توسعه دانش فني مبدلهاي توليد هيدروژن و گاز سنتز

[*مینا*]

1. مقدمه:
هيدروژن و گاز سنتز دو ماده اوليه بسيار مهم در صنايع نفت، گاز و پتروشيمي محسوب مي شوند.ميزان توليد فعلي سالانه هيدروژن در جهان حدود 50 ميليون تن در سال است. در اين ميان 99% هيدروژن توسط فرآيند ريفرمينگ سوختهاي فسيلي (عمدتاً گاز طبيعي) با بخار آب توليد مي شود. 97% اين ميزان توليد در همان مكانهاي مصرف (پتروشيمي ها، پالايشگاهها و ...) مي باشد و حدود 3% به صورت تجاري و به منظور فروش توليد مي شود. عمده مصارف هيدروژن را مي توان در پالايشگاهها جهت فرآيند هيدروژناسيون، واحدهاي پتروشيمي جهت توليد آمونياك و متانول و همچنين تبديل پارافينها به الفينها ذكر كرد.
گاز سنتز به عنوان يك ماده واسطه بسيارقوي و مؤثر در توليد محصولات پتروشيميايي مختلف و همچنين در توليد هيدروژن، همواره در صنايع مختلف پائين دستي نفت و گاز مورد توجه فراوان بوده است .در جهان سالانه به ميزان Exajoule 6‌ گاز سنتز توليد مي شود. عمده مصرف آن در زمينه توليد آمونياك (53%)، توليد هيدروژن (23%) و توليد متانول (11%) است. بقيه مصارف شامل توليد الكتريسته و فرآيند GTL است كه سهم GTL در اين ميان معادل Petajoule 500 (%8) مي باشد.
با توجه به نياز فراوان صنايع مختلف از جمله نفت، گاز، پتروشيمي، صنايع غذايي، متالورژي و غيره به اين دو ماده با ارزش، پژوهشگاه صنعت نفت از سال 1379 فعاليتهاي گسترده اي را جهت توسعه و بومي سازي تكنولوژيهاي مختلف توليد هيدروژن و گاز سنتز آغاز نموده است. فعاليتهاي انجام شده به خوبي در بر گيرنده كليه اجزاء بوده و تاكنون منجر به كسب دانش فني در چند زمينه شده است.
2. مراتب و مراحل نيل به دانش فني از سال 1379 لغايت 1386
2-1- آزمايشات در مقياس آزمايشگاهي
اين آزمايشات در زمينه هاي جداسازي (محلولهاي آمين و جاذبها) و واكنش (كاتاليست هاي ريفرمينگ، شيفت و متاناسيون) انجام شده است كه در نتيجه آنها اطلاعات لازم استخراج گرديد. اطلاعات استخراج شده به كمك ابزار مدلسازي و شبيه سازي، خوراك لازم جهت طراحي واحدها را تامين نمود. همچنين، انجام چنين آزمايشاتي منجر به توسعه بانك اطلاعاتي قوي شده است.

نمونه اي از سيستمهاي آزمايشگاهي بكار رفته

2-2- مدلسازي و توسعه نرم افزار

مدلسازي بخشهاي اساسي از جمله كوره ريفرمر، واحد PSA و واحد آمين انجام شده است. وجود اطلاعات آزمايشگاهي قوي در هر مورد، پشتوانه مناسبي براي هر يك از مدلهاي توسعه داده شده، مي باشد. دقت و صحت مدلها با مراجع و اطلاعات عملي و تجربي آزمايش شده است. وجود اين مدلها كه همگي به صورت نرم افزارهاي مناسب توسعه داده شده اند ابزار مناسب طراحي و انجام محاسبات مهندسي را در اختيار قرار داده است. برخي از اين نرم افزارها به مرحله تجاري رسيده و به صنعت فروخته شده و در حال استفاده مي باشند (نرم افزار(Terraced wall modules) RIPI-RefSim پالايشگاه بندر عباس و نرم افزار
RIPI-Refsim (Top fired modules) پتروشيمي اراك ).
وجود چنين تجربه و مدلهايي زمينه را جهت توسعه نرم افزار جامع شبيه سازي و طراحي واحدهاي توليد هيدروژن و گاز سنتز (در حال اتمام)، كه كليه روشهاي توليد هيدروژن و گاز سنتز را پوشش مي دهد، فراهم نموده اند.

نمايي از نرم افزار RIPI-RefSim

2-3- كاتاليست ريفرمينگ
مطالعات آزمايشگاهي و پايلوتي در زمينه ساخت كاتاليست مناسب فرآيند ريفرمينگ جهت نيل به كاتاليست مطابق با استانداردهاي بين المللي انجام شده است. اين مطالعات بسيار جامع و شامل بررسي سينتيك، بررسي فرمولاسيون، طول عمر، مدلسازي، مقاومت مكانيكي و ... بوده است. ماحصل كار كسب دانش فني ساخت كاتاليست ريفرمينگ در مقياس صنعتي مي باشد كه هم اكنون در اختيار پژوهشگاه بوده و آماده ارائه به صنعت است.
لازم به ذكر است مطالعات و فعاليتهاي مشابهي نيز در مورد كاتاليستهاي HTSC، LTSC و Methanation انجام شده است.
2- 4- خالص سازي توسط محلول آمين
فعاليتهاي انجام شده در اين زمينه شامل مطالعات آزمايشگاهي، ترموديناميك محلولها، بازيافت آمين مستعمل، ساخت محلولهاي فعال شده با نام MPT، مدلسازي و شبيه سازي واحدهاي صنعتي و بررسي اقتصادي مي باشد.

الف

ب

)الف (- مقايسه بين MPT (محلول ساخته شده در پژوهشگاه صنعت نفت ) و MDEA ( حلال رايج در شيرين سازي ). هرچه ارتفاع و پايداري كف كمتر باشد آن حلال مناسبتر است. )ب (- تغييرات مقدار آمين در محلول MPTنسبت به زمان

مجموعه اين فعاليتهاي منجر به كسب دانش فني طراحي مهندسي واحدهاي شيرين سازي با آمين گرديده است كه نتيجه آن عقد قرارداد طراحي مهندسي يك واحد Super Pilot تا مرحله FEED با شركت ملي گاز مي باشد.
2-5- خالص سازي توسط روش PSA
پژوهشگاه صنعت نفت از سال 1370 تحقيقات مستمري را با هدف دستيابي به تكنولوژي ساخت جاذب ها و فرايندهاي جذب سطحي براي جداسازي و خالص سازي گازها آغاز نموده است.فعاليتهاي عمده، شامل بررسي سينتيك جذب، مطالعه انواع جاذبها، مدلسازي و شبيه سازي، طراحي و ساخت سيستم آزمايشگاهي و پايلوت، آزمايش روش PSA، تهيه فلسفه كنترل، و طراحي و اجراي برنامه كنترل PLCمي باشد. اين فعاليتها در مورد كاربردهاي مختلف از جمله جداسازي و خالص سازي هيدروژن، ازت و غيره انجام شده است. مجموعه اين تلاش ها منجر به كسب دانش فني ساخت جاذبهايي نظير غربال مولكولي كربني زئوليت 4A، كسب دانش فني فرايند PSA براي توليد نيتروژن از هوا، كسب دانش فني فرآيند جداسازي و توليد هيدروژن از گاز سنتز، و نيز توسعه نرم افزار شبيه سازي فرايند PSA‌ براي جداسازي گازها بوده است.

نمونه اي از يك سيستم PSA آزمايشگاهي

2-6- طراحي، نصب و راه اندازي پايلوت توليد گاز سنتز
اين پايلوت با ظرفيت Nm3/hr4 و بر اساس فرآيند Steam/CO2 Reforming و خالص سازي توسط واحد آمين، طراحي، نصب و راه اندازي شد. كليه مراحل مهندسي، نصب و راه اندازي در داخل پژوهشگاه انجام گرديد و نتايج آزمايشي آن بسيار موفقيت آميز بوده است. جهت كنترل عملكرد سيستم از روش كنترل پيشرفته PLC استفاده شده است.
شرايط عملياتي : دماي 0C 950، فشار 20 بار، خلوص 99/99 نسبت 1H2/CO>
خوراك: گاز طبيعي يا LPG.
لازم بذكر استDesign Package مربوطه موجود مي باشد.

پايلوت توليد گاز سنتز (روش خالص سازي آمين)

2- 7- طراحي، نصب و راه اندازي پايلوت توليد گاز سنتز و هيدروژن
اين پايلوت با ظرفيت Nm3/hr15 و بر اساس فرآيند Steam Reforming‌ جهت توليد هيدروژن، و فرآيند Steam/CO2 Reforming جهت توليد گاز سنتز، طراحي شده است. پايلوت دومنظوره بوده و قابليت توليد هيدروژن خالص و يا گاز سنتز خالص با نسبت H2/CO>2 را دارا مي باشد. در اين پايلوت از برنامه كنترل پيشرفته PLC جهت كنترل عملكرد سيستم PSA استفاده شده است.
شرايط عملياتي: دماي 0C950، فشار bar15.
خوراك: گاز طبيعي يا LPG.
لازم بذكر استDesign Package مربوطه موجود مي باشد.

پايلوت توليد گاز سنتز و هيدروژن (روش خالص سازي PSA)

3. ابزار، تخصصها و تجارب موجود

• سيستمهاي آزمايشگاهي در زمينه تست كاتاليست، محلولهاي آمين و روش PSA
• پايلوت PSA، توليد هيدروژن و پايلوت توليد گاز سنتز
• نرم افزارهاي شبيه سازي كه برخي از آنها تجاري شده و به صنعت نيز فروخته شده اند
• مدلهاي مختلف در زمينه كاتاليست، كوره، محلولهاي آمين و جاذبها
• شبيه سازي واحدهاي توليد هيدروژن، آمين و PSA
• تخصص و تجربه در زمينه طراحي واحدهاي آمين، PSA و ريفرمينگ
• دانش فني ساخت كاتاليست ريفرمينگ در مقياس تجاري
• تخصص و تجربه در زمينه طراحي و اجراي برنامه كنترل PLC