Computer-aided exergy and energy analysis of the vacuum distillation unit
Vakum distilasyon ünitesinin bilgisayar destekli ekserji ve enerji analizi
- Tez No: 673529
- Danışmanlar: PROF. DR. SERDAR YAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya Mühendisliği, Energy, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Son zamanlarda sera gazı emisyonları, ham madde maliyetleri, kaynak sıkıntısı nedeniyle enerji verimliliği konulu çalışmalar oldukça önem arz etmektedir. Enerji verimliliği, hem maliyetleri azaltması hem de çevreyi koruması açısından araştırmacıları bu konularda çalışmalara teşvik etmektedir. Enerji verimliliği çalışmalarının gerçekleştirilmesi için öncelikle enerji tüketimine sebebiyet veren kaynakların analiz edilmesi gerekmektedir böylece bu analizler sonucunda gerekli aksiyonlar alınabilir. Bu aksiyonlar arasında değerlendirilmesi gereken seçenekler proses atık ısılarının geri kazanılması, istenmeyen kaçakların önlenmesi, yeni teknolojik olanakların değerlendirilmesi, ekipmanlarda düzenli bakımların yer alması aynı zamanda enerji verimliliğini yükseltecek tasarımların ve operasyonların uygulanması gibi çalışmalar yer almaktadır. Petrol rafinerileri enerji yoğun karmaşık yapılar olup hem enerji üreticisi hem de tüketicisidir. Bu nedenle petrol rafinerilerinde geniş çaplı bir enerji yönetimi gereklidir. Rafineriler ham petrolü işleyerek farklı petrol ürünlerini elde eden distilasyon kolonlarından oluşmaktadır. Rafineri, ham petrol distilasyon, vakum distilasyon, hidrokraker, katalitik kraking, hidrodesülfürizer, izomerizasyon gibi ünitelerden oluşmaktadır. Ham petrolün ilk işlendiği ünite ham petrol distilasyon ünitesidir. Ham petrol distilasyon ünitesinde hafiften ağıra sırasıyla gaz, likit petrol gazı (LPG), hafif ve ağır nafta, kerosen, hafif ve ağır dizel ve son olarak atmosferik dip ürünleri elde edilir. Bu ürünler doğrudan satışı yapılmakla birlikte rafineride yeni ürünler oluşturmak için başka ünitelere gönderilebilir. Ham petrol işleme ünitesinden elde edilen kaynama noktası çok yüksek olan atmosferik dip ürünler işlenmek üzere vakum distilasyon ünitesine gönderilir. Vakum basıncında ürünlerin kaynama noktalarının düşmesinden yararlanarak ısıl bozunmaya uğramadan istenilen ürünlerin elde edilmesi sağlanır. Atmosferik dip ürünler vakum ünitesinde öncelikle ön ısıtıcı ağlarından ve fırından geçerek istenilen şarj sıcaklığına getirilir ve vakum distilasyon kolonuna beslenir. Hafiften ağıra sırasıyla atık gaz, hafif vakum gaz yağı, ağır vakum gaz yağı vakum dip ürünü elde edilir. Atık gaz amin ünitelerinde temizlenerek tekrardan fırında yakıt olarak kullanılır. Elde edilen diğer ürünler ara ürün olup işlenmek üzere katalitik hidrokraker veya hidrokraker gibi ünitelere gönderilir. Enerji analizi sistemlerin performansını değerlendirmede geleneksel bir yöntem olup enerjinin korunumu olarak bilinen termodinamiğin birinci kanunuyla ilişkilidir. Enerji analizi yönteminde enerji verimliliği hesaplamaları ve enerji denkliği işlemleri kullanılır. Bununla birlikte, kullanılan enerji dengesi, enerji kaynaklarının bozulması hakkında hiç bir bilgi veremez. Böylece enerji analizi, enerji kayıplarını ve enerji kalitesini ölçememektedir. Ayrıca sistemin performansını incelemek için kullanılan enerji verimliliği hesaplamaları bazı noktalarda yanlış yönlendirebilmekte veya kafa karışıklığı yaratabilmektedir. Ekserji metodu bu noktada termodinamiğin birinci kanunu limitlerini aşmaktadır. Ekserji konsepti hem termodinamiğin birinci kanunu hem de ikinci kanunuyla ilişkilidir. Termodinamiğin ikinci kanunu sistemdeki düzensizliği ifade eden entropi kavramını sunar. Buna göre bir sistemin toplam entropisi herhangi bir rastgele süreçte ya artar ya da sabit kalır, asla azalmaz. Sonuç olarak termodinamiğin ikinci yasası enerjinin işe dönüşebildiği yani kalitesini ele almaktadır. Ekserji, sistemin çevresiyle tümüyle termodinamik denge haline gelirken elde edebilecek maksimum teorik yararlı iş olarak tanımlanır. Ekserji analizi prosesteki enerji kayıplarını belirlemede ve prosesin kalitesini ölçmede önemli bir araçtır. Çünkü gerçek proseslerde her zaman enerji kalitesinde bir bozulma vardır. Bu nedenle ekserji analizi sonuçları anlamlı çıktılar vermektedir. Bu noktada ekserji analizi çalışmaları, tasarımcılara, mühendislere ve araştırmacılara sistemin performansı hakkında bilgi vermektedir. Aynı zamanda literatürde ekserji analizi kullanılarak sistemlerin performansını değerlendirmek ve sistemin performansını geliştirmek için birçok faydalı çalışma da bulunmaktadır. Ekserji sadece termodinamik kavramın ötesinde hem sistem hem de referans çevre özelliklerine sahiptir. Bir sistem çevresiyle dengedeyse o sistemin ekserjisi yoktur ve bu durum ölü durum olarak adlandırılır. Eğer sistemin ekserjisi artarsa ekserji çevreden sapmaktadır. Toplam sistem ekserjisi potansiyel, kinetik, fiziksel ve kimyasal ekserjilerin birleşiminden oluşur. Ekserji kütlesel, ısı ve iş olarak aktarılabilir. Sistem performans indikatörlerinden biri olan ekserji verimliliği ideal koşullara yaklaşımın ölçüsüdür. Ekserji verimliliği enerji verimliliğe göre sistemin performansını anlamada önemli bir araçtır. Sistem ne kadar yüksek ekserji verimine sahipse o kadar yüksek enerji kalitesine sahiptir. Literatürde ekserji verimliliği ile ilgili eşitlikler oldukça fazladır. Genelde, çıkış ekserjilerinin toplamının giriş ekserjilerinin toplamına oranı olarak ifade edilir. Ekserji verimliliği her zaman sıfır ile bir arasındadır. Diğer bir performans indikatörü ise sistemin ideal koşullardan sapmasını gösteren tersinmezlik ya da ekserji atığı ifadesidir. Bu tersinmezlik ifadesi ise ekserji dengesinden hesaplanarak ya da literatürde ilgili eşitlikler kullanılarak hesaplanabilir. Enerji analizi çalışmalarında geleneksel olarak kullanılan enerji kavramı ile ekserji kavramı arasında farklılıklar vardır. Örneğin; enerji her zaman korunurken, ekserjide tersinmez veya gerçek prosesler için her zaman bir yıkım söz konusudur. Enerji sadece miktar ölçüsünü dikkate alırken, ekserji hem miktarı hem de kaliteyi ölçer. Enerji çevreden bağımsız olup ekserji çevre ile bağımlıdır. Ekserji analizini uygulayabilmek için bazı prosedürler takip edilmelidir. Buna göre başlangıçta incelenmek istenen sisteme karar verilir, gerekirse sistem elemanları ayrı ayrı değerlendirilebilir. Ekserji ve enerji hesaplamaları için gerekli olan sıcaklık, basınç ve akış gibi operasyonel değerler elde edilir. Bilinen kütle ve enerji denklikleri kullanılarak enerji hesaplamaları yapılır. Ekserji analizi için ise bir referans ortamı seçilir ve bu referansa göre ekserji hesaplamaları yapılır. Ekserji tüketimlerini görebilmek için ekserji denkliği kullanılır. Sistemin ekserji verimliliği için de uygun eşitlikler kullanılır. En son hesaplanan bu değerler yorumlanır. Sistemdeki verimsizlikler belirlenir ve ihtiyaca bağlı olarak performansı iyileştirebilecek aksiyonlar alınır. Petrol rafinerilerinde termodinamik olarak incelenebilecek birçok ekipman vardır. Bu ekipmanlar ısı değiştiriciler, soğutucular, havalı soğutucular, fırınlar, distilasyon kolonları, pompalar ve kompresörler olabilir. Petrol rafinerilerini modellemek için simülasyon önemli bir araçtır ve bunun için çeşitli yazılım ürünleri geliştirilmiştir. Bunlardan biri yaygın olarak kullanılan ASPEN HYSYS'dir. Kullanıcılar, HYSYS'nin sağladığı interaktif platform sayesinde modellerini etkili ve hızlı bir şekilde kurar ve çalıştırır. Ek olarak, ASPEN HYSYS, rafinaj, petrol veya gaz endüstrileri için faz davranışını, fiziksel ve taşıma özelliklerini doğru bir şekilde hesaplamak için kapsamlı termodinamik altyapı sağlar. HYSYS kullanıcılara, ayırıcılar, reaktörler, döner ekipmanlar, ısı transferi ve mantıksal işlemler gibi birçok temel işlem seçenekleri sunmaktadır. Aynı zamanda ekserji ve enerji analizi hesaplamalarını yapmak ve farklı operasyonel koşullarda çeşitli durum çalışmaları gerçekleştirmek için de iyi bir ortam sunar. Bu çalışmada TÜPRAŞ Rafinerisi'nde bulunan vakumlu damıtma ünitesinin enerji ve ekserji analizi yapılmıştır. Çalışmanın esas amacı enerji analizinin yanı sıra farklı bir kavram olan ekserji analizi çalışmaları ile vakum distilasyon ünitesinde yer alan tüm birimlerin verimsizliklerini keşfetmektir. Ayrıca, enerji verimsizlikleri görülen operasyonlarda enerji kayıplarının neden olabileceğini yorumlamak ve iyileştirme potansiyeli olabilecek alanları belirlemektir. Çalışmanın diğer amacı ise, vakum distilasyon kolonunun verimini arttırabilecek şekilde proses kontrol limitlerine bağlı olarak operasyonel parametrelerin ekserji verimliliği üzerinde etkisini görmektir. Son olarak, makine öğrenmesi modelleri kullanılarak vakum distilasyon kolonunun ekserji verimliliği tahmini üzerinde çalışılmıştır. Bunun için kolonu etkileyen parametreler model girdisi olarak kullanılmıştır. Tahmin modelleri geliştirmenin amacı ise, arka planda sürekli ASPEN HYSYS çalışma ortamına ve yoğun ekserji hesaplamalarına gerek kalmadan canlı platformda sonuçları görebilmek ve değerlendirmektir. Aynı zamanda kolon üzerinde geliştirilen tahmin modelleri ile herhangi bir operasyonel koşul için bu operasyonun verimli olup olmadığını belirlenebilir. Çalışma ilk olarak ekserji konseptini anlamak adına ve ekserji hesaplamalarında kullanılacak eşitliklere ulaşmak için detaylı bir literatür araştırmasıyla başlamaktadır. Daha sonra enerji ve ekserji çalışmalarını gerçekleştirmek için ASPEN HYSYS'te vakum distilasyon ünitesi simülasyonu yapılmıştır. Simülasyon için tüm verilerin ulaşılabildiği bir baz tarihi alınmıştır. Simülasyon için gerçek ünite verileri kullanılmıştır. Bu veriler laboratuvar değerleri ve sıcaklık, basınç ve akış gibi operasyonel değerlerdir. Ayrıca ekipmanlara ait ekipman teknik raporunda yazan bilgiler de ünite simülasyonunda kullanılmıştır. Ünitede yer alan ısı değiştirici, ısıtıcı, soğutucu, havalı soğutucu, pompa, fırın ve kolon gibi tüm birim operasyonların simülasyonu HYSYS'te yapılmıştır. Gerçek değerler ile HYSYS model sonuçlarının karşılaştırılması sıcaklık, basınç ve akış gibi her operasyon değer için yapılmıştır. Gerçek değerler ile model sonuçları yakınsayana kadar model sürekli güncellenmiştir. En son doğru model simülasyonu elde edildikten sonra ekserji ve enerji analizi hesaplamalarına başlanmıştır. Ekserji hesaplamalarında ekserji aktarımı eşitliklerine dikkat edilmiştir. Kütlesel ya da akış ekserji hesaplamaları için simülasyon akımlarına ait entalpi, entropi, ekserji değerleri ve literatürde yer alan eşitlikler kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Aynı zamanda her ekipman için literatürde bulunan ekserji verimliliği hesabı yapılmıştır. Ekserji verimliliği düşük olan ekipmanlar belirlenmiştir. Bu ekipmanların performans düşüşlerinin nereden kaynaklanabileceğine ait değerlendirmeler yapılmıştır. Bununla birlikte ekipmanlara ait ekserji ve enerji verimlilik değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Ayrıca, proses kontrol limitlerine göre kolonu kontrol eden parametrelerin ekserji verimliliği üzerine etkisi ASPEN HYSYS'in durum çalışması fonksiyonu kullanılarak değerlendirilmiştir. Kolonun ekserji verimini etkileyen en önemli parametreler belirlenmiştir. Ekserji verimliliğini etkileyen parametreler değerlendirildikten sonra bu parametreler kullanılarak ASPEN HYSYS'te sentetik veri üretilmiştir. Makine öğrenmesi yöntemleri ile bu veri seti kullanılarak tahmin modelleri geliştirilmiştir. Bunun için yapay sinir ağı modellerinden biri olan Torbalama ve topluluk öğrenmesi metotlarından biri olan Rassal Orman modelleri R programında geliştirilmiştir. R programının“Ipred”ve“randomForest”paketleri, sırasıyla Torbalama ve Rassal Orman modeli için kullanılmıştır. Her iki modelin verileri eğitim, test ve görünmeyen doğrulama veri setlerine ayrılmıştır. Bu bölünme eğitim seti için %50, test seti için %30 ve görünmeyen doğrulama veri seti için %20 olacak şekildedir. En son gerçek değerler ile model tahmini değerler arasındaki uyuma bakılarak modelin doğruluğu ve başarısı yorumlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Recently, studies on energy efficiency have become very important due to greenhouse gas emissions, raw material costs and resource constraints. Energy efficiency encourages researchers to work on these issues in terms of both reducing costs and protecting the environment. In order to carry out energy efficiency studies, firstly, the sources that cause energy consumption should be analyzed, so that the necessary actions can be taken as a result of these analyzes. Among these actions, the options to be evaluated include studies such as recovery of process waste heat, prevention of unwanted leaks, evaluation of new technological possibilities, regular maintenance of equipment, as well as the implementation of designs and operations that will increase energy efficiency. Refineries are complex energy-intensive industry that are both energy producers and consumers. For this reason, a wide-ranging energy management is required in refineries. Refineries consist of distillation columns that process crude oil to obtain different petroleum products. The refinery consists of units such as crude oil distillation, vacuum distillation, hydrocracker, catalytic cracking, hydrodesulfurizer, and isomerization. The unit where crude oil is first processed is the crude oil distillation unit. In the crude oil distillation unit, gas, LPG, light and heavy naphtha, kerosene, light and heavy diesel and finally atmospheric bottom products are obtained, respectively. These products can be sold directly or sent to other units to create new products in the refinery. Atmospheric bottom products with a very high boiling point coming from the crude oil distillation unit are sent to the vacuum distillation unit for processing. It is ensured that the desired products are obtained without thermal decomposition by utilizing the boiling points drop of the products under vacuum pressure. In the vacuum distillation unit, atmospheric bottom products first pass through the preheat train and furnace to reach the desired charging temperature, and then are fed to the vacuum distillation column. From light to heavy, waste gas, light vacuum gas oil, heavy vacuum gas oil vacuum bottom product are obtained, respectively. The waste gas is cleaned in amine units and this cleaned gas used as fuel in the furnace. The other products obtained are intermediate products and sent to units such as catalytic hydrocrackers or hydrocrackers for processing. Energy analysis is a traditional method for evaluating the performance of systems and is connected to the first law of thermodynamics known as conservation of energy. In addition, energy efficiency calculations and energy balances are used in the energy analysis method. However, energy balance cannot give any information about the degradation of energy resources. Therefore, energy analysis cannot measure energy losses and energy quality. In addition, energy efficiency calculations used to analyze the performance of the system can be misleading or confusing in some cases. At this point, the exergy method copes with the limits of the first law of thermodynamics. Exergy is related to both the first law and the second law of thermodynamics. The second law of thermodynamics presents the concept of entropy, which expresses the disorder in the system. Accordingly, the total entropy of a system either increases or remains constant in any random process, but never decreases. Consequently, the second law of thermodynamics is concerned with the quality of the system corresponding to the conversion of energy into work. Exergy is defined as the maximum theoretical useful work that can be achieved as the system becomes completely thermodynamic equilibrium with its environment. Exergy analysis is an important tool in determining the energy losses and measuring the quality of the process. Because there is always a degradation in energy quality for real processes. Therefore, exergy analysis results give meaningful results. At this point, exergy analysis studies provide information to designers, engineers and researchers about the performance of the system. At the same time, there are many useful studies about the exergy analysis in the literature to evaluate the performance of systems and to improve the performance of the system. Exergy has both system and reference environmental properties. If a system is in equilibrium with its environment, that system has no exergy and this is called a dead state. If the exergy of the system increases, exergy deviates from the environment. The total system exergy consists of a combination of potential, kinetic, physical and chemical exergy. Exergy can be transferred as mass, heat and work. Exergy efficiency, one of the system performance indicators, measures the approach to ideal conditions. The higher the system has exergy efficiency, the higher there is energy quality of system. There are many equations related to exergy efficiency in the literature. It is usually expressed as the ratio of the sum of the output exergy to the sum of the input exergy. Exergy efficiency is always between zero and one. Another performance indicator is the expression of irreversibility or exergy waste, which indicates the deviation of the system from ideal conditions. This irreversibility expression can be calculated by the exergy balance or by using the relevant equations in the literature. Some procedures should be followed in order to apply exergy analysis. At the beginning, the system to be examined is decided and if necessary, system elements can be evaluated separately. Required operational values such as temperature, pressure and flow are reached for exergy and energy calculations. Energy calculations are done using common mass and energy balances. For exergy analysis, a reference environment is selected and exergy calculations are done according to this reference. In addition, exergy balance is used to calculate the exergy consumption. Appropriate equations are also used for the exergy efficiency of the system. Finally, these calculated values are interpreted. Inefficiencies in the system are determined and actions are taken to improve system performance depending on the need. There are many equipment in refineries that can be thermodynamically examined. These equipment can be heat exchangers, chillers, air coolers, furnaces, distillation columns, pumps and compressors. Simulation is an important tool for modeling refineries, and various software products were developed for this. One of them is ASPEN HYSYS, which is widely used. Thanks to the interactive platform provided by HYSYS, users set up and run their models effectively and quickly. In addition, ASPEN HYSYS provides comprehensive thermodynamic infrastructure to accurately calculate phase behavior, physical and transport properties for refining, oil or gas industries. HYSYS offers users many basic unit operations such as separators, reactors, rotary equipment, heat transfer and logical operations. It also provides a good environment for performing exergy and energy analysis calculations and performing various case studies in different operational conditions. In this study, energy and exergy analysis of the vacuum distillation unit in TUPRAS Refinery was performed. The main purpose of the study is to discover the inefficiencies of all unit operations in the vacuum distillation unit with exergy analysis studies. In addition, these objectives include interpreting energy losses in operations with energy inefficiencies and identifying fields that may have potential for improvement. Another aim of the study is to see the effect of operational parameters on column exergy efficiency depending on the process control limits. Finally, the exergy efficiency prediction of vacuum distillation column was studied using machine-learning models. For this, parameters affecting the column were used as model inputs. The purpose of developing prediction models is to see and evaluate the results on the online platform without the need for the continuous ASPEN HYSYS working environment and intensive exergy calculations in the background. At the same time, it can be determined whether this operation is efficient or not for any operational condition by using the predictive models on the column. In beginning, the study starts with a detailed literature search to understand the exergy concept and to reach the equations to be used in exergy calculations. Then, a vacuum distillation unit was simulated in ASPEN HYSYS in order to carry out energy and exergy studies. For the simulation, a base date which has all data was selected. Actual plant data were used for simulation. These data are laboratory values and operational values such as temperature, pressure and flow. In addition, the equipment technical reports were used in the simulation. Overall unit operations such as heat exchanger, heater, cooler, air cooler, pump, furnace and column was simulated in HYSYS. The comparison of the actual values with the HYSYS model results was made for each operational value. The model was updated continuously until actual values and model results converge. After the last accurate model simulation was obtained, exergy and energy analysis calculations were started. In exergy calculations, exergy transfer equations were taken into consideration. For mass or flow exergy calculations, calculations were done using the enthalpy, entropy, exergy values of the simulation streams and the equations in the literature. Also, the exergy efficiency calculations in the literature were done for each equipment. Equipment with low exergy efficiency was identified. Evaluations about where the performance degradation of these equipment may come from were done. In addition, the exergy and energy efficiency values of the equipment were compared. Moreover, the effect of the parameters on the column exergy efficiency was evaluated using the case study function of ASPEN HYSYS according to the process control limits. The most important parameters affecting the column exergy efficiency were determined. Synthetic data was produced in ASPEN HYSYS by using the parameters that affect the column most. Prediction models were developed using this data set with machine learning methods. For this, BANN, which is one of the artificial neural network models, and Random Forest models, one of the ensemble learning methods, were developed in the R program. The“Ipred”and“randomForest”packages of the R program were used for BANN and the Random Forest model, respectively. The data for both models are divided into training, testing, and invisible validation data sets. The accuracy and success of the model was interpreted by looking at the fit between the last real values and the model predicted values.
Benzer Tezler
- Kağıt makinası bilgisayarla kontrolu
Computer aided control of paper machine
BÜLENT VURGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. KEMAL SARIOĞLU
- Trona mineralinden ticari ölçek soda üretim proseslerinin bilgisayar destekli tasarım ve maliyetlendirilmesi
Computer aided desing and cost estimation model of commercial soda ash production processes from trona mineral
NİLÜFER DURMAZ
- Üniversal motorun sonlu elemanlar yöntemi ile magnetik alan incelemesi
Magnetic field analysis of an universal motor buy finite elements method
MEHMET CÜNEYT ÖNCÜOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Eklemeli imalat destekli dereceli hassas döküm yöntemi ile bal peteği yapıların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of honeycomb structures by additive manufacturing-aided investment flask mould casting method
FATİH GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
DR. LEVENT TURHAN
- Hyperloop altyapı kapsülü geliştirilmesi
Hyperloop infrastructure capsule development
YEKTA YEŞİLYURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN