بهینه سازی شبکه آب و پساب یک پالایشگاه نفت‌ به‌کمک روش‌های ECTA و MILP

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد،گروه مهندسی شیمی‌، دانشگاه آزاد تهران شمال، تهران، ایران.

2 استادیار، بخش علوم حرارتی و سیستمهای انرژی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران *(مسوول مکاتبات).

3 استادیار، آزمایشگاه شیمی صنعتی، گروه شیمی کاربردی، دانشگاه قم، قم، ایران.

10.22034/jest.2018.20565.2961

چکیده

زمینه و هدف: بازیافت آب، به عنوان یکی از راه کارهای تاثیر گذار برای برون رفت از بحران آب تلقی می­شود. امروزه تکنیک­ها و روش­های متنوعی برای طراحی سیستم­های تخصیص آب توسعه داده شده­اند. بنابراین آب مورد استفاده در صنایع، تا سطح قابل قبولی کاهش پیدا می­کند.
روش بررسی: تکنولوژی پینچ آبی، یک تکنیک سیستماتیک برای آنالیز شبکه‌های آبی و کاهش هزینه‌‌های مربوطه است. همچنین این تکنیک در به حداقل رساندن هزینه­ها، ایجاد رابطه میان هزینه عملیاتی و هزینه سرمایه­ای در کنار رعایت استاندارد‌های محیط‌زیست مورد استفاده قرار می­گیرد. روش پینچ آبی اهداف بهینه سازی را تعیین می­کند، همچنین تغییرات مناسبی را نیز جهت طراحی شبکه­ای با امکان به حداکثر رساندن استفاده مجدد آب، احیا-استفاده مجدد/ بازچرخانی پیشنهاد می­دهد.
یافته ها:در مقاله حاضر شبیه سازی و بهینه سازی شبکه آب یک پالایشگاه نفت با استفاده از نرم افزار اسپن واتر Aspen Water  و  روش گرافیکی-ریاضی به اسم جدول الگوریتم مرکب (CTA) برای مدل استفاده‌ مجدد/بازچرخانی مورد بررسی قرار گرفت که منجر به کاهش چشمگیر مصرف آب تازه و پساب شد. سپس روش توسعه‌ جدول الگوریتم مرکب (ECTA) برای ارایه مدل احیا-استفاده مجدد/بازچرخانی ارایه شد.
بحث و نتیجه گیری: با استفاده از روش جدول الگوریتم مرکب در به حداقل رساندن نرخ جریان آب تازه، پساب و هزینه‌های مربوط به تامین آب تازه و تخلیه پساب در مقایسه با اسپن واتر نتایج بهتری ارایه شد. سپس توسعه یافته روش جدول الگوریتم مرکب با به کار گیری واحد احیا در کنار استفاده مجدد/بازچرخانی نتایج موفقیت آمیزی در بهینه سازی شبکه آب به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیستم، شماره دو، تابستان 97

                                                                

 

بهینه سازی شبکه آب و پساب یک پالایشگاه نفت­ به­کمک روش‌های ECTA وMILP

پروشات حدادی[1]

محمد حسن خوش گفتار منش[2]*

 m.khoshgoftar@qom.ac.ir

مهدی صدیقی[3]

علی بهرام همدانی1

 

تاریخ دریافت:12/6/95

تاریخ پذیرش:8/10/95

 

چکیده

زمینه و هدف: بازیافت آب، به عنوان یکی از راه کارهای تاثیر گذار برای برون رفت از بحران آب تلقی می­شود. امروزه تکنیک­ها و روش­های متنوعی برای طراحی سیستم­های تخصیص آب توسعه داده شده­اند. بنابراین آب مورد استفاده در صنایع، تا سطح قابل قبولی کاهش پیدا می­کند.

روش بررسی: تکنولوژی پینچ آبی، یک تکنیک سیستماتیک برای آنالیز شبکه‌های آبی و کاهش هزینه‌‌های مربوطه است. همچنین این تکنیک در به حداقل رساندن هزینه­ها، ایجاد رابطه میان هزینه عملیاتی و هزینه سرمایه­ای در کنار رعایت استاندارد‌های محیط‌زیست مورد استفاده قرار می­گیرد. روش پینچ آبی اهداف بهینه سازی را تعیین می­کند، همچنین تغییرات مناسبی را نیز جهت طراحی شبکه­ای با امکان به حداکثر رساندن استفاده مجدد آب، احیا-استفاده مجدد/ بازچرخانی پیشنهاد می­دهد.

یافته ها:در مقاله حاضر شبیه سازی و بهینه سازی شبکه آب یک پالایشگاه نفت با استفاده از نرم افزار اسپن واتر Aspen Water  و  روش گرافیکی-ریاضی به اسم جدول الگوریتم مرکب (CTA) برای مدل استفاده‌ مجدد/بازچرخانی مورد بررسی قرار گرفت که منجر به کاهش چشمگیر مصرف آب تازه و پساب شد. سپس روش توسعه‌ جدول الگوریتم مرکب (ECTA) برای ارایه مدل احیا-استفاده مجدد/بازچرخانی ارایه شد.

بحث و نتیجه گیری: با استفاده از روش جدول الگوریتم مرکب در به حداقل رساندن نرخ جریان آب تازه، پساب و هزینه‌های مربوط به تامین آب تازه و تخلیه پساب در مقایسه با اسپن واتر نتایج بهتری ارایه شد. سپس توسعه یافته روش جدول الگوریتم مرکب با به کار گیری واحد احیا در کنار استفاده مجدد/بازچرخانی نتایج موفقیت آمیزی در بهینه سازی شبکه آب به دست آمد.

واژه های کلیدی: تکنولوژی پینچ آبی، استفاده مجدد، احیا –استفاده مجدد، احیا- بازچرخانی.

 

J.Env. Sci. Tech., Vol 20, No.2, Summer, 2018

 

 

 

 


Optimization of Water and Wastewater Network Petroleum Refineryby MINLP and ECTA Methods

 

Poroshat Haddadi [4]

Mohammad Hasan Khoshgoftar Manesh [5]*

m.khoshgoftar@qom.ac.ir

Mahdi Sedighi[6]

Ali Bahramhamedani1

 

 

Date Received: September 2, 2016

Admission Date:December 28, 2016

 

Abstract

Background and Objective: Water recycling is one of the effective ways for overcoming the water crisis. The various methods and techniques for the design of water allocation systems have been developed and used water in industry reduced to an acceptable level.

Method: Water pinch technology is a systematic technique for analyzing water networks and reducing related costs. Also this technique is used for minimizing costs, establishing the relationship between operating costs and capital costs inside the compliance with standards of environment. Water Pinch is optimization method to determine targets technique also appropriate changes to suggest the design of network with the possibility to maximize the reuse of water regeneration, reuse / recycle.

Findings: In this paper simulation and optimization of oil refinery water network using the software Aspen Water and a graphical-mathematical method Composite Table Algorithm (CTA) has been used for a dramatic reduction in water consumption and waste water refinery which comes to a distribution network. Therefore Extended Composite Table Algorithm is presented to model regeneration-reuse/recycle.

Discussion and Conclusion: using Composite Table Algorithm is presented better results to minimize flow rate of fresh water, waste water and costs of fresh water supply and discharge comparison with Aspen water. Then the Extended Composite Table Algorithm method is obtained highly successful results in optimization water network by applying regeneration unit inside reuse/recycle.

 

Key words: water pinch technology, regeneration-reuse, regeneration- recycle.

 

مقدمه


در دهه‌های اخیر با افزایش سالانه قیمت آب، هزینه تولید محصولاتی که وابسته به آب هستند نیز، به طور چشم گیری افزایش پیدا کرده است. بنابراین صنایع نیاز دارند تا با استفاده از روش­های کاربردی، تا حدامکان، مقدار آب مصرفی و پساب خود را کاهش دهند. بنابراین به کار گیری راه‌کار‌هایی که مصرف  آب‌ تازه و تخیله پساب را به حداقل برساند و در نهایت تخیله به صفر برسد بسیار مهم و ضروری است، در حالی که هزینه‌‌ی عملیاتی و سرمایه‌ای نیز به کاهش یابد همچنین اثرات محیطی زیستی مد نظر قرار گیرد(1).

از جمله روش‌هایی که برای به حداقل رساندن آب و پساب مصرفی به کار گرفته می‌شود تکنولوژی پینچ آبی است. به طور کلی آنالیز پینچ یک ابزار یکپارچه‌سازی عملیات است که در اواخر دهه 70 برای بهبود انرژی ارایه شد. در سال‌های اخیر انتگراسیون در حوزه جرمی بسیار مورد توجه قرار گرفته است و انگیـزه اصلـی بـرای برهم‌کنش جـرمـی جلـوگیـری یا حذف آلـودگــی­بوده­است. در سال 1989، EL-Halwagiو Manousiouthakis اولین بار استفاده از شبکه های تبادل جرم[7] برای کمک به حذف آلودگی با استفاده از عامل‌های جداسازی جرم[8]، از قبیل حلال ها، جاذب ها، عامل های stripping، تبادل یون و رزین را پیشنهاد کردند. و آن دو دریافتند که یک شباهت نزدیکی بین شبکه های تبادل جرم و شبکه های تبادل حرارت در سطح سیستم وجود دارد. Wang  وSmith  در سال 1994، آنالیز پینچ آبی را معرفی کردند. بعد از آن پینچ به عنوان ابزاری برای ذخیره آب در فرآیند­های صنعتی به صورت گسترده، مورد استفاده قرار گرفت. همچنین آن ها کاهش مصرف آب را از طریق افزایش استفاده مجدد از آن به وسیله یک تکنیک گرافیکی ارایه کردند و آنالیز پینچ آب[9] نام گرفت (3،2).


روش بررسی

معماری شبکه آب

شبکه آب در فرآیند صنعتی به طور کلی شامل 3 قسمت است: فرآیندهای قبل از تصفیه، فرآیندهای مصرف کننده آب و فرآیندهای تصفیه پساب. جداسازی شبکه کلی آب به دو زیر سیستم (فرآیند های مصرف کننده آب و تصفیه آب) توسط وانگ و اسمیت در سال 1994ارایه شد همچنین آن‌ها آنالیز پینچ آبی را توسعه دادند.

به طور کلی چهار استراتژی اصلی برای کاهش مصرف آب و تولید پساب وجود دارد که شامل موارد زیر است (4):

  1. مصرف مجدد آب: اگر میزان و نوع پساب خروجی از فرآیند اول به گونه باشد که به فرآیند بعدی صدمه وارد نکند می توان به عنوان ورودی فرآیند بعدی استفاده کرد که به آن مصرف مجدد آب می‌گویند.
  2. احیای پساب- مصرف مجدد آن: در این حالت پساب را با تصفیه جزئی یا کامل می‌توان احیا و در فرآیند‌های بعدی استفاده کرد احیا می‌تواند شامل فرآیند تنظیم PH، فیلتراسیون، جذب و غیره باشد.
  3. احیای پساب -بازچرخانی: در این حالت پساب خروجی از فرآیند را احیا و سپس به همان فرآیند باز گردانده می شود.
  4. تغییر فرآیند: جایگزین کردن تجهیزاتی که حداقل مصرف آب را دارند به طور مثال کولر های هوایی جایگزین برج خنک کننده شود.

آب مورد استفاده در فرآیندها به طور کلی می تواند به دو گروه عملیات‌های برمبنای انتقال جرم و عملیات‌های بدون انتقال جرم طبقه ‌بندی شود. عملیات‌هایی با واحد‌های انتقال جرم، بار ثابت و واحدهای بدون انتقال جرم نرخ جریان ثابت نامیده می‌شوند. عملیات‌های بر پایه انتقال جرم به گونه ای است که انتقال آلاینده مشخص از جریان غنی از آن به آب که در اینجا آب یک جریان سبک یا عامل جدا کننده جرم می باشد صورت می گیرد(5). به طور مثال می توان به پاک سازی ظرف فرآیند با آب نام برد یا فرآیند جذب که آب در اینجا نیز جریان عامل جدا کننده جرم است که برای حذف آلاینده هایی مثل  و  از گاز ترش می باشد. عملیات های بدون انتقال جرم به طور مثال آب به عنوان ماده اولیه به راکتور وارد می شود یا در عملیات هایی­که آب برای گرمایش و سرمایش استفاده می‌شود، می‌توان نام برد. عملیات‌های بر مبنای انتقال جرم در سال 1989 ال-هلواجی بر اساس قوانین پینچ حرارتی بررسی کرد. به عقیده او و دیگر مهندسان جرم و انرژی در طراحی فرآیند صنعتی­2 عامل بسیار مهم هستند. او بیان کرد انتگراسیون جرمی (mass integration) در بیش‌تر موارد شبیه به انتگراسیون انرژی­(energy integration)­است­اما انتگراسیون جرمی هسته فرآیند را شامل می شود و در نتیجه تاثیرات مستقیم ‌و مهم‌تری بر روی عملکرد فرآیند می‌گذارد (6، 7).

طراحی نرم افزاری

در این مساله برای کنترل و مدیریت بهینه آب از نرم افزار اسپن واتر استفاده شده است که ابتدا، مدل مصرفی آب موجود را بررسی کرده و هر گونه شکاف و تناقضی در داده‌ها را رفع می‌کند. ثانیا، این نرم افزار فرصت‌هایی برای بهبود و کمک برای پیش‌‌برد اهداف را تعیین می‌کند. ثالثا، کاربران امکان سنجی فنی و اقتصادی از گزینه های ممکن پیش روی خود را انتخاب کرده، و بهترین بهینه سازی موجود را به دست می‌آورند.

اسپن واتر این امکان را به کاربران می‌دهد که تعریف مشخص از روند فرآیند در شبکه (به وسیله ایجاد تعادل بین آب و آلاینده)،       با تشخیص فرصت هایی برای بهبود یک روش سیستماتیک، از قبیل استفاده مجدد آب و احیا به همراه آزمایش و تست سناریو های بعدی (از قبیل اضافه کردن واحد های بیش‌تر به عملیات های موجود) فراهم می‌کند.

روش‌های گرافیکی

توانایی آنالیز پینچ در تعیین مکان حداقل به منظور طراحی شبکه های دقیق است. مشابه دیگر تکنیک‌های آنالیز پینچ (آنالیز پینچ حرارتی و جرمی)، WPA دارای دو مرحله اصلی است: هدف گذاری نرخ جریان آب تازه و پساب (آنالیز) و طراحی شبکه (سنتز یا ترکیب). در مرحله هدف گذاری می‌توان تکنیک‌ها و روش های گرافیکی گوناگونی برای طراحی شبکه آبی دقیق استفاده کرد. هدف‌گذاری برای شناسایی پارامترهای کلیدی در طراحی شبکه مصرف آب و شبکه تصفیه پساب که با دادن اطلاعات پایه ای از قبیل غلظت ناخالصی و محدودیت‌های نرخ جریان آب می‌باشد. پارامترهای کلیدی در طراحی استفاده مجدد/ بازچرخانی نرخ جریان آب تازه، نرخ جریان پساب و غلظت پینچ استفاده مجدد/بازچرخانی است. از جمله روش‌هایی که برای هدف گذاری استفاده می‌شود جدول الگوریتم مرکب است(7).

جدول الگوریتم مرکب

جدول الگوریتم مرکب CTA، توسعه یافته جدول مسایل جرمی برای کنترل مسایل نرخ جریان ثابت است. در روش CTAروش گرافیکی و عددی برای استفاده مجدد/ بازچرخانی شبکه آب هم‌زمان استفاده می‌شود.

در روش CTA­ ابتدا جدولی به نام جدول  آبشاری کشیده می‌شود و در ستون اول شماره جریان ها گذاشته می‌شود. سپس­غلظت‌های­­چاه‌ها­و چشمه‌های فرآیند، به صورت افزایشی دسته بندی و مرتب می‌شوند. یک مقدار دلخواه (بزرگ‌ترین نسبت به بقیه) در آخرین سلول اضافه می‌شود. در ادامه باید نرخ جریان خالص هر سطح  مشخص شود. برای هر سطح غلظت ، جمع نرخ جریان چشمه از جمع نرخ‌های جریان چاه‌ها کم می‌شود. جریان ها به وسیله پیکان های عمودی تعیین می‌شود. هر پیکان با یک غلظت محدود شروع می‌شود و در بیش‌ترین غلظت اختیاری پایان می یابد. لازم به ذکر است که آخرین مقدار از این ستون نرخ جریان سیستم کلی اتلاف/ مازاد تعیین می‌کند. اگر این مقدار مثبت باشد، سیستم کلی با اتلاف آب یا برعکس منفی باشد مازاد مواجه می‌شود. همچنین بارهای ناخالصی هر سطح  باید تعیین ‌گردند. این مقدارها به وسیله ضرب نرخ جریان خالص هرسطح)­ (Net. با سطح‌های مختلف غلظت آلاینده ، در جایی که Net. قرار داده شده است به دست می‌آید. برای به دست آوردن انباشتگی بار با فرض بار ناخالص صفر به عنوان اولین ورودی، بار ناخالصی هر سطح  به منظور ایجاد انباشتگی بار است. هر سطح نرخ جریان آب تازه برای استفاده مجدد/بازچرخانی  از طریق معادله 1محاسبه می‌شود. توجه داشته باشید که فرض شده است آب تازه مورد نیاز، خالص و غلظت آلاینده آن  صفر است. بیش‌ترین مقدار از این ستون حداقل آب تازه خالص مورد نیاز هدف گذاری شده است و سطح غلظت مربوط به آن غلظت پینچ است و غلظت پینچ برای شبکه استفاده

1

 

مجدد/بازچرخانی است (7).

 

نرخ جریان آب تازه و غلظت آلاینده آن با استفاده از نرخ جریان (معادله2) و موازنه جرمی (معادله 3) در طول کل سیستم محاسبه می‌شود:

 

 

3

 

2

 

بررسی مصرف آب در یک پالایشگاه

 مطالعه موردی یک پالایشگاه برای حل مسایل چند آلاینده برای یک فرآیند در اینجا ارایه شده است. واحد پالایشگاه مورد بررسی شامل آلاینده‌هایی از قبیل کل مقدار موادکربن[10]، مواد جامد[11] و مواد محلول در آب[12] می‌باشد. دما خود، یکی از فاکتور های آلاینده در یک شبکه فرآیندی می‌تواند باشد اما در این شبکه مورد بررسی قرار نگرفته است. در این واحد عملیاتی، یک جریان چشمه (Source) که آب رودخانه (River Water) می‌باشد وارد می‌شود این جریان ورودی بدون آلاینده در نظر گرفته شده است.

این فرآیند شامل تجهیزاتی از جمله  اسکرابر [13]1، اسکرابر 2، برج خنک کننده 1 و برج خنک کننده 2 می‌باشد.  نرخ جریان آب رودخانه ton/h120 می باشد. جمع کل سطح آلاینده‌ها به ترتیب  می‌باشد.

یافته ها

بهینه سازی و اصلاح شبکه با استفاده از اسپن واتر

بهینه سازی برای به حداقل رساندن هزینه آب و تخلیه پساب شبکه انجام شده است و بعد از انجام بهینه سازی دبی آب رودخانه به ton/h66/62 می‌رسد و 5 جریان جدید نیز اضافه شده است.

جدول 1- هزینه جریان ها

Table1. Cost of flow rate

Water Type

Initial flow

ton/h

Optimized

Flow ton/h

Saving %

River water

120

66/62

78/47

Discharge

90

82/22

41/74

 

استفاده مجدد و بازچرخانی برای بهینه سازی این شبکه مورد استفاده قرار گرفته است و نمودار جریان بعد از اعمال بهینه­سازی به صورت زیر می‌باشد.

 

 

 

 

 

شکل 1- نمودار جریان بعد از بهینه سازی

Figure 1. Flow sheet after optimization


همان گونه که مشخص شده است دبی آب مصرفی حدود  78/47 % و دبی  پساب 41/74 % کاهش پیدا کرده است.

نتیجه به دست آمده بعد از بهینه سازی مورد قبول می باشد اما نکته بسیار مهم این است که هزینه‌های پمپ و اتصالات بعد از اصلاح شبکه باید در نظر گرفته شود. همچنین سطح آلاینده‌ها باید براساس استاندارد محیط زیستی باشد.

در کل، مقدار جریان آب خوراک ورودی و پساب به این شبکه فرآیندی با استفاده از سیستم‌های استفاده مجدد و بازچرخانی کاهش یافت.


بهینه سازی با  استفاده از روش جدول الگوریتم مرکب

نمودار جریان از قسمت قبل، فرآیند کلی را نشان می‌دهد که با نرم افزار اسپن واتر شبیه سازی و نتایج در بخش قبل به تفضیل توضیح داده شده است. با استفاده از نمودار جریان روش ریاضی-گرافیکی CTA مورد بررسی قرار گرفته است. مدل در نظر گرفته شده بارثابت  می‌باشد زیرا جریان ورودی و خروجی به فرآیند با هم برابر می‌باشد و هیچ گونه اتلافی وجود ندارد. برای این‌که به توان از روش CTA استفاده کرد باید ابتدا داده‌های محدوده کننده را به نرخ جریان ثابت تبدیل کرد. در واقع براساس چشمه و چاه مرتب می‌شوند (7).

 

 

جدول 2- داده های تجهیزات

Table 2. Data for each equipment

operation

F

 (ppm)

 (ppm)

Scrubber 1

5/13

50

99/1011

Scrubber 2

18

50

77/77

cooling tower1

18

50

250

cooling

5/13

50

50

cooling tower 2

27

50

150

 

جدول 3- براساس چشمه و چاه

 Table 3. According source and sink

Sink

   

Source

   

P1in

5/13

50

P1out

5/13

99/1011

P2in

77/77

50

P2out

18

77/77

P3in

250

50

P3out

18

250

P4in

50

50

P4out

5/13

50

P5in

150

50

P5out

27

150

 

 

 

 

 

 

جدول 4- داده های محدود کننده

 Table 4- Limiting data

K

 

Net (ton/h)

Delta M

Cum Delta M

 

1

50

 

 

0

0

2

77/77

5/76

1244/2

1244/2

316/27

3

150

5/58

2254/4

349/6

33/42

4

250

5/31

15/3

499/9

99/37

5

99/1011

5/13

2868/10

786/19

55/19

6

1050

0

0

786/19

84/18

 


جدول 4 با استفاده از توضیحات قسمت قبل به دست می‌آید.

همچنین با استفاده از توضیحات قسمت قبل می‌توان حداقل مقدار آب تازه مورد نیاز، حداقل نرخ جریان پساب، غلظت پینچ آب تازه، غلظت پساب و غلظت پینج مربوط به استفاده مجدد/بازچرحانی را به دست آورد که به ترتیب به صورت زیر می باشد:

 

و به همین ترتیب با استفاده از معادله 2و 3 دبی پساب و غلظت پساب خروجی   و  می باشند.

هزینه آب تازه با در نظر گرفتن کارکرد سیستم 8600h/yr.  برابر $/yr. 436/363 و هزینه تخلیه پساب برابر با $/yr. 67/184  می‌باشد.

 روش توسعه جدول الگوریتم مرکبECTA

توسعه جدول الگوریتم مرکب توسعه یافته مفهموم روش CTA که توسط Bai (2007)  ارایه شد، ECTA برای هدف‌گذاری آب احیا برای همه عملیات‌ها توسعه داده شده است. شش مرحله اول همانند CTA که هم به صورت گرافیکی و محاسباتی برای هدف‌گذاری حداقل نرخ آب تازه  و غلظت پینچ Cpr از شبکه استفاده مجدد/ بازچرخانی می‌باشد. دو مرحله آخر در ECTA برای هدف‌گذاری نرخ جریان آب احیا Freg و غلظت آلاینده احیا Creg اضافه شده است. در این روش غلظت مناسب احیا و نرخ جریان احیا به دست می‌آید. در واحد احیا قسمتی از پساب خروجی از یک واحد مصرف کننده آب، وارد واحد احیا می‌شود و با تصفیه جزئی در این بخش به همان فرآیند بازچرخانی یا می‌تواند برای فرآیندهای بعدی مورد استفاده قرار گیرد (7).

در ادامه مراحل قبل سطح نرخ جریان های آب احیا از طریق معادله 4 (Bia 2007) محاسبه می‌شود. بزرگ‌ترین مقدار در میان  حداقل نرخ جریان هدف گذاری احیا  و غلظت مربوط به آن غلظت پینچ آب تازه  نام گذاری می‌شود. براساس این فرض   شبکه آب احیا، نرخ جریان‌های آب تازه   و احیا   با هم برابرند. لازم به ذکر است که غلظت بعد احیا C0   داده می‌شود.

(4)

 

 

 

در مرحله بعد غلظت‌های سطح احیا به وسیله معادله 5 محاسبه می‌شود. حداقل غلظت احیا   توسط حداکثر مقدار در میان همه   هدف گذاری می‌شود. سطح غلظت مربوط، به عنوان غلظت پینچ احیا   شناخته می‌شود

 

(5)

 

 

برای به دست آوردن نرخ جریان پساب همانند CTA از معادله 2 استفاده می‌شود و همچنین میزان غلظت پساب از معادله 6 به دست می‌آید.ید.

 

(6)

 

 

 

با استفاده از توضیحات قبل می‌توان حداقل مقدار آب تازه مورد نیاز، حداقل نرخ جریان آب احیا، غلظت پینچ، غلظت احیا و غلظت پینج مربوط به احیا را به دست آورد که به ترتیب به صورت زیر می باشد:

 

 

 

 

و به همین ترتیب64/22=Fww و 97/703=Cwwمی باشند.

لازم به ذکر است که  اولیه را به طور انتخابی عددی نزدیک به کم‌ترین غلظت آلاینده در نظر گرفته می‌شود که در این‌جا C0 20 در نظر گرفته شده است.

بحث و نتیجه گیری

در این مقاله از یک روش نرم افزاری و دو روش گرافیکی-عددی CTA و ECTA برای به حداقل رساندن میزان آب و پساب خروجی استفاده شده است. برای کاهش آب و پساب برای CTA و نرم افزار اسپن واتر از استفاده مجدد/بازچرخانی و برای ECTA احیا-استفاده‌مجدد/بازچرخانی استفاده شده است. با استفاده از نرم افزار اسپن واتر هزینه آب تازه حدود 55/24% و پساب26/73%کاهش یافت، همچنین کاهش جریان آب تازه برای ورودی اصلی حدود 78/47%، کاهش پساب 41/74% و کاهش مقدار آلاینده ها در پساب خروجی منجر شد. از طرف دیگر با استفاده از روش CTA نتایج قابل قبول و مناسب‌تری نسبت به نرم افزار اسپن واتر به دست آمد. مقایسه دو روش را می‌توان در جدول 5 دید.

 

 

جدول 5- مقایسه نتایج دو روش

Table 5. Results comparison for two methods

CTA Method

Aspen water

 

33/42

66/62

Fresh water flow rate

33/42

82/22

Waste water flow rate

21/468

57/1084

Waste water concentration (ppm)

436/363

57/538

Fresh water cost k$/yr.

67/184

3/1595

Waste water cost k$/yr.

16/548

2/2134

Total cost

74%

 

Cost saving compare Aspen Water

 

 

 

 

 

همان طور که از جدول بالا مشخص است روش گرافیکی مقدار آب تازه کم‌تری نسبت به نرم فزار اسپن واتر نیاز دارد. همچنین نرخ جریان پساب خروجی در روش گرافیکی-ریاضی نسبت به نرم افزاری بیش‌تر است اما به دلیل مقدار زیاد غلظت آلاینده که در پساب خروجی در روش نرم افزاری وجود دارد هزینه­های مربوط به تخلیه پساب نرم افزاری نسبت به روش CTA بیش‌تر است. در واقع روش گرافیکی-ریاضی یک تعادلی بین دبی پساب خروجی و غلظت پساب خروجی ایجاد می‌کند که هزینه‌های مربوط به تخلیه پساب نسبت به روش نرم‌افزاری کاهش می‌یابد. دو روش گرافیکی- ریاضی CTA و ECTA با هم در جدول 6 زیر مقایسه شده است.

 

 

جدول 6- مقایسه CTA و ECTA

Table 6. Comparison of CTA and ECTA

ECTA Method

CTA Method

 

67/22

26/42

Fresh water flow rate

67/22

26/42

Waste water flow rate

67/22

---

Regeneration flow rate

97/703

21/468

Waste water concentration (ppm)

20

---

Post-regeneration concentration (ppm)

89%

---

Removal ratio

962/194

436/363

Fresh water cost k$/yr.

29/99

67/184

Waste water cost k$/yr.

95/234

---

Regeneration cost

212/529

16/548

Total cost

 

 

همان طور که می‌توان مشاهده کرد روش ECTAدر مقایسه با روش CTA نتایج موفقیت آمیزی‌تری ارایه می‌کند. زیرا آب تازه مورد نیاز و هزینه کلی نبست به روش CTA کم تر می­باشد. می‌توان نتیجه گرفت که با به کارگیری واحد احیا در کنار استفاده مجدد/بازچرخانی نتایج بهتری حاصل می‌شود زیرا در واحد احیا می‌توان آب خروجی از یک فرآیند را با تصفیه جزئی از قبیل فیلتراسیون، تنظیمPH ، جذب، تصفیه های بیولوژیکی و غیره میزان آلاینده آب خروجی احیا  به گونه ای می‌توان تنظیم کرد که برای فرآیند بعدی یا همان فرآیند قابل قبول باشد. اگرچه در روش ECTA علاوه بر هزینه‌های آب تازه و تخلیه پساب، هزینه احیا نیز اضافه می‌شود اما می‌توان مشاهده کرد که تابع هزینه کلی ECTA نسبت به CTA کم‌تر است.


Reference

  1. Wilhite, D.A. ed., 2005. Drought and water crises: science, technology, and management issues. CRC Press.
  2. Mann, J.G. and Liu, Y.A., 1999. Industrial water reuse and wastewater minimization. McGraw Hill; New York: McGraw Hill, 1999.
    1. El-Halwagi, M.M. and Spriggs, H.D., 1998. Solve design puzzles with mass integration. Chemical engineering progress94, pp.25-44.
    2. SHUBHAM, S., 2011. Wastewater minimization using aspen water (Doctoral dissertation, NATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ROURKELA).
    3. Foo, D.C., El-Halwagi, M.M. and Tan, R.R., 2012. Recent advances in sustainable process design and optimization (Vol.­3).­World Scientific.
    4. Meng, L.H., Qiao, Q. and Liu, J.Y., 2014. Review of the Application of Water Pinch Technology in Water-Saving and Emission Reduction. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 522, pp. 181-186). Trans Tech Publications.
    5. Parand, R., 2014. Water and wastewater optimization through process integration for industrial processes 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 



[1] - کارشناس ارشد،گروه مهندسی شیمی­، دانشگاه آزاد تهران شمال، تهران، ایران.

[2] - استادیار، بخش علوم حرارتی و سیستمهای انرژی، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران *(مسوول مکاتبات).

[3] - استادیار، آزمایشگاه شیمی صنعتی، گروه شیمی کاربردی، دانشگاه قم، قم، ایران.

[4]- Chemical Engineering Department, Islamic Azad University, North Tehran Branch, Tehran, Iran

2- Division of Thermal Sciences & Energy Systems, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Technology & Engineering, University of Qom, Qom, Iran*(Corresponding Author)  

3- Department of Chemical Engineering, Faculty of Technology & Engineering, University of Qom, Qom, Iran

 

[7]- Mass exchange networks (MENs)

[8]- Mass separating agents (MSAs)

[9]- Water Pinch Analysis (WPA)

[10]- Total Organic Carbon (TOC)

[11]- SOLIDS

[12]- SOLUB

[13]- Scrubber

  1. Wilhite, D.A. ed., 2005. Drought and water crises: science, technology, and management issues. CRC Press.
  2. Mann, J.G. and Liu, Y.A., 1999. Industrial water reuse and wastewater minimization. McGraw Hill; New York: McGraw Hill, 1999.
    1. El-Halwagi, M.M. and Spriggs, H.D., 1998. Solve design puzzles with mass integration. Chemical engineering progress94, pp.25-44.
    2. SHUBHAM, S., 2011. Wastewater minimization using aspen water (Doctoral dissertation, NATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, ROURKELA).
    3. Foo, D.C., El-Halwagi, M.M. and Tan, R.R., 2012. Recent advances in sustainable process design and optimization (Vol.­3).­World Scientific.
    4. Meng, L.H., Qiao, Q. and Liu, J.Y., 2014. Review of the Application of Water Pinch Technology in Water-Saving and Emission Reduction. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 522, pp. 181-186). Trans Tech Publications.
    5. Parand, R., 2014. Water and wastewater optimization through process integration for industrial processes