در معادلهq,v کیفیت بخار و  گرمای نهان تبخیر است.  نیز به ترتیب غلظت جزء i در فاز مایع و ضریب اکتیویته آن هستند.
برای ساختار HIDiC نیز تلفات اکسرژی را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

که اکسرژی کمپرسور از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

با افزایش نسبت تراکم کمپرسور، تلفات اکسرژی در ساختار HIDiC افزایش می‌یابد. با این وجود، تلفات آن از تلفات اکسرژی برج تقطیر متداول کمتر می‌شود.
جمع‌بندی اثر انتگراسیون حرارتی داخلی برج‌های تقطیر بر روی میزان مصرف انرژی و کیفیت انرژی یا اکسرژی مورد بررسی قرار گرفته است. از آنجا که نسبت تراکم کمپرسور مهم‌ترین پارامتر تأثیرگذار است، محاسبات مربوطه به ازای مقادیر مختلف نسبت تراکم کمپرسور انجام شده است. پس از پیاده‌سازی ساختار HIDiC و انجام شبیه‌سازی، نتایج زیر به دست آمدند:
- انرژی مصرفی چگالنده و جوش‌آور کاهش می‌یابد. البته با افزایش نسبت تراکم کمپرسور نرخ کاهش بار حرارتی چگالنده و جوش‌آور نیز کاهش می‌یابد.
-کار مصرفی کمپرسور افزایش می‌یابد.
- مجموع انرژی مصرفی ساختار HIDiCابتدا کاهش و سپس افزایش می‌یابد.
- سطح انتقال حرارت مبدل حرارتی افزایش می‌یابد.
- تلفات اکسرژی افزایش می‌یابد. با این توضیح که به ازای بیشتر مقادیر نسبت تراکم کمپرسور تلفات اکسرژی ساختار HIDiCکمتر از برج تقطیر متداول است.
فصل چهارم
انتگراسیون حرارتی برج تقطیر
۴-۱- مقدمه
برج‌های تقطیر از رایج‌‌‌ترین عملیات واحد در صنایع فرآیندی و در عین‌حال، پرخرج‌ترین واحد از نظر میزان مصرف انرژی هستند. انرژی حرارتی تزریق شده در جوش‌آور خرج تبخیر مایع غنی از اجزاء سنگین شده و از آن طرف‌، انرژی یاد شده برای تأمین جریان برگشتی خارجی دور ریخته می‌شود.
برای بهبود راندمان مصرف انرژی دربرج‌های تقطیر، ایده‌های زیادی موجود است. یکی از جدیدترین آنها، انتگراسیون حرارتی داخلی است. در یک برج تقطیر متعارف، دمای بخش جذب پایین‌تر از بخش دفع است لذا نمی‌توان انرژی جوش‌آور را برای جریان برگشتی استفاده کرد. حال اگر بخش جذب دارای فشار قابل ملاحظه‌تری نسبت به بخش دفع باشد، آن‌گاه می‌توان در بخش جذب به دمای بالاتریرسید و انرژی جوش‌آورصرفه‌جویی شود.
جداسازی محصولات اولیه با بهره گرفتن از تقطیر بخش عمده‌ای از فرایند‌های شیمیایی می‌باشد. در برج تقطیر با بهره گرفتن از گرمای بالای موجود در جوش‌آور و دادن آن به دمای پایین‌تر چگالنده جداسازی انجام می‌شود. بنابراین برج تقطیر شبیه یک ماشین گرمایی است که کار جداسازی انجام می‌دهد. تقطیر فرآیندی با مصرف انرژی و بازگشت ناپذیری بالا می‌باشد.
۴-۲- بررسی بهبود کیفیت و راندمان مصرف انرژی در انتگراسیون حرارتی برج‌های تقطیر
عملیات تقطیر، متداول‌ترین فرایند جداسازی مواد محسوب می‌شود و از طرف دیگر، گران ترین واحد از نظر میزان مصرف انرژی است. این فرایند سهم قابل ملاحظه‌ای از مصرف انرژی در صنعت به خود اختصاص داده است؛ لذا امروزه با توجه به افزایش بی‌رویه مصرف حامل‌های انرژی و همین‌طور، قیمت‌های جهانی انرژی، تلاش برای یافتن راه‌کارهایی جهت صرفه‌جوئی انرژی در عملیات تقطیر، اهمیتی دوچندان یافته است.
انرژی لازم یک فرایند تقطیر از طریق جوش‌آور، تأمین می‌شود. با توجه به قابلیت در دسترس بودن و همین‌طور، اقتصاد فرایند، منابع تأمین گرما برای جوش‌آور عموماً شامل بخار آب، روغن‌های داغ و یا کوره‌ها هستند.
بخارات داغ در داخل برج به سمت بالا حرکت می‌کنند و با مایعاتی که به سمت پایین حرکت می‌کنند در چندین مرحله (روی سینی‌ها) تماس پیدا می‌کنند و در صورت وجود زمان کافی به تعادل می‌رسند. اجزاء سبک تبخیر شده و به فاز بخار وارد می‌شوند؛ در حالیکه اجزاء سنگین میعان می‌یابند و از فاز بخار به فاز مایع منتقل می‌شوند. بخارات در بخش بالاسری که غنی از اجزاء سبک است مایع می شوند. بخشی از این مایعات به برج، برگشت داده می‌شود و بخشی به عنوان محصول از بالای برج خارج می‌شود. شکل (۳-۱) نمای کلی یک برج تقطیر متداول را نشان می‌دهد]۱[.
گرمای حاصل از میعان، اغلب به هوا یا آب و یا هر دو منتقل می‌شود و گاهی نیز به عنوان پیش‌گرمکن جریان خوراک و یا در سایر موارد، استفاده می‌شود. در واقع، مقدار این انرژی قابل ملاحظه است و همین امر، بازیافت آن را جذاب‌تر می‌کند؛ اما به دلیل سطح دمایی پایین‌تر آن در مقایسه با دیگر مراحل برج به خصوص جوش‌آور، امکان استفاده مفید از آن برای گرمایش وجود ندارد. به علاوه بخشی از آن نیز به وسیله تشعشع و جابجایی از بدنه برج به محیط، منتقل می‌شود.
قیمت تمام شده انرژی در عملیات تقطیر، امروزه در کاهش قیمت تمام شده محصولات نیز می‌تواند بسیار مؤثر باشد. بنابراین مصرف بهینه انرژی و مقایسه با یک معیار استاندارد و آنالیز و تفسیر انحراف از حالت استاندارد در تمام مراحل، امری ضروری است. به همین دلیل، ارائه روش‌های کاهش مصرف انرژی نسبت به معیار استاندارد، اهمیت ویژه‌ای داشته و مورد توجه قرار گرفته است.
برای بهبود راندمان مصرف انرژی در برج‌های تقطیر، ایده‌های زیادی در متون مربوطه موجود است.
به طور کلی، این روش‌ها را می‌توان به سه دسته عمده زیر تقسیم‌بندی کرد:
۱- روش‌هایی که سرمایه موردنیاز آنها کم است
۲- روش‌هایی که هزینه آنها متوسط است
۳- روش‌هایی که نیازمند سرمایه‌گذاری کلان می­باشند
روش‌های با سرمایه‌گذاری کم، در واحدهای عملیاتی در حال کار، کاربرد دارند و روش‌های با سرمایه‌گذاری متوسط تا زیاد، اغلب در واحدهای جدید پس از بررسی‌های فنی- ااقتصادی و برآورد مدت زمان برگشت سرمایه قابل انجام است.
در یک واحد عملیاتی تقطیر، بازیافت انرژی از طریق بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی و اجرای برنامه‌های تعمیراتی پیشرفته، با صرف اندک سرمایه‌گذاری قابل حصول است. در بازنگری یک واحد موجود و همچنین در طراحی‌های جدید، بازیافت انرژی با سرمایه‌گذاری متوسط، با افزودن سیستم‌های بهبود عایق‌کاری و جابجایی سینی خوراک، قابل دسترس است. در نهایت با سرمایه‌گذاری زیاد و با بهره گرفتن از سیستم‌های ابزار دقیق، میعان دو مرحله‌ای و همین‌طور انتگراسیون حرارتی، می‌توان مقدار قابل توجهی از انرژی یا تلافی را بازیافت نمود.
یکی از جدیدترین روش‌های کاهش مصرف انرژی، انتگراسیون حرارتی داخلی است که به اختصار HIDiCنامیده می‌شود که با انتخاب متغیرهای عملیاتی در این آرایش و بررسی میزان صرفه‌جویی انرژی و نیز بررسی میزان بهبود کیفیت انرژی است. از مفهوم اکسرژی به عنوان ملاک کیفیت انرژی استفاده شده است]۱[.
۴-۳- انتگراسیون حرارتی داخلی برج‌های تقطیر
ساختار HIDiC در شکل (۴-۱) دیده می‌شود. هدف از ساختار HIDiC، فراهم کردن شرایط عملیاتی است که انتقال حرارت از بخش جذب (قسمت بالای خوراک) به بخش دفع (قسمت پایین خوراک) امکان‌پذیر شود. این امر مستلزم آن است که بخش جذب فشار قابل ملاحظه‌تری نسبت به بخش دفع داشته باشد. همانطور که در شکل (۳-۱) نیز مشاهده می‌شود، جریان بخار خروجی از بخش دفع با عبور از یک کمپرسور ضمن افزایش فشار و به تبع آن، افزایش دما به بخش جذب وارد می‌شود؛ اما پیش از ورود به بخش جذب، در یک مبدل حرارتی بخشی از انرژی حرارتی خود را به جریان مایع خروجی از بخش جذب منتقل می‌کند]۲[.
در یک ساختار HIDiC، بخش جذب در فشار بالاتری‌- و به تبع آن، در دمای بالاتری – نسبت به بخش جذب در برج‌های متداول کار می‌کند. بنابراین دمای چگالنده در ساختار HIDiC نسبت به برج‌های متداول بیشتر است و خود، موجب کاهش بار حرارتی چگالنده در ساختار HIDiC می‌شود. زیرا تغییرات دما و بار حرارتی چگالنده خلاف جهت یکدیگر است. از طرفی، جریان مایع خروجی بازگشتی از بخش جذب به بخش دفع و در ساختار HIDiC نسبت به بر‌ج‌های متداول، دما و در نتیجه انتالپی بالاتری دارد که خود، موجب کاهش بار حرارتی جوش‌آور می‌شود.
منفعت حاصل از ساختار HIDiC، کاهش بار حرارتی چگالنده و جوش‌آور است که موجب کاهش هزینه‌های سالیانه عملیات جداسازی می‌شود. معمولاً ساختار HIDiC منجر به کاهش مجموع بار حرارتی چگالنده و جوش‌آور بین ۲۰ تا ۵۰ درصد می‌شود. البته در مقابل هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه به دلیل افزوده شدن یک کمپرسور و یک مبدل حرارتی افزایش می‌یابد؛ لذا یک تبادلی بین هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه‌های سالیانه وجود دارد در نتیجه تصمیم‌گیری نهایی باید براساس سودآوری اقتصادی طرح، گرفته شود.

شکل۴ -۱ نمایی کلی از یک HIDiCایده آل]۲[
ناکایوا و همکارانش ]۲۰[یک تحلیل پارامتری از برج‌های یکپارچه حرارتی انجام داده‌اند و نتایج خود را با برج‌های معمولی مقایسه کرده‌اند. این محققین، پارامترهای زیر را به عنوان پارامترهای مهم در برج‌های یکپارچه حرارتی معرفی کرده‌اند:
- اختلاف فشار بین قسمت جذب و دفع
- کیفیت خوراک ورودی
- دبی خوراک ورودی
- ترکیب خوراک