقة في عملية التقطير. وتساعد هذه
الطريقة في التوصل لتحديد أكثر البدائل كفاءة لعدد كبير من بدائل فصل الخالئط المتعددة .
الهدف الرئيسي من هذا العمل هو الحصول على تسلسل تقطير أمثل بين تسلسالت مختلفة لثالثة أنظمة "ثالثية و رباعية و
خماسية" إلنتاج منتجات نقية و بأقل طاقة مستهلكة من خالل تطبيق تحليل الجهد. وقد نما استخدام تحليل الجهد كأداة تحليل إلى
درجة يمكن فيها إثبات مدى إمكانية تصميم نظم أكثر كفاءة عن طريق الحد من أوجه القصور في النظم القائمة وتحديد ما إذا
كان نظام ما يسهم في تحقيق التنمية المستدامة أم أنه غير مستدام.
ولتحقيق ذلك، بني نموذج فصل المخلوط الكيميائي إلى مكونات نقية باستخدام برنامج "أسبن هايسيس". والمدخالت ثابتة بالنسبة
لجميع التسلسالت المختلفة في النظام الواحد. ونقلت البيانات األساسية و بعض المخرجات من برنامج "أسبن هايسيس" إلى
برنامج "إك ِسل" لحساب معطيات وكفاءة الديناميكا الحرارية في التقطير. أهم المصادر الرئيسية لفقدان الطاقة في أبراج التقطير
هي، انتقال الكتلة بين المراحل المختلفة ، ونقل الحرارة في المبادل الحراري، ونقل الحرارة في المكثف، ونقل الحرارة بين
التدفقات داخل برج التقطير نفسه، وفقدان الحرارة عبر السطح الخارجي للعمود.
أظهرت النتائج الحسابية و التحليلية أن طريقة الفصل المباشر في النظام الثالثي في فصل البنزين 'benzene 'و التلويين
'toluene'و الزايلين 'xylene'هي التكوين األمثل ويمكن أن توفر 90 ٪من الطاقة المستخدمة مقارنة بطريقة الفصل الغير
أولا متبو اعا بفصل الإيثان 'ethane 'ثم فصل البروبان 'propane 'يليه المباشر. و فصل البيوتان الطبيعي 'butane-n'
البيوتان المتفرع 'butane-i 'يستهلك كمية قليلة من الطاقة وأقل عشوائية ويصبح البديل الأمثل للفصل في النظام الرباعي.
كما يسهم في توفير طاقة تتراوح بين %6 إلى 21 .%في الخليط الخماسي ، تم استنتاج أن فصل البروبان 'propane ،'
البيوتان المتفرع 'butane-i ،'البنتان الطبيعي'pentane-n ، 'البيوتان الطبيعي'butane-n 'و البنتان المتفرع-i'
'pentane بالتسلسل هو الخيار األمثل كمستهلك أقل للطاقة و منتج نقي للمنتجات الخمسة. و له أثر إيجابي في توفير ما نسبته
تتراوح بين 21 %إلى 70 %من الطاقة.
كما أثبت أن المتغيرات الطبيعية كتغير درجات الحرارة بين الصيف الشتاء يؤثر على الجهد المستهلك في عملية التقطير, و
يزداد الجهد المستهلك بزيادة عشوائية النظام في محاولته للوصول لنقطة التوازن مع المحيط. ذلك لأن العشوائية تتناسب طرديا
مع درجة الحرارة و الجهد يتأثر بالتغيير في عشوائية النظام .
يتطلب فصل المخلوط الكيميائي إلى منتجات نقية بنسبة 99.0 إلى وجود أكثر من برج تقطير واحد. ويؤدي ذلك إلى العديد من
التشكيالت الممكنة لتسلسل أبراج التقطير لفصل خليط متعدد المكونات. ويزداد عدد متواليات الفصل الممكنة زيادة كبيرة مع
عدد المنتجات النقية. ويعد تحليل تسلسل التقطير طريقة مفيدة لتحديد مصادر استهلاك الطاقة في عملية التقطير. وتساعد هذه
الطريقة في التوصل لتحديد أكثر البدائل كفاءة لعدد كبير من بدائل فصل الخالئط المتعددة .
الهدف الرئيسي من هذا العمل هو الحصول على تسلسل تقطير أمثل بين تسلسالت مختلفة لثالثة أنظمة "ثالثية و رباعية و
خماسية" إلنتاج منتجات نقية و بأقل طاقة مستهلكة من خالل تطبيق تحليل الجهد. وقد نما استخدام تحليل الجهد كأداة تحليل إلى
درجة يمكن فيها إثبات مدى إمكانية تصميم نظم أكثر كفاءة عن طريق الحد من أوجه القصور في النظم القائمة وتحديد ما إذا
كان نظام ما يسهم في تحقيق التنمية المستدامة أم أنه غير مستدام.
ولتحقيق ذلك، بني نموذج فصل المخلوط الكيميائي إلى مكونات نقية باستخدام برنامج "أسبن هايسيس". والمدخالت ثابتة بالنسبة
لجميع التسلسالت المختلفة في النظام الواحد. ونقلت البيانات األساسية و بعض المخرجات من برنامج "أسبن هايسيس" إلى
برنامج "إك ِسل" لحساب معطيات وكفاءة الديناميكا الحرارية في التقطير. أهم المصادر الرئيسية لفقدان الطاقة في أبراج التقطير
هي، انتقال الكتلة بين المراحل المختلفة ، ونقل الحرارة في المبادل الحراري، ونقل الحرارة في المكثف، ونقل الحرارة بين
التدفقات داخل برج التقطير نفسه، وفقدان الحرارة عبر السطح الخارجي للعمود.
أظهرت النتائج الحسابية و التحليلية أن طريقة الفصل المباشر في النظام الثالثي في فصل البنزين 'benzene 'و التلويين
'toluene'و الزايلين 'xylene'هي التكوين األمثل ويمكن أن توفر 90 ٪من الطاقة المستخدمة مقارنة بطريقة الفصل الغير
أولا متبو اعا بفصل الإيثان 'ethane 'ثم فصل البروبان 'propane 'يليه المباشر. و فصل البيوتان الطبيعي 'butane-n'
البيوتان المتفرع 'butane-i 'يستهلك كمية قليلة من الطاقة وأقل عشوائية ويصبح البديل الأمثل للفصل في النظام الرباعي.
كما يسهم في توفير طاقة تتراوح بين %6 إلى 21 .%في الخليط الخماسي ، تم استنتاج أن فصل البروبان 'propane ،'
البيوتان المتفرع 'butane-i ،'البنتان الطبيعي'pentane-n ، 'البيوتان الطبيعي'butane-n 'و البنتان المتفرع-i'
'pentane بالتسلسل هو الخيار األمثل كمستهلك أقل للطاقة و منتج نقي للمنتجات الخمسة. و له أثر إيجابي في توفير ما نسبته
تتراوح بين 21 %إلى 70 %من الطاقة.
كما أثبت أن المتغيرات الطبيعية كتغير درجات الحرارة بين الصيف الشتاء يؤثر على الجهد المستهلك في عملية التقطير, و
يزداد الجهد المستهلك بزيادة عشوائية النظام في محاولته للوصول لنقطة التوازن مع المحيط. ذلك لأن العشوائية تتناسب طرديا
مع درجة الحرارة و الجهد يتأثر بالتغيير في عشوائية النظام .
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية