دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .
فورمت فایل:word(قابل ویرایش) تعداد24صحفه
شرکت Praxair با همکاری آزمایشگاه Laboaratoty Los Alams National در حال کار بر روی یک فناوری جدید هستند که موتورهای گرمایی و سرد کننده های گرما – صوتی جهت مایع کردن گاز طبیعی را تشکیل می دهند· این روش٬ تنها فناوری است که بدون داشتن بخش های متحرک٬ قابلیت ایجاد توان سرمایشی در دماهای بسیار پایین را دارا می باشد· یک نمونه با ظرفیت مایع سازی 500 گالن گاز طبیعی در روز در این رابطه ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفته است. منبع نیروی این سیستم یک مشعل گاز طبیعی است· این سیستم ها تا ظرفیت مایع سازی 10000 تا 20000 گالن در روز قابل ارتقا هستند· در این مقاله فناوری مذکور٬ پروژه ی تحقیقاتی مربوط به آن٬ دستاوردهای موجود و کاربردهای آن مورد بحث قرار گرفته اند·
در فوریه سال 2001 ٬ شرکتPraxiar پروژه ی تحقیقاتی مربوط به موتور گرمایی و تبرید گرما – صوتی را از Chart Industries خریداری نمود· Los Almos وChart (قبلا با نام Cryenco بود که Chrat آن را در سال 1997 خرید)٬ بر روی پروژه ی تحقیقی این فناوری از سال 1994 مشغول به کار بودند· خرید این پروژه شامل دارایی ها و همچنین حقوق فکری مربوط به مواردی از قبیل « سرد کننده های نوع حباب پالس روزنه ای که با روش گرما – صوتی راه اندازی می شوند (TADOPTR) »· یک فناوری جدید و انقلابی موتور گرمایی گرما – صوتی استرلینگ (TASHE)٬ جنبه هایی از تبرید به روش حباب پالس روزنه ای (OPTR) و کمپرسورهای موتور خطی برای راه اندازی OPTR می گردید. Praxair با همکاری آزمایشگاه Los Alamos national laboaratory ٬ ارایه دهنده امتیاز TADOPTR و TASHE ٬ در حال انجام تحقیقاتی بر روی مایع کننده های گاز طبیعی با استفاده از TASHE OPTER هستند که با گاز کار می کند. مایع کردن گاز طبیعی که در دمای F)256-) 161 C- در فشار اتمسفر انجام می گیرد٬ قبل از پیدایش این فناوری٬ نیازمند دستگاه های تبرید بسیار پیچیده بود. اختراع TADOPTR در سال 1990 توسط دکتر Greg Swift از آزمایشگاه Los Almos و دکترRay radebaugh از(NIST)٬ اولینفناوری برای ایجاد تبرید در دماهای بسیار پایین٬ بدون به کار گیری قطعات متحرک را ممکن ساخت.موتورها و سرد کننده های اولیه این سیستم٬تنها شامل مبل های حرارتی و لوله های پر شده با هلیوم است که از مواد معمولی و بدون تولرانس های سخت گیرانه ساخته شده اند.پروژه ی طراحی این مایع کننده ی گاز٬ به دو بخش تقسیم می گردد:سرد کننده های راه اندازی با پدیده ی گرما – صوتی و سرد کننده هایی که با موتورهای خطی کار می کنند(LOPTR)٬ فناوری LOPTRدر آینده ای نزدیک٬ به سیستم های مایع کردن گاز طبیعی با ظرفیت چند صد گالن در روز تبدیل خواهد شد. انتظار بر این است که فناوری TASHE – OPTR به ظرفیت های چند ده هزار گالن در روزنیز دست یابد. مقالهی حاضر٬ بر روی فناوری TASHE OPTR تمرکز نموده است٬ زیرا ظرفیت مایع سازی گاز طبیعی آن٬ فرصت های تجاری قابل توجهی را ایجاد خواهی نمود. نوآوری هایانجام شده در زمینه ی LOPTR نیز به طور خلاصه شرح داده خواهد شد. پروژهی طراحی سرد کننده هایی که به روش گرما – صوتی کار می کنند٬ در حال حاضر فناوری مذکور را با ظرفیت500 گالن در روزیا تقریبا 42000 فوت مکعب در روز به نمایش می گذارد که نیاز به توان تبرید حدود 7 کیلو وات دارد.این ظرفیت جهت روشن ساختن مسأله ی مایع سازی صوتی در مقیاس بزرگ با هزینه های معقول نشان دادن مایع سازی حدود 70 درصد از جریان گاز ورودی وسوزاندن 30 درصد از ما بقی آن٬به اندازه کافی بزگ هست. پس از این پروژه٬ سیستم ی با ظرفیتی حدود 10 فوت مکعب در روز یا 10000 گالن در روز٬ یا میزان مایع سازی 85 درصد از جریان گاز ورودی٬ طراحی خواهد گردید. با تجاری شدن فناوری TASHE-OPTR ها٬ این سیستم ها سرد کننده های دمای بسیار پایین کاملا جدید را که با گرما راه اندازی می شوند٬ به وجود آورده و خصوصیاتی مانند هزینه های ساخت پایین٬ اتکا پذیری بالا٬عمر طولانی و هزینه های پایین تعمیر نگهداری خواهند داشت. یک سیستمTASHE-OPTR٬ قادر خواهد بودمحدوده ی وسیعی از گازها را به صورت مایع در آورد که یکی از مهمترین این گازها٬گاز طبیعی است.
قابلیت های کاربردی گاز طبیعی٬ از مایع سازی این گاز جهت لوله کشی آن به عنوان سوخت برای وسایل نقلیه سنگین تا مایع کردن آن در مقیاس بسیار بزرگ در محل چاه ها (خشکی یا دریا) متغیر است. یکی از جایگزین هایی که برای راه انداز گرما – صوتی وجود داشته و مزایای مشابه متعددی از نظر فنی و اقتصادی دارد٬ کمپرسور با موتور خطی است. موتورهای خطی٬ نیروی الکتریکی را مستقیما به حرکت نوسانی خطی یا محوری تبدیل می کنند. چنین کمپرسورهایی دارای دو مزیت متمایز نسبت کمپرسورهای موتور گردشی می باشند. اول اینکه این سیستم٬ کاملا خشک است. از آنجایی که جعبه دنده و یاتاقان غلطکی در آن به کار نرفته است٬ نیازی به روانکاری در این سیستم وجود نداشته ونیاز به تمیز کاری که در سرد کننده های دمای پایین با کمپرسورهای غادی مشاهده می شود٬ این سیستم وجود ندارد. دوم اینکه نوسان ساز توسط یاتاقان های خمیده به حالت معلق نگه داشته می شود. یاتاقان های خمیده٬ هیچ بخش قابل استهلاکی نداشته و عمر آن ها تقریبا نا محدود است. موتورهای خطی می توانند در حالت برعکس و به شکل مولدهای خطی برق عمل کرده و یا توسط موتورهای صوتی به کار افتند.
هدف :
با اینکه بیشتر گاز طبیعی٬ به صورت خط لوله به شکل گاز از چاه در اختیار مصرف کننده قرار می گیرد٬ استفاده از گاز طبیعی مایع شده جهت مصارف مختلف در حال افزایش است. یک تاسیسات مایع سازی مدرن و بزرگ گاز 10 فوت مکعب در روز گاز مایع تولید می کند٬ 10 تا 15 درصد از ورودی گاز را برای انرژی مورد نیاز خود مصرف کرده٬ حدود یک میلیارد دلار هزینه در برداشته و هزینه های کاربری و تعمیر و نگهداری بسیار بالایی خواهد داشت. اما کاربرد های تجاری دیگری وجود دارند که به وضوح نیاز به تجهیزات کوچکتر٬اتکا پذیرترند وارزان تر مایع سازی گاز دارند.هدف اصلی پروژه ی مایع سازی صوتی٬ ایجاد یک مایع کننده ی جدید برای گاز مایع همراه با مزایای مربوط به آن از قبیل اتکاپذیری بالا ٬ تعمیر و نگهداری کم٬ فابلیت راه اندازی با مشعل های گاز طبیعی و قابل حمل بودن٬ جهت پاسخ گویی به فرصت های تجاری جدید و در حال ایجاد در این زمینه می باشد.
پیش زمینه ی فناوری :
موتور گرمایی گرما – صوتی استرلینگ (TASHE)٬ انرژی گرمایی را مستقیما به انرژی صوتی به صورت موج های فشار نوسانی با دامنه ی بزرگ تبدیل می نماید که همان امواج صوتی است.سرد کننده های حباب پالس روزنه ای٬ موج فشار نوسانی را به توان تبریدی تبدیل می کنند که این عمل در دماهایی حدود 240درجه ی سانتی گراد صورت می گیرد. با ترکیب این دو نوع فناوری٬فناوری تبرید در دمای بسیار پایین خلق می گردد که نیاز به هیچ قطعه ی متحرکی ندارد. فناوری TASHE٬ نتیجه ی حاصل از یک نوع موتور گرما – صوتی ابتدایی تربه نام «راه انداز گرما – صوتی (TAD)» به شمار می آید. TASHE٬ بازده ی بسیار بالاتری از TAD از خود نشان داده است که البته در بسیاری از کاربردهای تجاری٬ از اهمیت ویژه ای برخوردار است. می توان گفت که فناوری TASHE – OPTR٬ به سادگی مجموعه ای از مبدل های حرارتی است که در یک شبکه لوله قرار گرفته و با گاز هلیوم تحت فشار پر شده است.
در موتور٬ یک مبدل حرارتی تا حدود 700 C (1300 F) گرم شده و مبدل حرارتی دوم در دمای محیط حفظ می شود. مبدل سوم که بین این دو مبدل قرار دارد٬ از نظر دمایی حالت شناور دارد. گرمای ورودی٬ یک گرادیان دمایی در بین مبل های حرارتی ایجاد می نماید که یک موج فشار نوسانی در گاز هلیوم ایجاد می کند. این موج نوسانی٬ سرد کننده ی حباب پالس را راه اندازی می کند که توان تبرید لازم را در دماهای بسیار پایین تامین می نماید. تنها بخشی که در این سیستم حرکت می کند٬ گاز هلیوم نوسان کننده است. گرمای ورودی در واقع می تواند از هر منبعی تامین گردد. در این پروژه٬ یک مشعل گتز طبیعی برای استفاده در این سیستم طراحی شده است. سادگی این سیستم ها هزینه های ساخت آن را کاهش داده و اتکاپذیری آن را بالاتر خواهد برد. با اینکه پیکربندی بنیادین سخت افزارTASHE –OPTR ها ساده است٬آنچه که در این سیستم ها از نظر فیزیکی رخ می دهد٬ پیچیدگی بسیاری دارد. پیشرفت های بزرگی درLos Alamos و Dcenver در درک و به نمایش گذاشتن مبانی فیزیکی این فرایند حاصل شده است.با اینکه سخت افزار این سیستم از نظر بنیادین پیچیده نیست٬ اما ترکیب دمای بالا و پدیده های صوتی٬موانع پیکربندی متعددی ایجاد می کند که منجر به پیدایش چالش های عمده ای در مهندسی این فرآیند می گردد. پیش زمینه ی این فناوری وقواعد اولیه ی کارکرد راه اندازهای گرما- صوتی و سرد کننده های حباب پالس روزنه ای در مقالات جداگانه ای توصیف گردیده اند.
توصیف پروژه :
در سال 1994 ٬ شرکت Cryenco_که در سال 1997 بخشی از Chart indystries گردید)٬ لیسانس فناوری TADOPTR را از آزمایشگاه Los Alamos دریافت کرد دبا همکاری این آزمایشگاه و NIST-Boulder شروع به طراحی موتورهای گرما – صوتی و سرد کننده های حباب پالس نمود. ا ابتدای همکاری این سه مرکز در سال 1994 ٬ طراحی مایع کننده های صوتی که به شکل عملی قابل کاربرد باشند٬ بسیار چالش برانگیز به نظر می رسید. پروژه ی طراحی این سیستم ها به سه فاز مختلف تقسیم می شد. در فاز اول در سال 1997 ٬ Chart همراه با پشتیبانی های فنیی قابل توجه از جانب آزمایشگاه های Los Alamos ٬ اولین سیستم TADOPTR را که با گاز طبیعی کار می کرد٬با موفقیت نصب و راه اندازی نمود(شکل1). این سیستم٬ به ظرفیتی معادل 140 گالن در روز (با توان تبرید 2 کیلووات در C 140 -) دست یافت.این توان تبرید حدود 400 برابر بیشتر از اولین سیستم TADOPTR بود که در سال 1989 توسط آزمایشگاه Los Alamos و NIST ساخته شده بود. فاز دوم که در اواسط سال 1999 آغاز شد٬ طراحی یک سیستم TASHE-OPTR با ظرفیت 500 گالن در روز است( شکل 2). این سیستم٬ مراحل ساخت را پشت سر گذاشته و اولین فاز آزمایشی را طی نمود. این سیستم٬ تنها سه برابر توان سرمایشی بیشتر از فاز یک از خود نشان داد٬ اما بهبود های قابل توجهی در بازدهی سیستم حاصل شده بود. تعدادی از موارد مختلف مهندسی طی مراحل آزمایشی معرفی شده و در حال بررسی می باشند. آزمایش کلی این سیستم در سال 2001 به اتمام رسید. اولین سیستم TADOPTRکه توسط آزمایشگاه های Los Alamos وNIST در سال 1989 ساخته شد٬ از توان گرمایی الکتریکی بسیار ساده تری برای موتور استفاده کرده و بازدهی مایع سازی آن تنها 9 درصد جریان گاز طبیعی بود و 91 درصد بقیه٬ صرف سوزاندن آن می شد. سیستم 140 گالنی TADOPTR٬ حدود 40 درصد از جریان گاز را مایع نموده و 60 درصد باقیمانده را جهت سوزاندن مصرف می کرد. سیستم 500 گالنی TASHE-OPTR نیز طوری طراحی می شود که 70 درصد گاز ورودی را تبدیل به مایع نموده و تنها 30 درصد آن را جهت سوزاندن مصرف می کند. فاز سوم این پروژه که طراحی یک سیستم 10 تا 20 هزار گالنی در روز است٬ از اواخر سال 2001 شروع شده و پیش بینی می شود که اتمام آن حدود سه سال و نیم طول بکشد. طرح فرضی نمونه ای این سیستم در شکل(3) نمایش داده شده است.
دستاوردها :
فاز اول پروژه یا همان سیستم 140 گالنی TADOPTR ٬ یک موتور و یک سرد کننده بر روی تشدید کننده داشت (شکل 1). آزمایش این دستگاه با گرمایش موتوربا استفاده از مشعل در ژانویه ی سال 1997 آغاز شده و در مارس 1998 پایان یافت. این سخت افزار٬ به رکوردهای زیر دست یافته بود :
- قدرتمندترین سیستم OPTR :2070 وات توان سرمایشی در دمای -140 C (هفت برابر بیشتر از رکورد قبلی که توسط نمونه ی قبلی ساخته شده توسط Chart به دست آمده بود). این مقدار٬ توانایی مایع سازی 140 کیلوگرم متان را در روز دارا می بود.
- پر بازده ترین سیستم OPTR :23 درصد ضریب کارایی Carnot .
- قدرتمندترین TDA : توان صوتی 17 کیلوواتی از بخش میانی تشدید کننده به دست می آید. از این مقدار٬ حدود 12 کیلووات به OPTR فرستاده می شود.(12 برابر بیشتر از رکورد قبلی).
- پربازده ترین TDA :25 درصد Carnot.این مرحله ی مهم٬ برای اولین بار نشان داد که فناوری TADOPTR با ظرفیتی مناسب برای مایع سازی عملی گاز طبیعی می تواند به کار گرفته شود.اولین سیستم TASHE (شکل 4)٬در سال 1999 توسط گروه Los Aamos ساخته شد. این سیستم٬بازدهی معادل 41 درصد Carnot داشت! دکتر Greg Swift و دکتر Scott Backhaus جایزه تحقیق و توسعه را برای این دستاورد به خود اختصاص دادند. با نمایش موفقیت آمیز موتور گرمایی استرلینگ٬ شرکت Chart تصمیم گرفت در نمونه ی بعدی خود به منظور دستیابی به بازدهی بیشتر٬ به جای راه انداز گرما – صوتی اولیه از موتور گرمایی استرلینگ استفاده نماید. طراحی و ساخت فاز دوم یعنی نمونه ی 500 گالنی TASHE – OPTR در اواسط سال 2000 تکمیل گردید(شکل 2). در چرخه ی آزمایش اول٬ اشکالی در یکی از جوشکاری های داخلی بوجود آمد. حدود 4 ماه طول کشید تا دستگاه پیاده شده و تعمیرات ان به اتمام برسد. در آزمایش بعدی٬ سیستم TASHE به 60 درصد دامنه ی فشار و حدود 12 درصد توان صوتی طراحی شده ی آن رسانده شد. داده های بدست آمده به روشنی نشان داد که کارایی گرما - صوتی موتور٬ کاملا مطابق شرایط مورد انتظار بوده است. هر یک از سه OPTR٬ به شکل جداگانه تا 25 درصد توان ناخالص سرمایشی شان٬ مورد آزمایش قرار گرفتند و مجددا تمام اندازه گیری های انجام شده٬ نتایج مناسبی را نشان می داد.در طول زمان آزمایش در ژانویه ی2001 ٬ یکی دیگر از جوش های داخلی دچار اشکال گردید و باز هم نیاز به بازکاری عمده ای را ایجاد نمود. قرار است تغییرات دیگری در طراحی این دستگاه صورت گیرد. نتایج بدست آمده٬ تغییرات انجام شده در این طراحی جدید٬ پیشرفت های قابل توجهی را در سیستم جدید باعث خواهد شد٬ هرچند که جنبه های گرما صوتی این سیستم٬ بسیار خوب عمل کرد. اشکالات بوجود آمده در جوشکاری های دستگاه٬ مسایل مهندسی/طراحی هستند که باید مورد توجه قرار گیرد. طراحی های نظری متعددی برای سیستم 10000 گالنی TASHE-OPTR انجام شده اند( مانند شکل 3). چالش اصلی برای بزرگ کردن این سیستم تا ظرفیت فوق٬ روش و طراحی انتقال حرارت TASHE و مبدل های حرارتی دمای بالاست. یک پیکربندی از نوع پوسته و لوله ٬ مانند آنچه که در نمونه های 140 و 500 گالنی به کار رفته اند٬ انتخابی مناسب برای دستگاهی به این بزرگی نخواهد بود و ثابت شده است که کارکرد آن حتی در نمونه ی 500 گالنی نیز با مشکلاتی همراه است. به عنوان بخشی از بازکاری مربوط به جوشکاری ها در این نمونه ی اخیر٬ طراحی جدیدی برای مبدل حرارتی داغ نیز به کار گرفته خواهد شد.
کاربردها :
فناوری TASHE – OPTR و فناوری های مربوط به آن٬ این قابلیت را دارند که حیطه های متعددی از تبرید در دمای بسیار پایین و مایع سازی گاز در مقیاس تجاری را به شکلی بنیادین تغییر داده و تاثیر عمیقی بر روی صنایع نفت٬ محیط زیست و بسیاری از فرایندهای صنعتی داشته باشند. جدول(1) آرایه ی وسیعی از بازارها و کاربردهای بالقوه را که فناوری TASHE – OPTR با ظرفیت بالا می تواند به کار گرفته شود٬ بیان می دارد. چند توضیح در مورد کاربردهای متعددی که در جدول (1) ذکر شده اند ٬ به قرار زیرند :
1) طراحی زیر ساخت های مربوط به صنعت حمل و نقل با استفاده از گاز طبیعی مایع٬ مزایای اقتصادی و زیست محیطی قابل توجهی در بر دارد. گاز طبیعی مایع یا LNG به عنوان جایگزینی برای سوخت دیزل جهت اتوبوس ها و وسایل نقلیه ی باربری ٬ مصرف این محصولات نفتی و نیاز به واردات آن ها را به مقدار قابل توجهی کاهش خواهد داد. بخش حمل و نقل٬ حدود 65 درصد از مصرف مواد نفتی در امریکا را به خود اختصاص داده و وسایل نقلیه ی سنگین٬بیشترین سهم را در این رابطه دارند. تبدیل سوخت این وسایل نقلیه به LNG٬ هزینه های مربوط به واردات وتولید محصولات نفتی را کاهش داده و مابه التفاوت هزینه های آن٬ چند ده میلیارد در سال بود. «آزمایشگاه ملی فناوری انرژی» متعلق به سازمان انرژی ایالات متحده٬ اقدام به تکمیل یک سیستم آزمایشی بر اساس فناوری TASHE _ OPTR جهت تبدیل متان به دست آمده از رگه های زغال سنگ به LNG به عنوان سوخت وسایل نقلیه نموده است. اولین تاسیسات این طرح در ویرجینیای غربی نصب خواهد گردید.
2) یک سیستم مایع کننده / سرد کننده ی گرما – صوتی ٬ چه به صورت سیستم اصلی و چه به عنوان سیستم اضطراری٬ می تواند همراه با ظرف های مخصوص نگهداری نیتروزن یا اکسیژن مایع که در بسیاری از بیمارستان ها یافت می شود٬ برای تامین این مواد به کار گرفته شود. این سیستم می تواند یک موتور گرما – صوتی گاز سوز داشته باشد که سرد کننده ی حباب پالس متعددی را راه اندازی کرده و سرمایش لازم را برای مایع سازی و تقطیرهوا برای انبارش این مواد٬ تامین می نماید.
3) آزمایش چاه های نفت در دریا یا خشکی٬ یک فرایند طولانی و دقیق است که ممکن است از چند ماه تا یک دو سال طول بکشد. یک سیستم مایع سازی گاز با اندازه ی متوسط که در عملیات دریای می تواند برای سهولت حمل ونقل در یک قایق جداگانه نصب شود٬می تواند نیاز به تزریق مجدد یا سوزاندن گاز را در زمان آزمایش٬ مرتفع سازد. در پایان آزمایش٬ می توان این دستگاه مایع کننده را به سادگی به محل چاه بعدی منتقل نمود.
- تولید گاز طبیعی مایع در محل چاه های دریایی یا خشکی
- مایع کردن گاز طبیعی از خطوط لوله برای سوخت حمل و نقل
- بازیافت گاز طبیعی به صورت مایع از منابع گاز طبیعی
- جداسازی دی اکسید کربن از گاز طبیعی و گازهای قابل احتراق
- بازیافت ترکیبات آلی فرار از مخازن ذخیره سازی اتمسفریک
- مایع کردن گازهای صنعتی مانند هیدروژن
- فرایند تبرید در تاسیسات پتروشیمی
- مایع کردن مجدد از مخازن ذخیره سازی با دمای پایین٬ به خصوص در مورد گاز طبیعی
- فرآوری یا مایع کردن گازهای تخلیه شده از معادن زغال سنگ
- مایع کردن گازهای محلی جهت ذخیره سازی برای زمان های اوج مصرف
- مایع کردن گاز طبیعی در چاه های گاز دور از مرکز
- فرآوری یا مایع کردن گازهای حاصل از دفن زباله یا تصفیه ی آب
- تبرید و انجماد مواد غذایی در مقیاس بزرگ
- دستگاه های سرمایشی یا پمپ های گرمایی برای گرمایش و تهویه مطبوع ساختمان ها
جدول (1) کاربردهای مختلف TASHE – OPTR
LOPTR ها :
Praxair در حال طراحی سرد کننده های حباب پالس روزنه ای با کمپرسورهای دارای موتور خطی برای مصارف و بازارهای مختلف است. بیشتر این کاربردها در بخش گازهای صنعتی است٬ اما فرصت های دیگری نیز ممکن است در مایع کردن گاز طبیعی وجود داشته باشد. مایع سازی مجدد در سیستم های کوچک ذخیره سازی LNG می تواند در آینده ی نزدیک٬فرصت های خوبی در بازار داشته باشد. یک نمونه قدیمی از LOPTR در شکل 5 نشان داده شده است. کمپرسور دارای موتور خطی٬ در محفظه ی تحتانی صفحه ی بالایی تعبیه شده و OPTR نیز در بالای این صفحه قرار گرفته است. این سیستم برای مایع کردن حدود 100 گالن گاز طبیعی در روز طراحی شده بود٬ اما این دستگاه به اهداف تعیین شده در طراحی آن دست نیافت. دو سیستم دیگر نیز از این نوع طراحی شده و آزمایش گردیده اند.
نتیجه گیری :
پیدایش فناوری مایع سازی صوتی٬ پیشرفت های عمده ای را در چند سال گذشته باعث شده است. انتقال فناوری به Praxair٬ برنامه های تحقیقاتی را شتاب بیشتری بخشید و فرصت های جدیدی را در بازار به وجود خواهد آورد. مزایای سیستم های تبرید در دمای بسیار پایین بدون استفاده از قطعات متحرک٬ منجر به ایجاد تغییراتی بنیادین در دهه های آینده در بسیاری از کاربردهای مایع سازی گاز خواهد شد.
روش جدید برای تبدیل گاز طبیعی به سوخت های مایع
اخیرا تکنولوژی جدیدی توسعه یافته که با آن می توان منابع گاز طبیعی دور افتاده را به صورت اقتصادی به سوخت های مایع تبدیل کرد. این روش توسط شرکت سینترولیوم کورپوریشن (Syatrolenm Corporation) ابداع شده و بنا به ادعای این شرکت٬ در مقایسه با روش شرکت های موبیل٬ شل٬ اکسون و روش جدید ساسول بسیار اقتصادی تر است و برای کشورهای صاحب گاز نویدی است که بتوانند از منابع کوچک و دور افتاده گاز طبیعی خود استفاده کنند.
تاریخچه:
بیش از نیم قرن است که بشر با استفاده از روش فیشر تروپش (Fisher – Tropsch) ٬ از زغال سنگ سوخت مایع تهیه می کند. واکنش فیشر تروپش٬ در دهه های 1920 – 1930 در آلمان توسعه یات و با استفاده از آن٬ گاز سنتز از زغال سنگ در مجاورت کاتالیست کبالت در 200 درجه ی سانتی گراد و فشار Mpa 1 – 0.7 تبدیل به مخلوطی از هیدروکربورکربن ها تا C 40 گردید
سنتر فیشرتروپش در حقیقت واکنش هیدروژن افزایی (هیدروژتاسیون) منواکسید کربن است. در این نوع واکنش ها معمولا از کاتالیست های آهن٬ کبالت٬ مولیبدن و نیکل که باعث تسریع واکنش می شود استفاده می کنند.
n CO + 2n H2 → -(CH2)n + nH2O
n CO + nH2O → n H2 + n CO2
2n CO + n H2 → -(CH2) + n CO2
تکنولوژی این فرایند از آلمان به افریقای جنوبی که دارای منابع زیاد زغال سنگ است٬ منتقل شد و شرکت ساسول اولین مجتمع تولید بنزین از گاز سنتز را در اواخر دهه ی 1950 احداث نمود. در روش ساسول (1) از دو واکنشگر یکی بابستر ثابت (Arge Reactor) و دگری بابستر سیال (Synthol Reactor) ٬ استفاده می شود. محصول حاصل از واکنشگر اول٬ گاز و بنزین وموم سنگین است٬ و محصول بوجود آمده از واکنشگر دوم٬ الکل ها و کتون هاست. در روش ساسول (2)٬ از 7 واکنشگر بابستر سیال استفاده می شود و محصولات حاصله٬ گاز مایع٬ بنرین و سوخت دیزل است. اخیرا شرکت ساسول فرایند جدیدی به نام روش فاز دوغایی (Sturry Phase Proccess) ارایه داده است که در آن از کاتالیست کبالت استفاده می شود و از نظر اقتصادی قابل توجیه است.
شرکت موبیل در روش خود از کاتالیست زیولیت برای تولید بنزین استفاده کرد٬ و یک واحد در سال 1985 در زلاندنو با مشارکت دولت آن کشور احداث نمود٬ ولی به علت هزینه های ریاد٬ از این واحد در حال حاضر فقط برای تولید متانول خالص استفاده می شود.
شرکت شل نیز از سنتز فیشرتروپش ٬ برای تولید فراورده های میان تقطیر بهره گرفت. این شرکت با مشارکت شرکت میتسوبیشی و پتروناس یک مجتمع تولید مواد میان تقطیر از گاز طبیعی را در سال 1993 در مالزی راه اندازی کرد.
هزینه تولید هر بشکه مواد میان تقطیر بالغ بر 25 تل 93 دلار در هر بشکه می شود که به مراتب بیش از قیمت های فروش این فراورده ها در بازارهای بین المللی است. بنابراین هیچکدام از این روش ها در حال حاضر بجز روش جدید ساسول٬ مقرون به صرفه نیست.
شرکت اکسون نیز در سال 1996 با استفاده از فرایند فیشرتروپش روشی را به نام تکنولوژی پیشرفته ی تبدیل گاز در قرن 21 (Advanced Gas Conversion Technology 21st Century) اریه داده و موفق شده است هزینه ها را تا حد زیادی کاهش دهد. این شرک در حال مذاکره با شرکت نفت قطر است تا مجتمعی را با ظرفیت 100 – 50 هزار بشکه در روز فراورده میان تقطیر٬ در قطر احداث کند. شرکت اکسون ادعا می کند که این روش با توجه به قیمت های فعلی نفت اقتصادی است.
شرکت سینترولیوم در سال جاری اعلام کرد که روش آن شرکت که به نام فرایند سینترولیوم (The Synthroleum Process) تحولی اساسی در صنایع استفاده از گاز طبیعی ایجاد خواهد کرد. در جدول (1) هزینه ی روشهای مختلف استفاده از فرایند فیشرتروپش مقایسه شده است.
روش جدید شرکت سینترولیوم
گاز طبیعی یکی از منابع عمده ی سوخت های فسیلی است.منابع گاز طبیعی پراکنده و اغلب توسعه نیافته است٬ چون تا کنون راه حل سود آوری برای جمع آوری و استفاده از آنها وجود نداشته است. اگر راه حل مناسبی یافت شود از هر 10000 فوت مکعب گاز طبیعی می توان یک بشکه سوخت مایع بدست آورد. به این ترتیب ذخایر گاز طبیعی معادل چند صد میلیارد بشکه نفت است.
در فرایند فیشر تروپس که توسط شرکت های موبیل٬ شل و اکسون از آنها استفاده شده است تا کنون سعی بر این بوده است که ظرفیت تولید واحد سوخت مایع را تا حد روزانه 50 هزار بشکه افزایش دهند. این امر مستلزم تولید 180 میلیارد فوت مکعب گاز طبیعی در سال ویا معادل 4/5میلیارد فوت مکعب برای 30 سال بهره برداری از واحد خواهد بود. فقط دو درصد از کل4448 میدان موجود گاز در جهان می تواند برای این میزان تولید مورد استفاده قرار گیرد (تولید 30 میدان برای تبدیل گازبه گاز طبیعی مایعING اختصاص داده شده است).شرکت سینترولیوم روش دیگری را در پیش گرفته است. در این روش مجتمع های تولید کوچک و پراکنده در ابعاد 5 هزار بشکه مورد نظر بوده است.با این روش می توان از حدود 40 درصد ذخایر جهان استفاده کرد.(شکل 1). در طرح سینتر ولیوم دو هدف اصلیذ دنبال می شود :
1- رقابت سوخت مایع ساخته شده با قیمتهایجاردی نفت خام(15 تا 20 دلارهر بشکه)
2- انعطاف در طراحی که بتوان ابعاد مجتمع را با توجه به نیاز هر میدان دور افتاده٬ تعیین نمود.
برای اجرای اولین هدف سعی شده از پیچیدگی مجتمع جلوگیری شود و هزینه ی سرمایه گذاری به حداقل برسد. در اجرای دومین هدف کوشش به عمل آمده که اجزا مجتمع را به نحوی طراحی واحداث کنند که با تلفیق آن ها بتوان انواع ظرفیت ها را از 2 تا 100 هزار بشکه در روز بسازند.
در روش شرکت سینترولیوم همان دو مرحله فرایند فیشر تروپش دنبال می شود. ابتدا گاز طبیعی به گاز سنتز (کربن منواکسید ٬ هیدروزن و نیتروژن) تبدیل می شود. در مرحله دوم گاز سنتز در واکنشکر فیشر تروپش و در مجاورت کاتالیست پلیمریزه می شود و زنجیر هایی از هیدروکربن ها را به ابعاد مختلف تشکیل می دهد.
روش سینترولیوم در مقایسه با روش های دیگر در موارد زیر تفاوت دارد :
مرحله اول - تولید گاز سنتز
در فرایند های معمولی فیشرتروپش٬ 50 درصد هزینه سرمایه ای مربوط به بخش تولید گاز سنتز است. در این روش ها گاز سنتز از گاز طبیعی با روش تبدیل با بخار و سپس اکسیداسیون بخشی(Partial Oxidation) یا اکسیژن صورت می گیرد و نیاز به واحد جداسازی هوا دارد. استفاده از این روش مستلزم صرف هزینه ی زیادی است. علاوه بر این گاز نیتروژن نیز به عنوان گاز ناخواسته از سیستم جدا شود.
در فرایند شرکت سینترولیوم ٬ گاز نیتروژن بخشی از گاز مورد استفاده است. به عبارت دیگر در این فرایند که بر مبنای تبدیل خودکار گرمایی (Artothermal Reforming_ATR ) صورت می پذیرد ٬ از هوا به جای اکسیژن استفاده می شود . راکتور بسیار ساده است و راه اندازی و بستن آن به راحتی انجام می گیرد و هزینه احداث نسبتا کم است .
واکنشگر از یک محفظه فولاد کربنی تشکیل شده که جدار آن از مواد نسوز پوشیده شده است .
واکنشگر با هوا و گاز طبیعی به نسبت و فشار معین تغذیه می شود و گاز سنتز رقیق شده با نیتروژن حاصل می گردد . نسبت هیدروژن به کربن منو اکسید در حد مورد نظر یعنی دو است . نسبت گاز سنتز با افزایش مقداری بخار و یا کربن دی اکسید به واکنشگر می تواند تغییر کند .
شکل (2)
مرحله دوم – سنتز فیشر تروپش
در فرایندهای دیگر دقت می شود که از ورود گازهای خنثی مانند نیتروژن به مرحله دوم جلوگیری شود ولی در روش شرکت سینترولیوم نیتروژن ٬ گاز سنتز را رقیق می کند . در واکنشگر هیچگونه چرخه مجددReeycle Loop ) ) وجود ندارد . طراحی به صورت یکبار عبور از راکتور ٬ از انباشته شدن نیتروژن در سیستم جلوگیری می کند ٬ بدون آنکه از کارایی آن کاسته شود.
شکل(3)
واحد نیمه صنعتی (پیلوت)
کارهای اولیه از اواخر سال 1984 آغاز شد و در سال 1989 روش مدرن آن به ثبت رسید . سپس واحدی با ظرفیت روزانه 2 بشکه در سالهای 91-1990 آغاز به کار کرد . هر چند کار واحد با موفقیت همراه بود ٬ ولی نیاز به کاتالیستی مناسب برای بهبود کیفیت محصول در شرایط ویژه روش سینترولیوم محسوس بود و کار با انواع کاتالیست ادامه یافت . بنابراین شرکت سینترولیوم تصمیم گرفت که این واحد نیمه صنعتی را برای مدت نامحدودی حفظ کند .
محصولات جانبی
حرارت اضافی تولیدی از دو مرحله فعل و انفعال همراه با گاز دنباله Tail Gas ) ) با ارزش حرارتی کم ٬ نه تنها تمام نیازهای مجتمع را تامین می کند بلکه می تواند به صورت بخار و یا برق اضافی در اختیار صنایع مجاور قرار گیرد . آب ساخته شده نیز یکی دیگر از محصولات جانبی است که از آن می توان به صورت آب تغذیه دیگ بخار و یا آب آشامیدنی استفاده کرد .
شرکت سنترولیوم با توجه به دو هدفی که تعیین کرده است وقبلا به آن اشاره شد ٬ طراحی واحدهای مختلف را به نحوی با مشاوره با شرکتهای بزگ نفتی انجام داده است تا انواع انعطاف در احداث مجتمع ها با هر ظرفیت و شرایطی میسر باشد .
انواع دستگاه :
- دو نوع مبدل خودکار گرمایی
- سه نوع طراحی مستقل سیستم حرارتی چند منظوره
- چهار نوع طراحی واکنشگر فیشرتروپش ( شامل طرح عمودی برای استفاده احتمالی در روی تاسیسات دریایی )
- دو سیستم استفاده از کاتالیست
تکنولوژی کاتالیست
شرکت سینترولیوم از سال 1991 برای توسعه کاتالیستی مناسب برای شرایط ویژه فرایند خود به تلاشی وسیع دست زده است. کاتالیست آلفای بالا (High Alpha) این شرکت نوعی کاتالیست بسیار فعال کبالت است. استفاده از این کاتالیست٬ منجر به تولید نفت خام مصنوعی مومدار – که دارای مولکول های ذنجیره ای مستقیم و یکنواخت هیدروکربن است – می شود.مقداری نیز متان که کمتر از 10 درصد محصول است تولید می گردد. نمودار گسترده تولید محصولات نمونه در شکل(4) نشان داده شده است. بنابراین مانند روش های دیگر استفاده از فرایند فیشرتروپش٬ برای شکستن نفت خام نیاز به واحد شکستن هیدروژنی است.
از سال 1994 تحقیق برای یافتن کاتالیستی که بتواند هیدروکربن های سبک (C1- C4) را نیز محدود کند ادامه دارد و پیشرفتهایی نیز حاصل شده است.
کاتالیست جدید نویدهای زیر را می دهد :
- کاربرد فرایند در شرایط فشار پایین تر
- استفاده از واکنشگر با بستر سیالی بزرگتر که با روش استفاده از کاتالیست آلفای بلند مقدور نیست.
- حذف مرحله شکست هیدروژنی کاتالیستی
شرکت سینترولیوم از طرف چند شرکت بزرگ نفتی در انجام تحقیقات خود حمایت می شود.
اقتصاد فرایند تولید نفت مصنوعی از گاز طبیعی
هر پروژه ویژگی خود را دارد و عوامل مختلفی در اجرا و توسعه آن دخالت دارد. اهداف سرمایه گذاری٬ نوع محصولات حاصله٬ محل ایجاد تاسیسات٬ هزینه ی تمام شده خوراک و تاسیسات موجود از جمله این عوامل است.
در بررسی اقتصاد تولید نفت مصنوعی از گاز طبیعی ٬ موضوع بسیار مهم نقش هزینه سرمایه گذاری است. در صنایع نفت روشن شده است که چنانچه هزینه احداث تاسیسات زیر رقم حدود 30000 دلار برای هر بشکه ظرفیت تولید روزانه محصول باشد و متوسط هزینه تمام شده هر بشکه محصول کمتر از 22 دلار هر بشکه باشد٬ طرح اقتصادی خواهد بود. در شکل (5) اقتصاد تولید نفت مصنوعی از گاز طبیعی نشان داده شده است.
هزینه های سرمایه گذاری
طی چند سال اخیر همزمان با توسعه فرایند ، شرکت سینترولیوم با شرکت مهندسی بیتمن ((Batman Engineering برای توسعه تجاری چند طرح همرته با برآورد هزینه سرمایه گذاری لازم بعمل آورده است.
در این مطالعات مدلهای مختلف فرایند پالایش و تکامل طراحی واحدها صورت پذیرفت .در ضمن توجه خاصی به مواردی مانند سیستمهای مختلف تراکم سازی و طراحی واکنش گر در جهت بهینه سازی هزینه ها شد .
در سال 1995مطالعه برای احداث مجتمعی با ظرفیت تولید روزانه 5 هزار بشکه از سه فراورده نفتا،نفت سفید و گازوییل به عمل آمد. هزینه ایجاد تاسیسات 135 میلیون دلار و یا معادل 27000دلار برای هر بشکه برآورد گردید.
در مطالعه جدیدتری که انجام شده است ،طراحی مجتمعی با ظرفیت 5600 بشکه در روز محصول ،هزینه را به 97 میلیون دلار و یا برابر 17300دلار برای هر بشکه ظرفیت کاهش داد.
بررسی های اولیه نشان میدهد که چنانچه ظرفیت واحدها افزایش یابد .برای واحدهایی با ظرفیت 20 تا 25 هزار بشکه در روز هزینه سرمایه گذاری از حدود 12 تا 14 هزار برای هر بشکه ظرفیت تجاوز نمیکند و این رقم معادل هزینه های جاری برای احداث یک پالایشگاه معمولی است.
در حال حاضر شرکت سینترولیوم با همکاری یکی از شرکت بزرگ نفتی در حال طراحی یک پالایشگاه با ظرفیت 2 تا 2.5 هزار بشکه در روز در یک محل دور افتاده است .هزینه این پالایشگاه 55 میلیون دلار برآورد شده است.
