دانشكده مهندسي مکانيک
جهت اخذ درجه كارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي
موضوع:
شبيه سازي فن هاي هوايي واحد هيدروژن شرکت پالايش نفت امام خميني (ره) شازند با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac
استاد راهنما:
آقاي دكتر حسيني
استاد مشاور:
آقاي دكتر فرضي
دانشجو:
جلال حمه حسني
زمستان 1390
تقديم به:
پدر عزيزم،
اين اسوه با شکوه
که بدين جا رسانيدم امتداد انديشه هاي بلندش
پاسخي به زحمات بي دريغش
و بوسه اي بر دستان بي منتش.
و
مادر مهربانم،
اين نادره وجود
که وجودم همه از آن اوست
دستان دعا پيشيه و قلب مهربانش
همواره رهگشاي من است.
با تشکر و قدرداني از
استاد بزرگوارم جناب آقاي دکتر حسيني که با زحمات بي دريغ و دلسوزانه خويش راهنمايي پايان نامه را بر عهده داشتند و جناب آقاي دکتر فرضي که مشاوره پايان نامه را تقبل فرمودند.
“اين پايان نامه با حمايت و پشتيباني شركت پالايش نفت امام خميني (ره) شازند
اجرا شده است”

نام خانوادگي: حمه حسني نام: جلالعنوان پايان نامه: شبيه سازي فن هاي هوايي واحد هيدروژن شرکت پالايش نفت امام خميني (ره) شازند با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac
استاد راهنما: دکترسيد حسين حسيني
مقطع تحصيلي: کارشناسي ارشد رشته: مهندسي شيمي دانشگاه: تبريز
دانشکده: مکانيک تاريخ دفاع: 8/11/1390 تعداد صفحه: 101کليد واژه: فن هاي هوايي، يخ زدگي، شبيه سازي، روش شبکه هاي عصبي.چکيده
يخ زدگي فن ها در واحدهاي عملياتي از جمله واحد هيدروژن پالايشگاه امام خميني شازند در فصول سرد سال يکي از مشکلات مهم در اين پالايشگاه مي باشد. به منظور ارائه راهکار مناسب براي حل اين مشکل بايستي تخميني مناسب از دماي خروجي فن را داشته باشيم. روش شبکه عصبي ابزار محاسباتي بسيار قوي به منظور مدلسازي پديده ها مي باشد. در اين تحقيق از يک شبکه عصبي پيشرو سه لايه1 به منظور پيش بيني دماي سيال خروجي از فن هاي هوايي واحد هيدروژن پالايشگاه امام خميني شازند استفاده شده است. نتايج نشان داد خطاي نسبي متوسط2 براي اين روش برابر 2/7% براي داده هاي آزمايشي و5/6% براي داده هاي آموزشي بوده است. در اين پروژه همچنين با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac فن شبيه سازي مي شود و راهکار مناسب جهت جلوگيري از يخ زدگي لوله ها ارائه مي شود.

فهرست مطالب
مقدمه 2
1-1 – مزايا و معايب خنک کردن با هوا 2
1-1-1- مزايا 2
1-1-2- معايب 3
2-1- ساختار مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا 3
1-3- آرايش دسته لوله ها و ايجاد جريان هوا 4
1-3-1- عبور هوا به صورت جريان دمشي (اجباري) و مکشي (القايي) 4
1-4- عبور هوا به صورت جريان طبيعي 8
1-5- ساختار دسته لوله و شکل بندي هاي جريان 9
1-5-1- ساختار دسته لوله 9
1-5-2- شکل بندي جريان 11
1-5-3- ساختار لوله پره دار 12
1-5-4- لوله هاي پره دار 16
1-6- انواع پره ها 16
1-7- کاربردهاي فن هاي هوايي 19
1-7-1- استفاده هاي صنعتي 19
1-8- معادلات اساسي انتقال گرما 20
1-9- اجزاي فن هوايي 22
1-10- فن هاي هوايي عمودي 23
1-11- تيوب باندل ها واجزاي مختلف کويل ها 26
1-12- فن و محرک هوا 29
1-13- مشكلات مبدل هاي خنك كننده هوايي 31
2-1- مروري بر کارهاي گذشته 34
3-1- معرفي واحد هيدروژن 38
3-2- شيمي فرآيند 38
3-3- شرح عمليات واحد 40
3-4- شبيه سازي با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac 44
3-5- مراحل شبيه سازي با نرم افزار 56
3-6- شبيه سازي با استفاده الگوريتم شبکه هاي عصبي 59
3-7- مفهوم شبكه 59
3-8- شبكه عصبي مصنوعي 60
3-9- مدل رياضي شبكه عصبي مصنوعي 61
3-9-1- پرسپترون چند لايه 63
3-10- آموزش شبكه به روش پس انتشار خطا 65
3-11- الگوريتم پس انتشار خطا 66
3-12- روند شبيه سازي مسائل 71
3-13- شبيه سازي 73
4-1- نتايج نرم افزار Aspen B-jac 85
4-2- نتايج الگوريتم شبکه عصبي 92
منابع و مراجع 96
Abstract 102

فهرست اشکال
صفحهعنوان5شكل 1-1- مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا
6 شکل1-2- مبدل خنك كننده هوايي دمنده
7شکل 1-3- مبدل خنك كننده هوايي مكنده
9 شکل1-4- آرايش دسته لوله هاي خنک کننده در برج هاي خنک کن خشک کن با جريان طبيعي . (الف) آرايش پيراموني و (ب) آرايش سطح مقطعي10شکل 1-5- دسته لوله پره دار مبادله کن گرماي خنک شونده با هوا از شرکت GEA10شکل 1-6- قابليت دستيابي براي تميز کردن داخل لوله ها
12شکل 1-7- مبادله کن هاي خنک شونده با هوا
14شکل 1-8- برخي آرايش هاي رايج پره لوله
14شکل 1-9- پره گذاري ستاره اي
15شکل 1-10- روش هاي اتصال پره
17شکل 1-11- پره L شکل
17شکل 1-12- پره Embedded
18شکل 1-13- پره Extruded 22شکل 1-14- اجزاي فن 23شکل 1-15- اجزاي يک فن عمودي
24شکل 1-16- انواع کويل هاي افقي
25شکل 1-17- انواع کويل هاي عمودي 26شکل 1- 18- انواع مکش طبيعي
27شکل 1-19- انواع تيوب باندل ها
29شکل 1-20- نمايي باز از يک تيوب باندل
30شکل 1-21- انواع فن ها
32شکل 1-22- يك مبدل خنك كننده هوايي و يك برج خنك کننده
46شکل 3-1- هدر هاي ورودي، خروجي و دماي نازل هاي ورودي و خروجي
46شکل 3-2- تيوب هاي فن
47شکل 3-3- هدر هاي مياني
61شکل3-4- يک نمونه عصب واقعي 62شکل 3-5- مدل رياضي ساده شده عصب واقعي 64شکل 3-6- پرسپترون 3 لايه با اتصالات 64شکل 3-7- رفتار تابع سيگموييد
88شکل 4-1- نمايي از فن 88شکل 4-2- نمودار دما بر حسب دانسيته مايع
89شکل 4-3- نمودار دما بر حسب کسر مولي بخار
93شکل 4-4- تعدادي از نرون ها در لايه مخفي
93شکل 4-5- شبکه به کار رفته در شبيه سازي
94شکل 4-6- نمودار نشان دهنده انطباق داده هاي تجربي و محاسبه شده
96شکل 5-1- لوور نصب شده بر روي فن
فهرست جداول
صفحهعنوان55
جدول 3-1- داده هاي اندازه گيري شده جهت انجام شبيه سازي
57
جدول 3-2- ترکيبات سيال ورودي به فن 74جدول 3-3- داده هاي اندازه گيري شده جهت شبيه سازي
90جدول 4-1- نتايج مربوط به شبيه سازي

” فصل اول ”
” مقدمه ”
مقدمه
طي 20 تا 30 سال گذشته، هم براي مصارف خانگي و هم براي مصارف صنعتي، استفاده از هوا به عنوان سيال خنک کننده و جايگزين براي آب افزايش يافته است. هم اکنون مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا (هوا- خنک) بخش مهمي از فن آوري صنعتي انتقال گرما را شامل مي گردند. اين نوع مبادله کن ها براي خنک کردن مايعات وچگالش بخارها به عنوان مثال در جريان هاي پالايشگاهي و بخارهاي خروجي از بالاي ستون هاي تقطير به طور وسيع استفاده مي شوند.
1-1 – مزايا و معايب خنک کردن با هوا
1-1-1- مزايا
اساسي ترين مزيت هوا به عنوان سيال خنک کننده در دسترس بودن آن است. به علاوه در استفاده از آن در مقايسه با سيستم هايي که با آب خنک مي شوند نيازي به سيستم هاي لوله کشي و پمپ کردن مربوط به تغذيه آب خنک کننده و مشکلي در مورد زدودن رسوب ونگراني در مورد اثرات شيميايي و حرارتي مضر بر محيط وجود ندارد. هوا تميز و به لحاظ شيميايي غير فعال مي باشد و نيازي به پيش تصفيه يا فرايندي شيميايي براي جلوگيري از رشد باکتري ها وقارچ ها و تشکيل رسوب نيست، در صورتي که اين موارد براي آب نياز است. معمولا تشکيل رسوب و يا خوردگي در سمت هواي مبادله کن کم است اگر چه اين امر به محل قرار گيري مبادله کن نيز مربوط مي گردد. در نتيجه مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا در مقايسه با سيستم هاي خنک شونده با آب (آّب- خنک) نياز کمتري به تعمير ومراقبت توسط افراد فني دارند. نکته آخر آنکه به دليل ساختار نسبتا ساده و عدم وجود واحد کمکي تصفيه سيال خنک کن مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا هزينه اوليه کمتري در مقايسه با کولر هاي آبي دارند.
1-1-2- معايب
معايب اصلي هوا به عنوان سيال خنک کننده ضريب هدايت گرمايي کوچک، چگالي کم و گرماي ويژه کم آن مي باشد. ضرايب انتقال گرما با لوله هاي ساده (بدون پره) در سرعت هاي هوا که به لحاظ اقتصادي ممکن مي باشد ( m/s 10) کوچکتر از .k) W/(m2 100هستند وبهبود بخشيدن ضرايب انتقال گرما به وسيله لوله هاي پره دار حتي براي دستيابي به مقادير متوسط بازده گرمايي نيز ضروري ميباشد. در نتيجه فن هاي هوايي در مقايسه با مبادله کن هاي مشابه خنک شونده با آّب
بزرگتر هستندو نياز به سازه هاي تکيه گاهي گسترده تر ومساحت زمين و فضاي بيشتري براي نصب دارند. به دليل همين ابعاد بزرگ مبادله کنهاي گرماي خنک شونده با هوا نمي توانند مانند کولرهاي آبي در هر جايي استفاده شوند. به عنوان مثال سوار کردن آن ها در بالاي برجهاي تقطير براي چگالش بخار خروجي از بالاي برج مشکل است.
در برخي محل ها دماي هوا بالا است ودر نتيجه اختلاف دماي موجود براي خنک کردن سيال عبوري از داخل لوله ها کوچک مي باشد، اين امر لزوم استفاده از مساحت هاي بسيار بزرگ سطوح مبادله کن گرما را ايجاب مي کند. اين مورد اغلب هنگامي پيش مي آيد که بنا به موقعيت محل، تغذيه آب نيز با مشکل مواجه مي باشد.
نکته آخر آن که بايد توجه شود که مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا که هوا در آن ها توسط پروانه به حرکت در مي آيد ممکن است پر سرو صدا باشند و بنابراين شکلي از آلودگي محيط (آلودگي صوتي) را ايجاد مي کنند.
2-1- ساختار مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا
در مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا سيالي که بايد خنک شود در داخل لوله هاي دسته لوله پره دار جريان مي يابد، در حالي که هوا به صورت جريان متقاطع از روي سطح خارجي لوله ها عبور مي کند. جريان هوا ممکن است با عبور طبيعي هوا در کانال هوا کش يا برج يا با عبور اجباري هوا به وسيله پروانه و موتور الکتريکي ايجاد شود. شکل بندي هاي متعدد جريان به همراه طرح هاي زيادي از نوع پره ها در اين مبادله کن ها استفاده مي گردند.
1-3- آرايش دسته لوله ها و ايجاد جريان هوا
1-3-1- عبور هوا به صورت جريان دمشي (اجباري) و مکشي (القايي)
شکل 1-1 در طرحي ترسيمي نشان مي دهدکه چگونه يک دسته لوله مي تواند با عبور جريان هوا به شکل دمشي يا مکشي خنک شود. در حالت جريان دمشي هواي مجاور به داخل پروانه (فن) کشيده مي شود و پروانه به ميزان اندکي که براي غلبه بر مقاومت هيدروليکي عبور جريان از روي دسته لوله کافي باشد، فشار هوا را افزايش مي دهد (معادل با چند ميلي متر آب). در حالت جريان مکشي پروانه به ميزان اندکي فشار هوا را کاهش مي دهد که براي کشيدن هوا از روي دسته لوله کافي است. در حالت اخير هوايي که وارد پروانه مي شود گرمتر از دماي هواي مجاور است و لذا چگالي آن کمتر از چگالي هواي محيط مي باشد.
دسته لوله ها معمولا شامل تعداد کمي از رديف هاي لوله هستند که در داخل قابي مستطيلي قرار مي گيرند و مي توانند به صورتي که در شکل 1-1 نشان داده شده است به شکل عمودي، افقي يا در وضعيت شيبدار قرار گيرند. رايج ترين شکل قرار گيري در وضعيت افقي است.

شکل ???- مبادله کن هاي گرماي خنک شونده با هوا ]1[
مزاياي نسبي عبور جريان هوا به شکل مکشي و دمشي به شرح زير مي باشد:
مزاياي جريان به صورت دمشي
الف- در نتيجه دماي هواي ورودي سردتر به پروانه و چگالي بزرگتر هوا براي ايجاد نرخ جرمي مشخص به توان الکتريکي کمتري نياز است، به علاوه پروانه مي تواند کوچکتر باشد و بنابراين هزينه اوليه کمتري دارد.
ب- پروانه در مقايسه با حالت جريان مکشي در جريان هواي خنک قرار دارد و نياز به عايق کاري يا خنک کاري موتور پروانه و ياتاقان ها کاهش مي يابد و يا منتفي مي گردد.
ج- در هنگام بروز نشتي سيال فرايندي از لوله ها و با اين فرض که سيال نشتي توسط جريان هوا، حمل مي گردد احتمال آلوده شدن پروانه يا موتور کمتر است.
د- در حالت قرار گيري دسته لوله به صورت افقي پروانه نزديک به زمين است و دسترسي به آن براي عمليات تعمير و نگهداري آسان تر است.
در شکل هاي ??? و ??? فن هاي دمشي و مکشي نشان داده شده اند.
در اين آرايش لوله ها در قسمت دمنده فن قرار دارند يعني فن زير مجموعه لوله ها قرار مي گيرند.

شکل ???- مبدل خنك كننده هوايي دمنده3 ]2[
در نوع دمنده لوله ها در قسمت بالايي فن قرار مي گيرند. به اين ترتيب در اثر گرم شدن هواي ورودي در بالاي لوله ها مكش طبيعي هوا به سمت بالا صورت مي گيرد. لذا توان مصرفي فن كمتر خواهد شد. از طرف ديگر در اين نوع از مبدل ها قطعات فن براي تعمير به راحتي در دسترس هستند. در ضمن اين نوع مبدل ها داراي سازگاري بيشتري در مناطق سردسير مي باشند. اما اين سيستم برخلاف مزاياي ذكر شده داراي معايبي هم هست که از آن جمله مي توان به عدم توزيع مناسب هوا در بين لولهها و امكان برگشت هواي گرم به خاطر سرعت كم هواي خروجي از قسمت لوله ها اشاره كرد. در ضمن به خاطر اينكه لوله ها د ر معرض نور خورشيد، باران و تگرگ قرار دارند ميزان استهلاك بالا مي رود.
مزاياي جريان به صورت مکشي
الف- توزيع جريان يکنواخت تر است.
ب- پروانه دسته لوله را از جمع شدن برف يا باران سنگين محافظت مي کند.
ج- از گردش وعبور مجدد هواي گرم به داخل دسته لوله جلوگيري مي گردد.
عيب اصلي آرايش جريان دمشي توزيع غير يکنواخت جريان مي باشد. معايب اصلي آرايش جريان مکشي فضاي آزاد بزرگتر مورد نياز براي اطمينان از توزيع يکنواخت جريان هوا ميزان سر وصداي بيشتر، خطر آسيب ديدگي پروانه يا موتور در اثر نشتي سيال فرايندي و کارکرد پروانه در دماهاي گرمتر هستند.

شکل ????- مبدل خنك كننده هوايي مكنده4 ]2[
در اين آرايش لوله ها در قسمت مكنده فن قرار دارند يعني فن بالاي مجموعه لوله ها قرار مي گيرد. اين نوع نيز داراي مزايا ومعا يبي است. در اين نوع هوا در قسمتهاي مختلف اطراف لوله ها به نحو مناسبي توزيع مي شود و امكان برگشت هواي گرم به قسمت هواگيري فن كمتر است. تاثير خورشيد و باران و تگرگ بر روي لوله ها نيزكمتر است زيرا 60% سطح پوشيده است و تاثير جريان طبيعي در سيستم بيشتر است.
معايب اين سيستم نيز به شرح زير است :
توان مصرفي بيشتري مورد نياز است زيرا فن در معرض هواي گرم عبوري از لوله ها قراردارد. دماي هواي گرم خروجي از قسمت تيوب ها بايد تا حدود 200 درجه فارنهايت محدود شود زيرا امكان خراب شدن پره ها و ياتاقان و تسمه و ديگر قطعات فن در جريان هواي گرم وجود دارد. عيب ديگر اين است كه قطعات فن براي تعمير كمتر در دسترس هستند.
1-4- عبور هوا به صورت جريان طبيعي



قیمت: تومان


پاسخ دهید