حساب استهلاك الطاقة في عمليات التخلص من المواد الكيميائية

فهم استهلاك الطاقة في عمليات التخلص من المواد الكيميائية

ويمثل استهلاك الطاقة أحد أهم المعايير التشغيلية في عمليات التفكيك الكيميائي، مما يؤثر تأثيرا مباشرا على الاستدامة الاقتصادية والاستدامة البيئية، وفي المصافي الحديثة والنباتات الكيميائية، تمثل أعمدة التحلل نحو 40 إلى 5 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة النباتية، مما يجعل حسابات الطاقة الدقيقة ضرورية لتحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات، وتخفيض التكاليف، والميزة التنافسية في الصناعة البتروكيميائية العالمية.

وقدرة المهندسين على حساب احتياجات الطاقة والتنبؤ بها على وجه الدقة، تمكنهم من تصميم نظم فصل أكثر كفاءة، وتحديد فرص التكامل الحر، وتنفيذ استراتيجيات تقلل من النفقات التشغيلية مع الحفاظ على مواصفات جودة المنتجات، ومع استمرار تقلب تكاليف الطاقة، وتزايد صرامة الأنظمة البيئية، أصبح استخلاص أساسيات حسابات استهلاك الطاقة أمرا لا غنى عنه للمهندسين الكيميائيين، ومصممي العمليات، ومشغلي المنشآت العاملة في القطاع البتروكيميائي.

ويستكشف هذا الدليل الشامل الأسس النظرية والمنهجيات العملية والتقنيات المتقدمة لحساب استهلاك الطاقة في عمليات التحلل الكيميائي، ويوفر أفكارا عملية للفنيين الذين يسعون إلى تحقيق أقصى قدر من عملياتهم والحد من آثار الطاقة.

أساسيات الاضطرابات البتروكيميائية

ويستخدم التحلل كتقنية انفصال أجهزة العمل في صناعة النفط الكيميائي، مما يؤدي إلى زيادة الفوارق في التطايرات المكوّنة لتحقيق تنقية خلائط الهيدروكربون المعقدة، وتمارس العملية على أساس مبدأ أنه عندما يسخن خليط سائل، تتفاوت المكونات التي تكون فيها نقاط الغليان الأدنى درجة، مما يتيح الفصل عن طريق دورات التبريد والتثبيت الخاضعة للرقابة.

آلية عملية التصفية

وفي عمود نمطي للتفكيك الكيميائي، تدخل المواد الغذائية في موقع وسيط وتتدفق إلى أسفل من خلال سلسلة من مراحل التوازن، التي قد تكون صينات مادية أو عبوات منظمة، وفي نفس الوقت، ترتفع البخارية إلى أعلى من هذه المراحل، مما يخلق اتصالا وثيقا بين مراحل السائل والبخار، ويمكِّن نمط التدفق العكسي هذا من الانتقال الجماعي بين المراحل، مع تقلب المكونات من السائلة إلى مراحل.

ويزود جهاز إعادة الترميز في العمود السفلي الطاقة الحرارية اللازمة لتوليد البخار، الذي يمثل وسيلة للتجريد من العناصر الخفيفة من السائل، وفي العمود العلوي، يزيل المكثف الحرارة من البخار العام، وينتج التدفق السائل الذي يعود إلى العمود لتوفير أعمال الغسيل اللازمة للتنقية، وهذا التبادل المستمر للمواد والطاقة بين المراحل يدفع عملية الفصل ويقرر الطاقة.

أنواع كولومات التحلل في التطبيقات البتروكيمية

وتستخدم المرافق البتروكيميائية مختلف تشكيلات الأعمدة المفصَّلة حسب متطلبات الفصل، وخصائص التغذية، ومواصفات المنتجات، وتعمل أعمدة التفكيك في الغلاف الجوي على ضغوط قريبة من الظروف الجوية، وتعالج مشكلة النفط الخام في مجرى المنتجات الرئيسية، بما في ذلك النفاثا والكيروسين والديزل والخلفية في الغلاف الجوي، وتُدرج هذه الأعمدة في العادة مواصف كبيرة ومنتجات متعددة.

وتعمل أعمدة التحلل الغامض في ضغطات تحت الغلاف الجوي لفصل أجزاء الهيدروكربون الثقيلة دون تدهور حراري، وتخفض هذه الأعمدة من ضغط التشغيل نقاط الغلاية من المكونات الثقيلة، مما يتيح الفصل عند درجات الحرارة دون نقاط التحلل الحراري، ويؤثر انخفاض عمليات الضغط تأثيرا كبيرا على أنماط استهلاك الطاقة، ويحتاج إلى معدات متخصصة تشمل نظم إنتاج الفراغات وخطوط الرؤوس الكبيرة الحجم لاستيعاب خطوط الفول.

وتعالج الأعمدة المتخصصة مثل التفكيك الاستخراجي، والاختلال الزاوي، ووحدات التفكيك التفاعلي، تحديات محددة في الفصل في التجهيز الكيميائي للوقود، وتظهر كل تشكيلة خصائص فريدة لاستهلاك الطاقة يجب تقييمها بعناية أثناء التصميم والتشغيل.

متطلبات مدخلات الطاقة

وتتم عملية إعادة الترسخ في مدخل الطاقة الأولية إلى نظم التطهير، حيث تحول الحرارة منتجات القاع السائلة إلى بخار، وتمثل هذه الطاقة الصنعية أكبر مستهلك للطاقة في معظم عمليات التسريح، حيث تُمثل عادة 60-80% من إجمالي احتياجات الطاقة في العمود، ويتوقف واجب إعادة الترميز على معدل الغليان، الذي يحدده الفارق بين المصاعب، ونسبة التدفق، ونسبة التغذية الحرارية.

وتشمل مدخلات الطاقة الإضافية التسخين المسبق للتغذية، الذي يوصل مسار التغذية إلى حالته الحرارية المثلى قبل دخول العمود، ويمكن أن يؤثر تكييف التغذية السليم تأثيرا كبيرا على كفاءة الطاقة في العمود العام عن طريق خفض عبء العمل أو تحسين أداء الفصل، كما تتطلب بعض العمليات تدفئة وسيطة أو تبريد في مختلف مواقع الأعمدة للحفاظ على أفضل درجات الحرارة بالنسبة للانفصال الصعب.

وتشمل مستهلكي الطاقة المساعدة مضخات للتدفقات وتداول المنتجات، ونظم فراغ للعمليات دون الجوية، ونظم مراقبة للحفاظ على استقرار العمليات، وفي حين تمثل هذه الحمولات الإضافية عادة جزءا أصغر من مجموع استهلاك الطاقة مقارنة بالواجبات الحرارية، فإنها تسهم في الاحتياجات العامة من الطاقة النباتية وتكاليف التشغيل.

Thermodynamic Principles Governing Energy Calculations

وتتطلب الحسابات الدقيقة لاستهلاك الطاقة لعمليات التفكيك فهماً راسخاً للمبادئ الدينامية الحرارية التي تحكم التوازن التدريجي، والنقل الحراري، وأرصدة الطاقة، وتوفر هذه المفاهيم الأساسية الإطار النظري لتحديد احتياجات الطاقة كمياً وتحديد الفرص المثلى.

القدرة على الاستنساخ والهواء

ويمثل الإستنساخ المحتوى الحرفي الإجمالي لتدفق ما، وهو بمثابة الملكية الأساسية لحسابات ميزان الطاقة، وبالنسبة للمخاليط البتروكيميائية، يعتمد الطبع على درجة الحرارة والضغط والتكوين والحالة في المرحلة، ويحدّد تغيير التنظيف بين ولايتين الحرارة التي يجب إضافتها أو إزالتها لتحقيق ظروف العمليات المنشودة.

وتُعرِّف القدرة على التسخين كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة المادة بدرجة واحدة، ففيما يتعلق بالهيدروكربونات السائلة، تتراوح القدرة الحرارية المحددة عادة بين 1.8 و2.5 كيلوجول/(كغ) كهرموز، وتتفاوت مع الوزن الجزيئي والهيكل ودرجة الحرارة، وتزداد حرارة درجة الحرارة عموماً من 1.0 إلى 2.0 كيلوجول/(كغ) بالنسبة للمكونات الكيمائية المشتركة.

درجة الحرارة العالية من الاختلاس

وتمثل الحرارة الكامنة في التبخير الطاقة اللازمة لتحويل السائل إلى البوابرات عند درجة الحرارة والضغط المستمرين، وتشكل متطلبات الطاقة السائدة في عمليات التطهير، وبالنسبة للمخاليط الهيدروكربونية، تتراوح قيم الحرارة الكامنة عادة بين 200 و500 كيلوجول/كغم، تبعاً للوزن الجزيئي والهيكل الكيميائي، وتظهر الهيدروكربونات الخفيفة عموماً حرارة أعلى من كل كتلة الوحدة مقارنة بمكونات أثقل.

ويتناقص الحرارة الآخذة في الارتفاع مع ارتفاع درجة الحرارة والنهوج الصفرية عند نقطة حرجة، ويجب النظر في هذا التبعية في درجة الحرارة عند حساب احتياجات الطاقة لعمليات التفكك العالية الضغط، وبالنسبة للمخاليط المتعددة العناصر، تمثل الحرارة الواجيزة الفعالة متوسطا مرجحا حسب التركيبة لقيم كل عنصر على حدة، مما يتطلب تحليلا مفصلا للتكوين من أجل إجراء حسابات دقيقة.

علاقات التوازن في المرحلة

وتحدد علاقات التوازن في المرحلة توزيع المكونات بين مرحلتي السائل والبخار في كل مرحلة من مراحل عمود التجزئة، وهذه العلاقات، التي تُعبر عنها عادة من خلال بيانات التوازن أو معادلة الدولة، تؤثر مباشرة على عدد المراحل النظرية المطلوبة لفصل معين، وبالتالي تؤثر على استهلاك الطاقة.

بالنسبة للمزيج المثالي، قانون راؤولت يقدم وصفا مبسطا للتوازن في المرحلة، ينص على أن الضغط الجزئي لكل عنصر في مرحلة البخار يساوي ناتج جزيء السائل وضغط البخار النقي، غير أن معظم المخلوط البتروكيميائية تظهر سلوكا غير إيدي يتطلب نماذج حرارية أكثر تطورا مثل أساليب معامل النشاط أو المعادلات الكهرومغناطيسية للدولة مثل PengeRobin

فالتقلُّب النسبي، الذي يُعرَّف على أنه نسبة ثابتات التوازن بين البواب والسائل بالنسبة لمكونين، يُخفَّف الفصل بين العناصر، ويُشير ارتفاع التطاير النسبي إلى أنَّ الفصل بين المصانع أسهل يتطلب مراحل أقل وربما يكون استهلاكا أقل من الطاقة، وعلى العكس من ذلك، فإنَّ الخلائط القريبة من المركب ذات التطاير النسبي القريب تتطلب مزيدا من المراحل وارتفاع معدلات الارتداد، مما يزيد من احتياجات الطاقة.

Detailed Energy Consumption Calculation Methodologies

ويتطلب حساب استهلاك الطاقة في التفكك الكيميائي البيروكيميائي تطبيقا منهجيا لمبادئ التوازن في الكتلة والطاقة، إلى جانب تقييمات الممتلكات الحرارية، وتوجد نُهج حساب متعددة، تتراوح بين طرق مبسطة قصيرة إلى محاكاة صارمة لكل مرحلة على حدة، ويعرض كل منها مستويات مختلفة من الدقة والتعقيد الحسابي.

النهج العام لتوازن الطاقة

ويوفر الرصيد الإجمالي للطاقة في عمود من الأعمدة التصفية الإطار الأساسي لحساب إجمالي الاحتياجات من الطاقة، وهذا التوازن يشير إلى أن مجموع جميع مدخلات الطاقة يساوي مجموع جميع نواتج الطاقة بالإضافة إلى أي تراكم داخل المنظومة، وبالنسبة للعمليات الثابتة في الدول دون تراكم، فإن الطاقة التي تدخل في مجرى التغذية بالإضافة إلى الحرارة المضافة في أجهزة إعادة الترجيح تساوي الطاقة التي تترك مع مجرى المنتجات بالإضافة إلى الحرارة التي تُزال في أجهزة التفجير وأي خسائر حرارية في البيئة.

e matheation, this relationship can be expressed as: Q_reboiler + H

وبالنسبة للحسابات الأولية، كثيرا ما يفترض أن الخسائر الحرارية تبلغ ١,٥ في المائة من واجب إعادة الترسيم، حسب حجم العمود، ونوعية العزل، والظروف المحيطة، وقد تتطلب تقييمات أكثر تفصيلا حسابات نقل الحرارة من خلال جدران الأعمدة ونظم الرصيف لتحديد الخسائر الحرارية بدقة.

حساب الواجبات

The reboiler duty represents the heat that must be supplied to generate the vapor boilup required for the separation. This duty can be calculated using the relationship: Q_reboiler = V_]B ×

ويتوقف معدل الغليان على نسبة التدفق ومتطلبات الفصل، وبالنسبة لفصل معين، يحدث الحد الأدنى من الغليان في ظروف التدفق الإجمالية، في حين تتطلب العمليات العملية معدلات الغليان من 1.2 إلى 2 أضعاف الحد الأدنى للقيمة، وتُعطى العلاقة بين معدل الغليان ونسبة التدفق + معدل التدفق الموزع من خلال: V_([FLT:])

ويتطلب التحديد الدقيق لمتوسط الحرارة المتوفية معرفة تركيبة قاعات المياه ودرجة الحرارة، وبالنسبة للمخاليط المتعددة العناصر، يمكن حساب الحرارة الكامنة كمتوسط مرجّح للخصائص من قيم المكونات النقية، أو استخدام مجموعات الممتلكات الحرارية على نحو أدق، التي تشكل خليطا من غير الأيديولوجيات.

حساب الواجبات

(د) [الرأس] يمثل الحرارة التي يجب إزالتها من البخار العام لإنتاج التدفق السائل والمنتج السائل. ([FLT]) [الثانية] [الثانية] [الثانية] [الثانية الخامسة] [الثانية]

The overhead vapor rate equals the sum of the distillate product rate and the reflux rate: V_T] = D + L_]R = D × (R + 1), where L[FLxLT:4]R ratio highlights the reflux relationship rate.

وبالنسبة للمستهلكين الجزئيين، الذين ينتجون منتجات سائلة وبوتا، يصبح الحساب أكثر تعقيدا، مما يتطلب تحديد الجزء البخاري وحساب التغير الحراري المعقول الذي يبرد من العمود أعلى درجة حرارة إلى درجة حرارة التشغيل في المركب، ويستخدم المكثفات الجزئية عادة في التطبيقات التي يكون فيها منتج مبتذل متوافرا أو حيث تؤدي تكاليف التبريد إلى حدوث تقلص اقتصادي.

الاحتياجات من المواد قبل التسخين

Thermal condition of the feed stream significantly impacts column energy consumption and can be optimized to minimize total energy requirements. Feed preheating duty is calculated on the desired feed condition and the available feed temperature: Q_preheat] = F([F₎

ويتوقف الوضع الحراري الأمثل للتغذية على عوامل الفصل والعوامل الاقتصادية المحددة، إذ يؤدي غذاء سائل بارد (ف > 1) إلى تخفيض واجب التكثيف، ولكنه يزيد من واجب إعادة الترسيم، ويمثل غذاء سائل مشبع (ف = 1) شرطا أساسيا مشتركا، ويمكن أن يؤدي بثا مزدهرا جزئيا (0 < 1) إلى خفض رسوم إعادة التكرير = زيادة في الخدمة.

[11] Quality parameter q is defined as the moles of liquid flow in the rectifying section per mole of feed and can be calculated from: q = (T:0]p,vapor × (T_]bble

طرق حساب قصيرة

وتوفر أساليب الإقصاء تقديرات سريعة لاستهلاك الطاقة دون الحاجة إلى إجراء حسابات مفصلة حسب كل مرحلة على حدة، وتمثل طريقة فانسكي - أوندروود - جيليلاند النهج الأقصر استخداماً واسعاً في حسابات التصفية الثنائية والمتعددة العناصر، وتحدد هذه الطريقة العدد الأدنى للمراحل عند التدفق الكلي باستخدام معادلة الفول السوداني، وتحسب نسبة التدفق الأدنى المحددة باستخدام المراحل المحددة

وبمجرد تحديد نسبة التدفق، يمكن تقدير واجب إعادة الترسيم باستخدام أرصدة مبسطة للطاقة، وبالنسبة للنظم الثنائية التي تتسم بالتقلب النسبي المستمر والافتراضات المستمرة للتدفق الزائد عن العجلات، يمكن تقدير الحد الأدنى لواجب إعادة التدوير، ويحسب الواجب الفعلي بتطبيق عامل يستند إلى نسبة التدفق الفعلي إلى الحد الأدنى للتدفقات.

وفي حين توفر أساليب تقصير التقديرات الأولية القيمة، فإنها تعتمد على تبسيط الافتراضات، بما في ذلك التقلب النسبي المستمر، والتدفق المفرط للطرق الافتراضية، والسلوك المثالي للمزائج، وقد تُحدث هذه الافتراضات أخطاء كبيرة بالنسبة للنظم غير الأيديية العالية، أو المزيجات الواسعة النطاق، أو العمليات التي تتعرض لضغوط شديدة، ومع ذلك، فإن أساليب الاختصار تظل قيِّمة بالنسبة للتصميم الأولي، ودراسات الجدوى، والتقييم السريع لتغيرات في ظروف التشغيل.

نهج محاكاة صارمة

:: طرق المحاكاة الصارمة تحل المجموعة الكاملة من التوازن الجماعي، وتوازن الطاقة، والمعادلات المعادلة لكل مرحلة من مراحل عمود التفكيك، وتوفر أدق التنبؤات باستهلاك الطاقة، وتستخدم هذه الأساليب خوارزميات حل متكررة مثل طريقة نقاط الفقاعة، وطريقة سعر الصرف، أو طريقة التصحيح المتزامنة لتقريب المعادلات غير الخطية.

(ب) تنفيذ برامجيات محاكاة محدثة للعمليات تشمل برامجيات " أسبن زائد " ، و " هيس إس " ، و " بروت " ، و " تشيم كاد " ، و " تشميغاد " ، و " كيميائي " ، و " تشيمكاديس " ، نماذج صارمة للتفكك، مع مجموعات من الممتلكات الحرارية، مما يتيح التنبؤات دقيقة لاستهات استهلاك الطاقة من المواد الكيميائية المعقدة.

وتتطلب المحاكاة السريعة تحديد ظروف التغذية، ومواصفات المنتجات، وتشكيل الأعمدة، والنماذج الدينامية الحرارية، وتحسب المحاكاة درجة الحرارة، والضغط، والتكوين، ومعدلات التدفق في جميع أنحاء العمود، إلى جانب مهام إعادة الترسيم والمعادن، ويمكن إجراء تحليلات للحساسية لتقييم أثر متغيرات التشغيل على استهلاك الطاقة، ودعم جهود تحقيق الاستخدام الأمثل.

وتتوقف دقة المحاكاة الصارمة اعتماداً بالغاً على نوعية بيانات الممتلكات الحرارية وملاءمة النموذج الحراري المختار للنظام قيد النظر، وبالنسبة لنظم الهيدروكربون، فإن المعادلات الكيدية للدولة توفر عموماً الدقة الجيدة، في حين أن النظم التي تحتوي على مكونات أحادية أو تظهر جوانب غير أيديولوجية قوية قد تتطلب نماذج متجانسة للأنشطة أو نُهجاً أكثر تقدماً.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على استهلاك الطاقة

ويتأثر استهلاك الطاقة في عمليات التفكيك الكيميائي بالعوامل المترابطة العديدة التي تشمل خصائص التغذية، وتصميم المعدات، وظروف التشغيل، واستراتيجيات تكامل العمليات، ويمكِّن فهم هذه العوامل المهندسين من تحديد فرص الاستخدام الأمثل وتنفيذ تدابير توفير الطاقة.

تكوين التغذية والاختبارات

ويؤثر تكوين التغذية تأثيراً عميقاً على احتياجات الطاقة المتحللة من خلال آثارها على التقلب النسبي، ونطاقات نقاط الغلاة، والخصائص الدينامية الحرارية، وتحتاج التركيبات التي تحتوي على مكونات ذات نقاط غلي مماثلة أو بطاقات نسبية منخفضة إلى ارتفاع معدلات التدفق وإلى مراحل نظرية أكثر لتحقيق نقاءات محددة للمنتجات، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة.

ويزيد وجود النهايات الخفيفة في التغذية من معدلات البخار العام ورسوم المكثفات، في حين تزيد المكونات الثقيلة معدلات تدفق قاعات القاع وقد تتطلب درجات حرارة أعلى من الارتفاع، وتطرح الأعلاف التي تتسع نطاقات درجات الحرارة الكبيرة تحديات للحفاظ على ملامح الحرارة المثلى وقد تستفيد من تشكيلات متعددة الكواكب أو من تصميمات عمودية ذات جدران مقسمة.

ويمكن أن تؤثر الملوثات والأوراق الغذائية تأثيرا كبيرا على استهلاك الطاقة من خلال تغيير علاقات التوازن في المرحلة، مما يؤدي إلى الإكراه على نحو يقلل من كفاءة النقل الحراري، أو يتطلب خطوات إضافية للتنقية، ويساعد تحديد خصائص التغذية المنتظمة ومراقبة الجودة على الحفاظ على الأداء المتسق للطاقة، وتحديد الفرص المتاحة لتغذية ما قبل المعالجة لتحسين كفاءة التحلل.

Column Internals and Design Configuration

ويؤثر اختيار وتصميم الأعمدة الداخلية تأثيرا عميقا على كفاءة الطاقة من خلال تأثيرها على كفاءة النقل الجماعي، وانخفاض الضغط، والأداء الهيدروليكي، وتزيد الأعمدة التي تستخدم صينات اللص، وخطايا الصمامات، أو صينات الكبشب، من الكفاءة الجيدة والقدرة على التحول، ولكنها تولد معدلات ضغط أعلى مقارنة بالأعمدة المغلفة، ويزيد انخفاض الضغط عبر السواطير من متطلبات درجات الحرارة في عمليات الفراغ ويمكن أن تؤثر على نوعية المنتجات.

وتعطي الأعمدة المكبوتة التي تستخدم التعبئة العشوائية أو التعبئة المنظمة انخفاضا في الضغط وارتفاعا في الكفاءة لكل ارتفاع في الوحدة مقارنة بالصينية، مما قد يقلل من تكاليف رأس المال والطاقة، ويحقق التعبئة الحديثة ذات الأداء العالي الكثافة الكثيفة الكفاءة بنسبة 95-9.8 في المائة من المراحل النظرية لكل متر من مستويات الطول المكبوت، بينما يحافظ على انخفاض الضغط دون 2-3 مليار لكل مرحلة نظرية.

ويجب أن يكون عدد المراحل النظرية وتوزيعها بين الأقسام الترفيهية والتعرية على النحو الأمثل للتقليل من استهلاك الطاقة إلى أدنى حد مع استيفاء مواصفات المنتجات، إذ يتطلب عدم كفاية المراحل ارتفاع معدلات التدفق للتعويض، وزيادة كل من إعادة التقلب والرسوم الكثيفة، وفي المقابل، تزيد المراحل المفرطة من تكاليف رأس المال وانخفاض الضغط دون فوائد الطاقة النسبية، وتخفض مواقع التغذية المثلى إلى أدنى حد من مزيج التدفقات مع اختلاف التكوينات ودرجات الحرارة.

اختيار الضغط التشغيلي

ويمثل ضغط التشغيل متغيراً حرجاً في التصميم يؤثر على استهلاك الطاقة من خلال آليات متعددة، إذ تزيد ضغوط التشغيل المرتفعة درجات الحرارة في نقاط الغليان، مما يمكن من استخدام وسائل تدفئة أقل تكلفة مثل البخار بدلاً من زيت ساخن أو حراريات مطرود، غير أن ارتفاع الضغوط يقلل من التقلب النسبي لمعظم نظم الهيدروكربون، مما يتطلب مزيداً من المراحل أو ارتفاع معدلات الارتداد لتحقيق نفس الفصل، مما يزيد من استهلاك الطاقة.

ويؤدي انخفاض الضغط على التشغيل إلى خفض درجات حرارة نقاط الغليان، مما قد يكون مفيداً للمواد الحساسة للحرارة وقد يؤدي إلى تحسين التقلب النسبي، غير أن عمليات الضغط المنخفضة تزيد أحجام البخار، مما يتطلب أعمدة قطرية أكبر وغطاءات عامة، وتتطلب عملية الجوز معدات لإنتاج الفراغ تستهلك طاقة إضافية وتحتاج إلى تصميم دقيق للتقليل من تسرب الهواء والحفاظ على التشغيل المستقر.

ويوازن الضغط التشغيلي الأمثل بين هذه العوامل المتنافسة ويتوقف على الفصل المحدد، والمرافق المتاحة، والاعتبارات الاقتصادية، وبالنسبة للعديد من التطبيقات البتروكيميائية، يتم اختيار الضغوط التشغيلية لتمكين التكثيف باستخدام الماء المبرد أو التبريد الجوي، وتفادي الحاجة إلى نظم التبريد التي تزيد كثيرا من استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل.

نسبة الاستخدام الأمثل

وتمثل نسبة التدفق، التي تعرف بأنها نسبة السائل المعاد إلى العمود إلى التخلص من المنتج المسحوب، أحد أهم متغيرات التشغيل التي تؤثر على استهلاك الطاقة، وتحسن معدلات التدفق المرتفعة الأداء الفصلي ونقاء المنتجات، ولكنها تزيد من الرسوم على كل من إعادة الترسيم والتكثيف، والعلاقة بين نسبة التدفق واستهلاك الطاقة على نحو يقترب من مستوى التدفق الأدنى، مما يجعل نسبة التدفق إلى الحد الأدنى من الطاقة أعلى.

وتمثل نسبة التدفق الدنيا الحد الأدنى النظري الذي لا يمكن تحقيقه دونه بصرف النظر عن عدد المراحل، إذ يتطلب التشغيل عند الحد الأدنى من التدفق عددا لا نهائي من المراحل، مما يجعلها غير عملية، وتحدد ممارسة التصميم التقليدية نسب التدفق الفعلي ب ١,١ إلى ١,٥ مرة الحد الأدنى للقيمة، ويحقق التوازن بين تكاليف الطاقة وتكاليف رأس المال بالنسبة للمراحل الإضافية.

وينظر الاستخدام الأمثل لنسبة التدفق الاقتصادي في المفاضلة بين تكاليف الطاقة وتكاليف رأس المال، مما يؤدي عادة إلى إعادة تدفُّق نسب تتراوح بين 1.2 و1.3 مرة كحد أدنى من التصميمات الشعبية، وبالنسبة للأعمدة الحالية، حيث يتم تحديد عدد المراحل، حيث يعمل على الحد الأدنى من نسبة التدفق التي تستوفي مواصفات المنتجات تقلل من استهلاك الطاقة، ويمكن لاستراتيجيات الرقابة المتقدمة أن تكيف ديناميا نسبة التدفق في الاستجابة لتغيرات التكوين الغذائي ومتطلبات جودة المنتجات، مع الحفاظ على أفضل الظروف.

تكامل المياه واستعادة الطاقة

إندماج الحرارة يمثل أحد أكثر الاستراتيجيات فعالية لخفض استهلاك الطاقة الصافي في عمليات التفكيك، باستعادة الحرارة من مسارات العمليات الساخنة إلى مجاري التبريد المسبق، يمكن تخفيض الاحتياجات العامة من المنافع بشكل كبير، وتشمل فرص التكامل الحراري المشتركة استخدام منتجات القاع الساخنة لتغذية ما قبل التسخين، واستعادة الحرارة من تكديس البخار العلوي لتغذية العجلات، وإدماج الأعمدة المتعددة في استخدام الرافعات المتوسطة من عمود آخر.

ويوفر تحليل القراصنة منهجية لتحديد فرص التكامل الأمثل للحرارة وتصميم شبكات تبادل الحرارة التي تقلل من استهلاك المنافع الخارجية، ويضع هذا الأسلوب منحنى مركبا يمثل متطلبات التدفئة والتبريد في جميع مسارات العمليات ويحدد نقطة الحضيض حيث يبلغ الفرق في درجات الحرارة بين المجرى الساخن والبارد الحد الأدنى من القيمة المسموح بها، ويقلل تكامل الحرارة فوق الصمام من الاحتياجات العالية من المنافع، بينما يقل التكامل تحت الصمامات الباردة عن الحد الأدنى.

ويمثل ضغط الدم أسلوبا متقدما للتكامل الحرائي حيث يُضغط على البخار فوق الرأس لزيادة درجة حرارته وضغطه، مما يتيح له أن يعمل كوسيلة للتدفئة للمركب، ويمكن لهذه التشكيلة أن تقلل استهلاك الطاقة الخارجية بنسبة 60-8 في المائة مقارنة بالعمليات التقليدية، ولكنها تتطلب استثمارات كبيرة في رأس المال في الحامضات ومبادلات الحرارة المعدلة.

تُرتب المُتَبَعَة المتعددة المُتَخَلِّفات في سلسلة من هذه البقايا التي تُقدِّمُ البخارَ من عمود واحد تسخينَ لجهازِ إعادة الترَكُّب في العمودِ التالي، وهذا التكوين يُضاعف الاستخدام الفعال لمدخلات الطاقة، مع كل وحدة من وحدات الطاقة الأولية التي تدعم التفكك في أعمدة متعددة، وتُستخدم ترتيبات متعددة التأثيرات في عمليات التحلية والتركيز، ولكن يمكن أيضاً تطبيقها على مستويات الفصل بين درجات الحرارة والوزّر.

Column Pressure drop

ويؤثر انخفاض الضغط من خلال العمود الداخلي على استهلاك الطاقة بزيادة درجة الحرارة والضغط اللازمين، وتتطلب كل وحدة من وحدات انخفاض الضغط زيادة مقابلة في الضغط على المركب من أجل الحفاظ على الضغط العام المرغوب فيه، الذي يترجم إلى ارتفاع درجة الحرارة في التربة ومتوسط التدفئة الأعلى، وبالنسبة لأعمدة الفراغ، فإن انخفاض الضغط بالغ الأهمية لأنه يؤثر تأثيرا مباشرا على درجة الحرارة في قاع البحار القابلة للتحقيق وعلى فصل المواد الحساسة من الحرارة الحرارية.

وتتراوح معدلات انخفاض الضغط من 5 إلى 10 ملبريات لكل مرحلة نظرية بالنسبة لصينات حديثة عالية الكفاءة إلى 1-3 ملبار لكل مرحلة نظرية بالنسبة للتعبئة المنظمة، وبالنسبة لعمود يبلغ 40 مرحلة نظرية، يمكن أن يصل الفرق بين انخفاض ضغط الصين والتعبئة إلى 200-280 ميلا، مما قد يتطلب درجة حرارة أعلى من الحرارة تتراوح بين 10 و15 درجة مئوية، مما يؤدي إلى زيادة في استهلاك الطاقة من خلال خفض القوى المحركة لنقل الحرارة، واحتمالات التعرض لمخاطر التحلل المتوسط.

تقليل الضغط من خلال الاختيار الداخلي المناسب، وسرعة البخار المناسبة، والصيانة المنتظمة لمنع الإغراق والأضرار تساعد على الحفاظ على كفاءة الطاقة في جميع مراحل تشغيل العمود، ويمكن لرصد اتجاهات انخفاض الضغط أن يحدد المشاكل الناشئة مثل الإغراق، أو الفيضانات، أو الضرر الميكانيكي الذي ينتقص من الأداء ويزيد من استهلاك الطاقة.

تقنيات حساب الطاقة المتقدمة

وبالإضافة إلى الحسابات الأساسية لتوازن الطاقة، توفر التقنيات المتقدمة نظرة أعمق إلى أنماط استهلاك الطاقة، والكفاءة الحرارية، وفرص الاستخدام الأمثل، وهذه الأساليب تمكن المهندسين من تحديد مصادر عدم الكفاءة وقياسها كميا ووضع استراتيجيات لتحسينها.

تحليل الطاقة

ويُستَخَذ تحليل الطاقة، المعروف أيضاً باسم تحليل توافر الطاقة، ويقيِّم نوعية الطاقة ويحدد المجالات التي تُدمَّر فيها إمكانات العمل المفيدة في عملية التفكك، وخلافاً للطاقة التي تُحفظ وفقاً للقانون الأول لعلم الدينامية الحرارية، فإن مصادرة الطاقة تستهلك بسبب عدم رجعيات مثل نقل الحرارة عبر الاختلافات في درجات الحرارة المحدودة، وخلط المجرىات مع تركيبات المختلفة، وانخفاض الضغط من خلال المعدات.

ويصنف الرصيد الطاقي في عمود منعزل المدخلات من مصادر الطاقة المتجددة من مجاري التغذية ومرافق التدفئة، والنواتج المتطايرة في مجاري المنتجات ومرافق التبريد، والتدمير الطاقي الناجم عن عدم الرجعة، وتراوحت الكفاءة في الطاقة، التي تعرف بأنها نسبة الناتج النافع من الطاقة الخارجية إلى مدخلات الطاقة الخارجية، بين 5 و 20 في المائة لأعمدة التفكك التقليدية، مما يدل على فرص كبيرة للتحسين.

ومن المصادر الرئيسية لتدمير الطاقة في التفكك نقل الحرارة في المركب والمتفجرات، حيث تدمر الاختلافات الكبيرة في درجات الحرارة بين مجاري المرافق وسوائل العمليات إمكانات عمل كبيرة، كما أن تحقيق التدفق مع البخار على كل مرحلة وانخفاض الضغط من خلال الأعمدة الداخلية يسهم أيضا في تدمير الطاقة، ويحدد التحليلات الخارجية أوجه عدم المرونة التي لها أكبر تأثير على الكفاءة العامة، ويوجه الجهود الرامية إلى تحقيق أفضل قدر من الفعالية.

مقاييس الكفاءة الحرارية

وتوفر عدة مقاييس للكفاءة الحرارية تدابير كمية من أداء الطاقة المتحللة، وتقارن الكفاءة الحرارية الحد الأدنى من الطاقة النظرية المطلوبة للفصل بين الطاقة المستهلكة الفعلية، وتمثل الطاقة الدنيا العمل القابل للتراجع، المحسوب من التغير الحر للطاقة في جيبز بين التغذية والمنتجات في ظروف محددة.

وبالنسبة لمعظم حالات التفكك الكيميائي، يتجاوز استهلاك الطاقة الفعلي الحد الأدنى النظري من خلال عوامل تتراوح بين 10 و 50، مما يعكس أوجه عدم الرجعية المتأصلة في عمليات التفكك التقليدية، وفي حين أن تحقيق عملية قابلة للعكس مستحيل عمليا، فإن هذا القياس يبرز الفجوة الكبيرة بين الأداء الحالي والحدود النظرية، مما يحفز على مواصلة الابتكار في تكنولوجيات الفصل.

ويقارن معامل الأداء في مجال التحلل، وهو مماثل لمعيار مؤتمر الأطراف المستخدم في مضخات الحرارة ونظم التبريد، الأثر النافع لفصل مدخلات الطاقة، وتشير قيم مؤتمر الأطراف الأعلى إلى استخدام الطاقة على نحو أكثر كفاءة، وتتحقق التشكيلات المتقدمة مثل إعادة ضبط البخار والتفكك المفصل الحرارة قيماً أعلى بكثير من قيم مؤتمر الأطراف مقارنة بالتصميمات التقليدية.

كسور مركبية كبيرة

وتمتد المنحنىات المركبة الكبيرة الكبيرة العمودية إلى مفاهيم تحليلية مثبتة لعمود التحلل، وتوفر التمثيل الجغرافي لمتطلبات التدفئة والتبريد على مستويات درجات حرارة مختلفة في جميع أنحاء العمود، وترسم هذه المنحنىات النقص التراكمي في النسخ أو الفائض مقابل درجة الحرارة، وتكشف عن فرص التكامل الحرفي الداخلي، وتكيف التغذية الأمثل، والتدفئة الجانبية أو التبريد.

ويحدد منحنى العمود المركبة الكبرى الحد الأدنى من رسوم إعادة الترسيم والتكثيف التي يمكن تحقيقها من خلال تحقيق التكامل الحر الأمثل مع احترام الحد الأدنى من القيود على درجة الحرارة، ويقارن بين الواجبات الفعلية لهذه القيم الدنيا ويصف وفورات الطاقة المحتملة من تحسين التكامل الحرفي، كما تكشف المنحنى عما إذا كان يمكن للتدفئة أو التبريد في مواقع معينة أن يقلل من استهلاك الطاقة عموما عن طريق تحسين درجة الحرارة المميتة.

وبالنسبة للأعمدة المعقدة التي تحتوي على عدة مواد غذائية ومنتجات جانبية، تصبح المنحنىات المركبة الكبيرة قيمة بوجه خاص لتحديد التكوينات الحرارية المثلى، ويمكنها توجيه القرارات المتعلقة بمستويات التغذية المسبقة، ومواقع الانسحاب الجانبي، وفرص الضخ الحراري أو التكاثر البخاري لتحسين كفاءة الطاقة عموما.

أمثلة على الحساب العملي

ويوضح تطبيق منهجيات حساب الطاقة على أمثلة عملية التقنيات ويقدم نظرة متعمقة إلى مستويات الاستهلاك النموذجية للطاقة بالنسبة لعمليات التسريح الكيميائي المشترك.

المثال 1: الفصل بين الهيدروكربونات المُلزَم

(أ) النظر في عمود تفكك يفصل خليط ثنائي من البنزين والتولوين، يحتوي على 50 في المائة من البنزين و50 في المائة من التولوين، ويدخلون في شكل سائل مشبعة بـ 000 1 كيلومتر/شهر، والنقاء المرغوب فيه هو 95 في المائة من البنزين، ونسبة النقاء في قاعات القاع تبلغ 95 في المائة من البلويين، ويعمل العمود في ضغط الغلاف الجوي.

وباستخدام معادلة فانسكي التي تبلغ متوسط التقلبات النسبية ٢,٤، يحسب العدد الأدنى للمراحل النظرية على أنها نحو ٨ مراحل، وتسفر معادلة " أندروود " عن نسبة دنيا من التدفق تبلغ نحو ١,١٣.

يبدأ حساب رسوم إعادة التدوير بتحديد معدل تدفق الرش من الرصيد المادي: D = 500 كلم/شهر. ويبلغ معدل الغليان في البواب 360 كيلوجول/كغ تقريباً بالنسبة للتشكيل في قاع البحر (R + 1) = 500 x 2.72 = 1360 كلم/شهر.

ويقارب حجم العمل في مجال التكثيف، الذي يُحسب على نحو مماثل باستخدام خصائص التكوين العام، 10.8 ميغاواط. ويعكس الفرق بين واجبات إعادة الترسيم والتكثيف التغير الحراري المعقول في التغذية والمنتجات، وهذا المثال يدل على مستويات استهلاك الطاقة النموذجية في حالات الفصل الثنائية المتوسطة الصعوبة في الخدمات البتروكيميائية.

المثال 2: التحلل في الغلاف الجوي

ويمثل تفكك النفط الخام في الغلاف الجوي أحد أكبر مستهلكي الطاقة في مجال صقل النفط، إذ أن وحدة الخام النموذجية تجهز 000 100 برميل يوميا (حوالي 660 طنا/الر) من النفط الخام تتطلب مدخلات كبيرة في الطاقة لكسر الخام إلى النافاثا الخفيفة، والنفاثا الثقيلة، والكيروسين، والديزل، والبقايا الجوية.

ويُسخن هذا النوع من التغذية الخام إلى نحو 350-370 درجة مئوية باستخدام مزيج من استعادة الحرارة من مجاري المنتجات وخدمة التسخين المطلق، ويسترد قطار استعادة الحرارة عادة 60-7 في المائة من الواجب المطلوب قبل الحرارة، مع توفير الحرارة المتبقية بنسبة 30-40%، وبالنسبة لـ 000 100 وحدة من وحدات الـ BPD، قد يكون مجموع ما قبل الحرارة 180-200 ميغاواط، مع توفير الحرارة 60-70 ميغاواط.

ويستخدم العمود الجوي نفسه في عدة مفترقات جانبية لتحسين نوعية المنتجات واستردادها، ويضيف التجريد من القطع في القسم السفلي والمنطلقات الجانبية إلى استهلاك الطاقة، وقد يكون الاستهلاك الكلي للبخار للتعرية 15-25 طنا/شهرا، أي ما يعادل 10-15 ميغاواط من الطاقة، ويضيف العمود الرئيسي، إن كان موجودا، واجبا إضافيا، وإن كان العديد من وحدات التنظيف التقليدية يعتمد أساسا على ما قبل الغذاء.

وعموما، يتراوح استهلاك الطاقة المحددة للتحلل الخام في الغلاف الجوي عادة ما بين 000 25 و 000 35 كلي لكل طن من الخامات المعالجة، أو ما يقرب من 4.5-6.5 كيلوواط في كل برميل، وهذا الاستهلاك المتواضع نسبيا للطاقة يعكس التكامل الحرفي الواسع النطاق المستخدم في الوحدات الخام الحديثة، حيث تُعد تدفقات المنتجات الساخنة قبل تغذية الخام الواردة.

مثال 3: بروبيلين - بروبان - سبليت

ويمثل فصل بروبيلين - بروبان أحد أكثر المقاطعات كثافة في الطاقة في صناعة البتروكيماويات بسبب التقلب النسبي المنخفض جدا (نحو 1.1) بين هذه المكونات القريبة من الأرض، ويتطلب تحقيق نقاء البروبلين من الدرجة المتعددة (99.5 في المائة أو أعلى) أعمدة تبلغ مراحلها النظرية 150 إلى 200 مرحلة التشغيل بمعدلات التدفق 15-25.

وبالنسبة لتجهيز المقسم 100 طن/مهر من التغذية يحتوي على 70 في المائة من البروبلين و30 في المائة من البروبين، ينتجون نسبة 99.5 في المائة من مزيل البروبلين و98 في المائة من قاعات البروبين، فإن استهلاك الطاقة كبير، إذ يعمل في 17 ضغطاً في البار للتبريد من الماء، مع نسبة التدفق تبلغ 18، وواجب إعادة التدوير تبلغ نحو 65-75 ميغاواط.

ويصل استهلاك الطاقة المحددة إلى ما يقرب من 650-750 كيلوواط في كل طن من التغذية، أو 2.3-2.7 جيغاجول لكل طن، مما يجعل هذا الفصل واحدا من أكثر المواد كثافة في الطاقة في التجهيز البتروكيميائي، وقد دفع ارتفاع استهلاك الطاقة إلى تطوير تكنولوجيات بديلة، بما في ذلك إعادة استهلاك البخار، مما يمكن أن يقلل استهلاك الطاقة بنسبة 60 إلى 70 في المائة، والتحلل المزود بمقياسات، الذي يوفر إمكانات لتحقيق المزيد من وفورات الطاقة.

استراتيجيات تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة

ويتطلب تخفيض استهلاك الطاقة في التحلل الكيميائي للوقود تطبيقا منهجيا لاستراتيجيات الاستخدام الأمثل التي تشمل التصميم والتشغيل وتكامل العمليات، ويمكن لهذه الاستراتيجيات أن تحقق وفورات في الطاقة بنسبة 10-4 في المائة تبعا لتشكيل خط الأساس ومدى التعديلات المنفذة.

الاستخدام الأمثل للمواصفات

وتمثل معايير التشغيل المثلى النهج الأكثر سهولة في خفض الطاقة، مما يتطلب الحد الأدنى من الاستثمار الرأسمالي مع إمكانية تحقيق وفورات كبيرة، وتشمل المعايير الرئيسية لتحقيق الاستخدام الأمثل نسبة التدفق، والضغط التشغيلي، والأوضاع الحرارية، وأهداف تحديد المنتجات.

وينطوي ارتفاع نسبة التدفق إلى أقصى حد على تشغيل الحد الأدنى من التدفق الذي يفي بمواصفات جودة المنتجات مع الحفاظ على استقرار التشغيل، ويعمل العديد من الأعمدة بمعدلات التدفق الأعلى من اللازم بسبب هوامش التصميم المحافظة، أو تغيير تركيبات التغذية، أو عدم تحقيق الاستخدام الأمثل، ويتيح تطبيق مراقبة متقدمة للعمليات مع تحليلات التكوين على الإنترنت إجراء تسوية دينامية لنسبة التدفق، مع الحفاظ على جودة المنتجات، مع تقليل استهلاك الطاقة إلى أدنى حد ممكن في مختلف الظروف.

ويوازن الضغط التشغيلي الأمثل بين الآثار المتنافسة للضغط على التقلبات النسبية، والاحتياجات من المرافق، والمعوقات المتعلقة بالمعدات، أما بالنسبة للأعمدة التي تتطلب التكثيف فيمكن من التبريد، فإن زيادة الضغط التشغيلي لتمكين التبريد في المياه أو التبريد الجوي يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة من الاستهلاك الإجمالي للطاقة رغم الزيادات المحتملة في صعوبة الفصل، وعلى العكس من ذلك، فإن الحد من الضغط قد يؤدي إلى تحسين التقلب النسبي وتخفيض استهلاك الطاقة إذا توافرت القدرة الكافية على التكثبيت.

ويبحث تحديد المواصفات الإنتاجية على النحو الأمثل ما إذا كانت المواصفات أشد من اللازم بالنسبة لاحتياجات المجرى المائي، فالزيادة في طاقات النفايات دون إضافة قيمة، ويمكن أن تتيح المواصفات الاسترخاءية حتى بالمبالغ الصغيرة تخفيضا كبيرا في نسبة التدفق ووفورات الطاقة، وهذا يتطلب تنسيقا دقيقا مع العمليات الفرعية والعملاء لضمان أن تظل المواصفات المخففة كافية للتطبيقات المقصودة.

المؤتمرات المتطورة

ويمكن لتشكيلات الأعمدة المتقدمة أن تحقق نفس الفصل بين الأعمدة التقليدية بينما تستهلك طاقة أقل بكثير، وتدمج الأعمدة المقاصة الجدران عمودين تقليديين في قذيفة واحدة مع تقسيم عمودي، مما يتيح فصل الخلائط البديلة مع إزالة التجديد الذي يحدث عندما تقسم المكونات الوسيطة بين منتجين ثم تعاد صياغتها، وتتحقق وفورات في الطاقة تبلغ 20 إلى 40 في المائة مقارنة بالتسلسل التقليدي للألغام.

وتتحقق تشكيلات التفكك المقترنة حرفيا، بما في ذلك أعمدة بيتليك وترتيبات الفرز الجانبي/المستحلات الجانبية، وفورات مماثلة في الطاقة من خلال الوصلات الناقصة والسائلة بين الأقسام التي تزيل أوجه عدم الكفاءة في إعادة التوازن، وهذه التشكيلات جذابة بشكل خاص لفصل الخلائط البديلة والكمية التي تتطلب فيها التسلسلات التقليدية أعمدة متعددة.

وتدمج أعمدة التفكيك المدمجة في العمود الفقري الأجزاء التصحيحية والتعرية حرارياً عن طريق تشغيلها في ضغوط مختلفة، ويوفر القسم الذي يرتقي بدرجة أعلى درجة من الضغط التدفئة لقسم التعري المنخفض الضغط عن طريق التبادل الحرفي الداخلي، ويمكن أن يقلل هذا التشكيل استهلاك الطاقة بنسبة 40-60% مقارنة بالأعمدة التقليدية، ولكنه يتطلب معدات داخلية معقدة للتبادل الحراري، وتصميماً دقيقاً لضمان التشغيل المستقر.

تكنولوجيات تكثيف العمليات

وتجمع تكنولوجيات تكثيف العمليات بين مهام متعددة أو تعزز النقل الجماعي والحراري لتحقيق فصل أكثر كفاءة، ويدمج التصفية التفاعلية تفاعل المواد الكيميائية مع فصل التصفية في وحدة واحدة، ويلغي الحاجة إلى معدات منفصلة للمفاعلات والفصل، مع إمكانية تحسين التحويل والانتقائية، وتنشأ وفورات الطاقة عن انخفاض عدد المعدات، وإزالة التدفئة والتبريد الوسيطين، والانقلابات الدينامية الحرارية بين الرد والفصل.

ويجمع التفكك بمساعدة الدمج بين المقاييس الانتقائية والتفكك التقليدي للحد من استهلاك الطاقة في حالات الانفصال الصعبة، ويؤدي هذا الدمج جزءا من واجب الفصل، ويقلل من الحمولة على عمود التحلل، ويمكّن من التشغيل بمعدلات التدفق الأقل، ويمكن للتشكيلات الهجينة تحقيق وفورات في الطاقة تبلغ 20-50% في التطبيقات المناسبة، ولا سيما بالنسبة لنظم الفصل القريبة والتركيب.

وتكثف الأسرّة المزدحمة المتناوبة ومعدات التفكك الجاذبية العالية النقل الجماعي من خلال قوات الطرد المركزي، مما يحقق كفاءة عالية في الفصل بين المعدات المدمجة، وفي حين توفر هذه التكنولوجيات في المقام الأول مزايا في مجالي التكلفة الرأسمالية والارتفاع، فإنها يمكن أن تقلل أيضا من استهلاك الطاقة من خلال تحسين الكفاءة والحد من الاحتياج إلى تدفئة أقل.

Heat Pump Integration

ويسترد تكامل مضخات الحرارة من درجة منخفضة من المكثف ويرفع مستوى الحرارة إلى مستويات حرارة مفيدة للمركب، مما يقلل بدرجة كبيرة من استهلاك المرافق الخارجية، ويضغط ضغط البخار الميكانيكي على بخار الرؤوس لزيادة درجة حرارته وضغطه، مما يتيح له أن يعمل كوسيلة للتدفئة من جديد، ويعادل في العادة العمل المضغوط 10-20 في المائة من رسوم الادخار التقليدية،

وتعد وزارة الدفاع الوطني أكثر جذباً اقتصادياً لأعمدة القدرة الكبيرة التي تنطوي على اختلافات في درجات الحرارة بين أجهزة التكديس وإعادة التكرير، مثل أجهزة تقسيم البروبلين -بروبان، وفصل ثنائي إيثيلبينزين - سترين، وتطبيقات تحلية، وتتطلب التكنولوجيا استثماراً كبيراً في رأس المال في أجهزة الضغط، ومبادلات الحرارة الأكبر لاستيعاب قوى دفع درجة الحرارة الأصغر، ونظم رقابة أكثر تطوراً.

وتوفر مضخات الحرارة الاستيعابية ومحوّلات الحرارة نُهجاً بديلة لتحسين الحرارة باستخدام الطاقة الحرارية بدلاً من العمل الميكانيكي، ويمكن أن تكون هذه التكنولوجيات جذابة عندما تكون حرارة النفايات المنخفضة التكلفة متاحة لدفع دورة مضخات الحرارة، وإن كانت تحقق عادة معامل أداء أقل مقارنة بتكرار البخار الميكانيكي.

الرصد وتتبع الأداء

وتتطلب الإدارة الفعالة للطاقة رصدا مستمرا لاستهلاك الطاقة وتتبعا منهجيا للأداء مقارنة بالمعايير والأهداف، ويتيح إنشاء نظم رصد قوية الكشف المبكر عن تدهور الأداء، وتحديد كمية فرص التحسين، والتحقق من وفورات الطاقة من مشاريع الاستخدام الأمثل.

مؤشرات الأداء الرئيسية

ويوفّر استهلاك الطاقة المحدد، الذي يُعبر عنه على أنه الطاقة لكل وحدة من وحدات التغذية المجهزة أو المنتج المنتج، القياس الأساسي لتتبع أداء الطاقة المتباينة، ويطبيع هذا القياس استهلاك الطاقة من أجل تغيير النواتج، مما يتيح إجراء مقارنات مجدية بين مختلف فترات التشغيل وبين الوحدات المماثلة، وتشمل الوحدات النموذجية كيلو واط لكل طن من التغذية، وGJ لكل طن من المنتجات، أو BTU لكل برميل من تطبيقات النفط.

وتُعد نسبة كفاءة الطاقة، ومقارنة استهلاك الطاقة الفعلي بالمقاييس النظرية الدنيا أو أفضل الممارسات، الثغرة بين الأداء الحالي والأهداف القابلة للتحقيق، وهذا القياس يساعد على إعطاء الأولوية لجهود التحسين من خلال تحديد الوحدات التي لديها أكبر ثغرات في الكفاءة وأكبر قدر من الوفورات.

وتوفر القياسات على مستوى المكون، بما في ذلك واجب إعادة الترسخ لكل وحدة من وحدات الغليان، وواجب المكثف لكل وحدة من وحدات البخار العام، واستهلاك البخار المحدد لعمليات التعري، مزيدا من الرؤى الجمادية في الأداء، ويساعد تتبع هذه القياسات التفصيلية على تشخيص الأسباب الجذرية لعدم كفاءة الطاقة، واستخدام معدات محددة أو معايير تشغيلية للتحسين.

ألف - الصكوك وجمع البيانات

ويتطلب رصد استهلاك الطاقة الدقيق وضع أدوات مناسبة لقياس معدلات التدفق، ودرجات الحرارة، والضغوط، وتكوين جميع المجارير ذات الصلة، وتوليد المترات المتدفقة على مجاري المرافق، بما في ذلك البخار، والزيت الساخن، ومياه التبريد، وإتاحة القياس المباشر لمدخلات الطاقة ونواتجها، كما أن قياسات الحرارة في أجهزة التبريد وأجهزة التفجير تدعم حساب رسوم الحرارة من الزهر والبيانات.

وتوفر محللات التكوين على الإنترنت، بما في ذلك كروماتوغرافيا الغاز والمطيافات شبه الحمراء، بيانات عن جودة المنتجات في الوقت الحقيقي تتيح تحقيق المعايير التشغيلية على النحو الأمثل مع ضمان استيفاء المواصفات، كما تدعم بيانات التكوين حسابات التوازن المادي التي تحقق قياسات التدفق وتحدد أخطاء القياس أو الاضطرابات في العمليات.

:: جمع وتخزين وتحليل البيانات التشغيلية، وتوفير منابر لرصد الطاقة وتحقيق الاستخدام الأمثل لنظم التحكم الموزعة الحديثة ونظم إدارة المعلومات النباتية، مما يتيح إدراج بيانات العمليات مع نظم إدارة الطاقة، إمكانية إجراء حساب آلي لمقاييس الأداء، واتجاه أنماط استهلاك الطاقة، وتحديد الظروف الشاذة التي تتطلب إجراء تحقيق.

بيان تفصيل الأداء

ويتناقص أداء الطاقة المعطلة بمرور الوقت بسبب الإضرار بالزغاء، والأضرار الميكانيكية التي تلحق بالداخليات، وينطلق نظام المراقبة، وتغير خصائص التغذية.

ويؤدي الارتداد في أجهزة إعادة التدوير والتكثيف إلى خفض معامل نقل الحرارة، مما يتطلب ارتفاع معدلات تدفق السلع أو اختلاف درجات الحرارة للحفاظ على نفس الواجب الحرفي، كما أن رصد معامل النقل الحراري عموما ومقارنة هذه العوامل بالقيم النظيفة يحدد متى يلزم التنظيف لاستعادة الأداء، كما أن زيادة الضغط على المبادلات الحرارية تدل أيضا على حدوث تآكل في التنمية.

ويؤدي الضرر الذي يلحق بالطوابق الداخلية من التآكل أو التآكل أو الفشل الميكانيكي إلى الحد من كفاءة الفصل، مما يتطلب ارتفاع معدلات التدفق للحفاظ على جودة المنتجات، ويمكن أن تكشف مراقبة العلاقة بين نسبة التدفق ونقاء المنتجات بمرور الوقت عن تدهور الكفاءة، وقد يشير ارتفاع انخفاض الضغط عبر العمود إلى حدوث أضرار في الصيانات أو التعبئة أو تراكم الحطام.

ويمكن أن يؤدي تدهور أداء نظام المراقبة، بما في ذلك الانجراف المسبب، والربط الصمامي، ومسائل تربوية التحكم، إلى حدوث تبدل مفرط في بارامترات التشغيل واستهلاك الطاقة، وتساعد تقنيات مراقبة العمليات الإحصائية المطبقة على بيانات استهلاك الطاقة على تحديد التباين الشاذ الذي يتطلب إجراء تحقيق وتصحيح.

الاعتبارات الاقتصادية في مجال الاستخدام الأمثل للطاقة

ويجب أن تنظر قرارات تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة في العوامل الاقتصادية، بما في ذلك تكاليف الطاقة، واحتياجات الاستثمار الرأسمالي، ومخاطر تنفيذ المشاريع، وتكاليف الفرص، ويكفل التحليل الاقتصادي الدقيق أن تركز جهود تحقيق أقصى قدر على المشاريع التي تحقق أعلى العائدات، وأن تتسق مع الأهداف العامة للأعمال التجارية.

هياكل تكاليف الطاقة

وتشمل تكاليف الطاقة في المرافق البتروكيميائية تكاليف السلع الأساسية للوقود والكهرباء والتكاليف الثابتة للبنية التحتية للطاقة، وتتفاوت تكاليف السلع الأساسية مع ظروف السوق، مع تعرض الغاز الطبيعي وزيت الوقود وأسعار الكهرباء لتقلبات كبيرة، ويفيد فهم هيكل التكاليف والتنبؤات بالأسعار لمصادر الطاقة المختلفة في اتخاذ القرارات المتعلقة بالتشغيل الأمثل واختيار التكنولوجيا.

وتؤثر التكاليف النسبية لمرافق التدفئة والتبريد على ظروف التشغيل المثلى واستراتيجيات التكامل الحراري، وفي المناطق التي تكون فيها الكهرباء باهظة التكلفة بالنسبة للوقود، تصبح إعادة اكتساد البخار الميكانيكي أقل جاذبية مقارنة بالتدفئة التقليدية، وفي المقابل، حيث تكون الطاقة الكهربائية المنخفضة التكلفة أو حرارة النفايات متاحة، توفر تكنولوجيات المضخات الحرارية اقتصاديات قاهرة.

وتؤثر أنظمة تسعير الكربون والانبعاثات بشكل متزايد على اقتصاديات الطاقة بإضافة تكاليف لانبعاثات غازات الدفيئة، وهذه التكاليف تُفضي إلى تحسين كفاءة الطاقة ومصادر الطاقة المنخفضة الكربون، مما قد يغير الترتيب الاقتصادي لبدائل الاستخدام الأمثل، وينبغي أن تُدرج المرافق الخاضعة للحد الأقصى للانبعاثات أو ضرائب الكربون هذه التكاليف في تقييمات الاستخدام الأمثل للطاقة.

تحليل الاستثمارات الرأسمالية

وتتطلب مشاريع تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة استثمارا رأسماليا في إدخال تعديلات على المعدات، وتنفيذ التكنولوجيا الجديدة، وتحسينات في مجال الأجهزة.

وتوفر فترة السداد البسيطة، التي تُحسب على أنها استثمار رأس المال مقسم إلى وفورات سنوية في الطاقة، قياساً سريعاً للفحص من أجل مقارنة البدائل، وعادة ما تحظى المشاريع التي تُعادل عن العمل في فترة تقل عن سنتين إلى ثلاث سنوات بنظر إيجابي، في حين تتطلب مشاريع استرداد أطول تبريراً أكثر تفصيلاً بالنظر إلى الفوائد الاستراتيجية، أو الحد من المخاطر، أو عوامل الامتثال التنظيمية.

ويُعزى تحليل القيمة الحالية الصافية إلى القيمة الزمنية للنقود وعمر المشروع، مما يوفر تقييما اقتصاديا أكثر شمولا، ويخصم هذا التحليل وفورات الطاقة في المستقبل من القيمة الحالية باستخدام سعر خصم مناسب يعكس تكلفة الشركة لرأس المال ومخاطر المشروع، وتنشئ المشاريع ذات المنحنى الوطني الإيجابي قيمة حاملي الأسهم، ويستحق التنفيذ رهنا بتوافر رأس المال والأولويات المتنافسة.

تقييم المخاطر وتحليل عدم اليقين

وتواجه مشاريع تحسين الطاقة أوجه عدم التيقن، بما في ذلك تقلب أسعار الطاقة، ومخاطر الأداء التكنولوجي، والتحديات في التنفيذ، والمتطلبات التنظيمية المتغيرة.() ويحسن تقييم المخاطر وتحليل عدم التيقن المنهجيان نوعية القرارات من خلال تحديد النتائج المحتملة وتحديد استراتيجيات التخفيف من المخاطر.

ويقيّم تحليل الحساسية كيف تتغير اقتصادات المشاريع مع تفاوتات في البارامترات الرئيسية مثل أسعار الطاقة، وتكاليف رأس المال، وتحقيق وفورات في الطاقة، ويحدد هذا التحليل أوجه عدم التيقن التي لها أكبر تأثير على عائدات المشاريع، وحيث تكون المعلومات الإضافية أو التخفيف من المخاطر أكثر قيمة.

ويبحث تحليل السيناريو أداء المشاريع في ظل ظروف مختلفة في المستقبل، مثل السيناريوهات العالية والمنخفضة لأسعار الطاقة، والأطر التنظيمية البديلة، أو معدلات الاستخدام المختلفة للنباتات، ويوفر تقييم المشاريع عبر سيناريوهات متعددة رؤية قوية ويساعد على تحديد المشاريع التي تحقق قيمة عبر مجموعة من المستقبلات الممكنة.

الجوانب البيئية والمتعلقة باستدامة

ويؤثر استهلاك الطاقة في التفكك الكيميائي تأثيرا مباشرا على الأداء البيئي من خلال انبعاثات غازات الدفيئة، واستنفاد الموارد، ونوعية الهواء المحلية، ويحقق خفض استهلاك الطاقة فوائد بيئية إلى جانب المدخرات الاقتصادية، ويدعم أهداف استدامة الشركات والامتثال التنظيمي.

انبعاثات غازات الدفيئة

ويولد استهلاك الطاقة في التحلل انبعاثات غازات الدفيئة عن طريق احتراق الوقود الأحفوري لتدفئة وتوليد الكهرباء للمضخات والضغط والمعدات الإضافية، وتتوقف كثافة الكربون في استهلاك الطاقة على مزيج الوقود وتكوين شبكات الكهرباء، وتختلف اختلافا كبيرا حسب المنطقة والمرافق.

ويتطلب حساب البصمة الكربونية لعمليات التطهير استهلاكاً متعدداً للطاقة من خلال عوامل انبعاث مناسبة لكل مصدر للطاقة، وعادة ما يولد الاحتراق الغازي الطبيعي مسارات تتراوح بين 50 و60 كيلوغراماً من ثاني أكسيد الكربون لكل جي جي جي، في حين أن الكهرباء التي تطلق الفحم قد تنتج ما بين 200 و300 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون لكل ميغاواط.

ويؤدي تحسين كفاءة الطاقة إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة بصورة مباشرة بنسبة مكافئة لوفورات الطاقة، إذ يُعزى انخفاض استهلاك الطاقة المتحلل بنسبة 20 في المائة تقريبا إلى انخفاض الانبعاثات المرتبطة بالمشروع، مما يسهم في تحقيق أهداف المناخ المؤسسي والامتثال التنظيمي، حيث تضم شركات كثيرة الآن أهدافا لخفض الكربون في معايير تقييم المشاريع، مما يوفر حوافز إضافية لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة تتجاوز الوفورات المباشرة في التكاليف.

استهلاك المياه والتلوث الحراري

وتستهلك أجهزة الاستنشاق كميات كبيرة من مياه التبريد، مع استخدام المياه بشكل مباشر يتناسب مع واجب التكديس، وقد يتطلب جهاز استنشاق نموذجي 3050 كيلوغراما من الماء المبرد لكل كيلوغرام من البخار المزود بالبخار، مع ارتفاع درجة الحرارة 10 درجات مئوية، وبالنسبة لوحدات التسميد الكبيرة، يمكن أن يصل استهلاك المياه الصالحة للبرد إلى آلاف الأمتار المكعبة في الساعة، مما يمثل أثرا بيئيا كبيرا في المياه.

ويؤدي تخفيض رسوم المكثفات من خلال إعادة التدفّق إلى الحد الأمثل، أو تكامل الحرارة، أو التكنولوجيات البديلة إلى خفض استهلاك المياه المبردة بشكل مباشر، والتحول من التبريد مرة إلى أبراج التبريد المغلق أو التبريد الجوي يزيل تصريف المياه بينما يقلل التلوث الحراري إلى تلقي أجساد المياه، وقد تزيد هذه التغييرات من استهلاك الكهرباء لأغراض الضخ والمراوح ولكنها يمكن أن تحقق فوائد بيئية صافية في المواقع التي تعاني من نقص المياه.

الاقتصاد العلماني والكفاءة في استخدام الموارد

وتتوافق كفاءة الطاقة في التخلص مع مبادئ الاقتصاد الدائري عن طريق زيادة استخراج القيمة من المواد الوسيطة إلى أقصى حد مع تقليل استهلاك الموارد وتوليد النفايات إلى أدنى حد، وتتيح عمليات الفصل الفعالة استعادة وإعادة تدوير المكونات القيمة التي قد تضيع لولا ذلك في مسارات النفايات أو التطبيقات ذات القيمة المنخفضة.

إن تكامل الحرارة واستعادة الطاقة يجسدان التفكير الاقتصادي الدائري بمعالجة حرارة النفايات باعتبارها موردا قيما بدلا من مشكلة التخلص منها، ويمكن أن يؤدي التطبيق المنهجي لمبادئ التكامل الحر إلى استعادة 50-70% من الحرارة التي سترفض لولا ذلك لتبريد المياه أو الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تحسين كبير في كفاءة الموارد عموما.

ويوفر تقييم دورة الحياة إطارا شاملا لتقييم الآثار البيئية لعمليات التصفية والبدائل المثلى، وهذه المنهجية تمثل آثارا على كامل سلسلة القيمة، بدءا من استخراج المواد الخام عن طريق التصنيع والتشغيل والتخلص من المواد في نهاية العمر، مما يتيح إجراء مقارنة شاملة للبدائل وتحديد فرص التحسين خارج الاستهلاك المباشر للطاقة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

ولا يزال مجال الاستخدام الأمثل للطاقة يتطور مع التكنولوجيات الناشئة والمواد المتقدمة ومفاهيم العمليات الجديدة التي تبشر بمزيد من التحسينات في كفاءة الطاقة والأداء البيئي، ويمكِّن استمرار المعرفة بهذه التطورات من الاعتماد المبكر للتكنولوجيات المتطورة ويحافظ على الميزة التنافسية.

التطبيب الرقمي والتحليل المتقدم

وتتحول التكنولوجيات الرقمية، بما في ذلك الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلي والمحللات المتقدمة في العمليات، إلى إدارة الطاقة المعطلة، ويمكن أن تحدد خوارزميات التعلم الآلات الأنماط المعقدة في البيانات التشغيلية، وأن تتنبأ بأوضاع التشغيل المثلى، وأن تكتشف تدهور الأداء قبل الأساليب التقليدية.

فالتوائم الرقمية، التي هي نماذج افتراضية عالية الشكل لأعمدة التحلل المادي، تتيح تحقيق الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي، واختبار السيناريوهات، وتدريب المشغلين دون المخاطرة بعمليات النبات الفعلية، وهذه النماذج تستكمل باستمرار استنادا إلى بيانات النبات، وتحافظ على الدقة مع تغير الظروف، وتوفر التنبؤات الموثوقة لاتخاذ القرارات المثلى.

وتستخدم نظم مراقبة العمليات المتقدمة والتحسين في الوقت الحقيقي نماذج صارمة ومقاييس أفقية لتكييف معايير التشغيل باستمرار، والحفاظ على الكفاءة المثلى للطاقة، مع الوفاء بمواصفات المنتجات والقيود التشغيلية، ويمكن لهذه النظم أن تحقق وفورات في الطاقة تبلغ 5-15 في المائة مقارنة بالضوابط التقليدية، مع تحسين اتساق جودة المنتجات والحد من عبء العمل على المشغلين.

تكنولوجيا فصل العوامل

وتتيح تكنولوجيات الفصل الناشئة بدائل محتملة للتفكك التقليدي في تطبيقات محددة، مما قد يحقق وفورات كبيرة في الطاقة، وما زالت عمليات فصل الخماسي تتقدم بمواد جديدة تعرض انتقائية محسنة وقابلية للتشهير ومقاومة كيميائية، وتجمع عمليات إزالة الغشاء الهجينة بين قوتي التكنولوجيا، مع معالجة الكمبيات التي تفصل بين السوائب وتحللها بشكل نهائي.

ويستغل الاستيعاب والفصل بين الكروماتوغرافي الامتصاص الانتقائي للمواد الصلبة لتحقيق الانفصال دون تغيير المرحلة، مما قد يقلل استهلاك الطاقة من أجل التطبيقات المناسبة، وتسمح تكنولوجيا السرير المتحركة المتزامنة باستمرار الفصل الاستيعابي مع ارتفاع الإنتاجية والكفاءة، وإيجاد التطبيقات في حالات الفصل الكيميائي بما في ذلك التعافي من الاختناق وفصل البوليفين.

وتتيح السوائل المسونية والمذيبات العميقة الرحمية إمكانيات جديدة للتفكك الاستخراجي واستخراج السائل، مما يمكن من تحقيق فصل أكثر كفاءة للمخاليط القريبة والزراعية، ويمكن تصميم مذيبات المصممين هذه على نحو يلائم حالات الفصل المحددة، مما يوفر مزايا تشمل ضغطاً لا يُعتد به، واستقراراً حرارياً، وانتقائية غير قابلة للاختراق.

Renewable Energy Integration

إن إدماج مصادر الطاقة المتجددة بما في ذلك الطاقة الحرارية الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية، والكهرباء المتجددة يوفر مسارات لتطهير عمليات التفكيك، ويمكن أن يوفر جامعو الحرارة الشمسية درجة حرارة منخفضة إلى متوسطة لأجهزة إعادة التفكيك، ولا سيما جذابة في المناطق التي ترتفع فيها عزلة الشمس، وللتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة متوسطة.

فالكهرباء المتجددة تتيح التشغيل المنخفض الكربون لنظم إعادة الضغط الميكانيكية وضخ الطاقة الحرارية، وتحقق فوائد كفاءة الطاقة لهذه التكنولوجيات مع التقليل إلى أدنى حد من انبعاثات غازات الدفيئة، ومع استمرار انخفاض تكاليف الكهرباء المتجددة، تصبح تكنولوجيات الفصل التي تحركها الكهرباء أكثر قدرة على المنافسة مع التدفئة القائمة على الوقود الأحفوري.

فالهيدروجين الأخضر الذي ينتج من الكهرباء المتجددة يوفر إمكانية استخدامه كوقود نظيف لتدفئة العمليات، رغم أن التكاليف الحالية لا تزال مرتفعة مقارنة بالغاز الطبيعي، ونظراً إلى انخفاض تكاليف إنتاج الهيدروجين وزيادة أسعار الكربون، فقد يصبح الهيدروجين جذاباً اقتصادياً بالنسبة لتطبيقات التدفئة العالية الحرارة في المرافق البتروكيميائية.

أفضل الممارسات ودراسات الحالات

فالتعلُّم من أفضل الممارسات الصناعية ودراسات الحالات الإفرادية الناجحة يوفران رؤية عملية للاستراتيجيات الفعالة لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة ويساعدان على تجنب المجازفات المشتركة، وقد حققت الشركات الرائدة في مجال البتروكيميائيات تخفيضات كبيرة في الطاقة من خلال التطبيق المنهجي لمبادئ الاستخدام الأمثل ونشر التكنولوجيا الابتكارية.

Systematic Energy Management Programs

ويتطلب تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة برامج إدارة منهجية تحدد أهدافا واضحة، وتكلف بمسؤوليات، وتوفر الموارد، وتتابع التقدم المحرز، وتوفر معايير نظام إدارة الطاقة التابع للمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس 50001 إطارا لوضع وتنفيذ برامج شاملة لإدارة الطاقة تتماشى مع أفضل الممارسات الدولية.

وتضع الشركات الرائدة خطوط الأساس لأداء الطاقة، وتحدد أهدافا للتحسين، وتنفذ عمليات مراجعة منتظمة لحسابات الطاقة لتحديد الفرص، وتكفل أفرقة الطاقة الشاملة لعدة وظائف، بما في ذلك العمليات، والهندسة، وموظفو الصيانة إدماج اعتبارات الطاقة في عمليات صنع القرار اليومية وتخطيط المشاريع الرأسمالية.

:: استمرار ثقافات التحسين التي تشجع اقتراحات الموظفين وتعترف بالإنجازات التي تحققها وفورات الطاقة، وتتقاسم أفضل الممارسات في جميع المرافق، مما يضاعف أثر المبادرات الفردية، وتفيد شركات كثيرة بأن برامج إشراك الموظفين تحقق وفورات في الطاقة مقارنة بالمشاريع الرأسمالية أو تتجاوزها، بتكلفة ضئيلة.

دراسات الحالات الإفرادية الناجحة

وقد أدى إجراء مصفاة أوروبية رئيسية إلى خفض استهلاك الطاقة من قطع الخام بنسبة 18 في المائة من خلال إدخال تحسينات شاملة على التكامل الحر، وتنفيذ متقدم لمراقبة العمليات، وتحسينات داخلية في العمود، وتطلَّب المشروع 12 مليون دولار من الاستثمار في رأس المال، وحقق وفورات سنوية في الطاقة قدرها 8 ملايين دولار، وتحقق انتكاسات في 18 شهراً، بينما خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 000 35 طن في السنة.

وقد نفذ مجمع بيدروكيميائي آسيوي إعادة تكرير ميكانيكية على مقسم البروبلين -بروبان، مما قلل استهلاك الطاقة من 750 كيلوواط لكل طن إلى 180 كيلوواط لكل طن، ووفر الطاقة بنسبة 76 في المائة، وتطلّب المشروع استثمارات رأسمالية كبيرة، ولكنه حقق عائدات جذابة بسبب ارتفاع تكاليف الطاقة والقدرة الإنتاجية الكبيرة، بينما قلّص بدرجة كبيرة من آثار الكربون في المرفق.

وقد أدى وجود مصنع كيميائي في أمريكا الشمالية إلى تحقيق نسب تدفقية إلى أعلى مستوى عبر أعمدة متعددة للتفكيك باستخدام أجهزة متقدمة لمراقبة العمليات وتحليلات للتكوين على الإنترنت، وتحقيق وفورات في الطاقة تبلغ 8-12 في المائة مع الحد الأدنى من الاستثمارات الرأسمالية، وأثبت المشروع أن وفورات كبيرة يمكن تحقيقها من خلال التحسينات التشغيلية دون إدخال تعديلات على المعدات الرئيسية، ولا سيما في المرافق التي تعمل باستراتيجيات مراقبة محافظة.

الإطار التنظيمي والمعايير التنظيمية

ويخضع استهلاك الطاقة في التفكيك الكيميائي بصورة متزايدة للشروط التنظيمية ومعايير الصناعة الرامية إلى تحسين كفاءة الطاقة والحد من الآثار البيئية، ويضمن فهم الأنظمة والمعايير السارية الامتثال مع تحديد الفرص المتاحة للاستفادة من العوامل التنظيمية للاستثمارات في استخدام الطاقة على الوجه الأمثل.

أنظمة كفاءة الطاقة

وقد نفذت ولايات قضائية عديدة أنظمة تتعلق بكفاءة استخدام الطاقة في المرافق الصناعية، بما في ذلك عمليات المراجعة الإلزامية للطاقة، وأهداف تحسين الكفاءة، ومتطلبات الإبلاغ، ويقتضي توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن كفاءة الطاقة من المؤسسات الكبيرة إجراء عمليات مراجعة حسابات للطاقة كل أربع سنوات وتنفيذ تحسينات فعالة من حيث التكلفة، وتوجد لوائح مماثلة في مناطق أخرى، مما ينشئ التزامات امتثال تدفع أنشطة الاستخدام الأمثل للطاقة.

وتنفذ بعض المناطق برامج لقياس كثافة الطاقة تقارن أداء المرافق بمعايير الصناعة وتحتاج إلى خطط عمل للمرافق التي تعمل تحت المعايير المرجعية، وتخلق هذه البرامج ضغطاً تنافسياً لتحسين الطاقة وتوفر أطراً لتحديد الفرص المثلى وتحديد أولوياتها.

لوائح الانبعاثات وخصخصة الكربون

وتؤثر أنظمة انبعاثات غازات الدفيئة، بما في ذلك الضرائب على الكربون، ونظم الاتجار بالانبعاثات، ومعايير أداء الانبعاثات تأثيرا مباشرا على اقتصاديات استهلاك الطاقة من الباطن، ويضع نظام الاتحاد الأوروبي لتداول الانبعاثات، وبرنامج كاليفورنيا للكاب والتجارة، والآليات المماثلة في ولايات قضائية أخرى أسعارا صريحة على انبعاثات الكربون، مما يزيد من قيمة التحسينات في كفاءة الطاقة.

ويجب أن تؤدي المرافق الخاضعة لصفائح الانبعاثات إما إلى خفض الانبعاثات من خلال تحسين الكفاءة وتحويل الوقود أو شراء بدلات الانبعاثات بأسعار السوق، كما أن مشاريع الاستخدام الأمثل للطاقة التي تقلل الانبعاثات تولد قيمة سواء من خلال وفورات مباشرة في تكاليف الطاقة أو من خلال عمليات شراء بدلات تجنب أو من خلال القدرة على بيع بدلات الفائض.

وقد تؤثر اللوائح الناشئة التي تستهدف انبعاثات الميثان من عمليات النفط والغاز على عمليات التصفية من خلال متطلبات الكشف عن التسرب وإصلاحه، واسترداد البخار ورصد الانبعاثات، وقد يتطلب الامتثال لهذه الأنظمة استثمارات رأسمالية يمكن أن تقترن بتحسين كفاءة الطاقة لتحقيق أقصى قدر من القيمة الإجمالية.

المبادئ التوجيهية لمعايير الصناعة وأفضل الممارسات

وتقوم منظمات الصناعة، بما فيها المعهد الأمريكي للنفط، والمجلس الأوروبي لصناعة المواد الكيميائية، والوكالة الدولية للطاقة، بنشر مبادئ توجيهية ومعايير تقنية لأفضل الممارسات في مجال إدارة الطاقة في العمليات البتروكيميائية، وتوفر هذه الموارد معايير ومنهجيات حسابية ونُهجاً مثبتة لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة.

وتقدم منظمات مهنية مثل المعهد الأمريكي لمهندسي المواد الكيميائية ومؤسسة مهندسي المواد الكيميائية برامج تدريبية ومنشورات تقنية ومؤتمرات تركز على كفاءة الطاقة في مجال التخلص من الطاقة، وتتيح المشاركة في هذه المجتمعات المهنية إمكانية الوصول إلى آخر التطورات، والتواصل مع الأقران، والفرص لتبادل الخبرات والتعلم من النجاحات والتحديات التي حققها الآخرون.

اعتبارات التنفيذ العملي

ويتطلب التنفيذ الناجح لمشاريع تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة اهتماماً دقيقاً للاعتبارات العملية، بما في ذلك تخطيط المشاريع، وإشراك أصحاب المصلحة، وإدارة المخاطر، وإدارة التغيير، وحتى المشاريع السليمة تقنياً، يمكن أن تفشل في تحقيق الفوائد المتوقعة دون تخطيط وتنفيذ التنفيذ على النحو السليم.

تخطيط المشاريع وتنفيذها

ويضع التخطيط الشامل للمشاريع أهدافا واضحة، ويحدد النطاق، ويحدد الموارد، ويضع جداول زمنية واقعية لمبادرات تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة، وتتحقق الدراسات الهندسية المفصلة من الجدوى التقنية، وتصقل تقديرات التكاليف، وتحديد التحديات المحتملة في التنفيذ قبل الالتزام بالتنفيذ الكامل للمشاريع.

فالاختبارات التجريبية والتنفيذ التدريجي يقلل من المخاطر التي تتعرض لها التكنولوجيات الجديدة أو التغييرات الهامة في العمليات، وتتحقق التجارب الصغيرة من التنبؤات بالأداء، وتحدد القضايا غير المتوقعة، وتبني الثقة قبل النشر الكامل، وتنشر النهج التدريجية أيضا الاحتياجات الرأسمالية على مر الزمن، وتتيح التعلم من المراحل المبكرة لتحسين التنفيذ في وقت لاحق.

تكفل الإدارة الفعالة للمشاريع بقاء المشاريع على النحو الأمثل في مواعيدها المحددة، في حدود الميزانية، وتحقيق الأهداف التقنية، كما أن الرصد المنتظم للتقدم المحرز، وحل القضايا الاستباقية، والاتصال الواضح بين أعضاء أفرقة المشاريع وأصحاب المصلحة يحافظون على الزخم ويتصدون للتحديات قبل أن يزيلوا المشاريع.

إشراك أصحاب المصلحة وإدارة التغيير

وكثيرا ما تتطلب مشاريع تحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة إجراء تغييرات في إجراءات التشغيل، واستراتيجيات الرقابة، والمسؤوليات التنظيمية، ويكفل إشراك أصحاب المصلحة الفعال أن تفهم الأطراف المتأثرة الأساس المنطقي للتغييرات، وأن تسهم بخبرتها في تخطيط المشاريع، وأن تدعم التنفيذ الناجح.

ويجب إشراك موظفي العمليات الذين سيعملون في نظم معدلة في وقت مبكر من وضع المشاريع لتوفير معلومات عملية، وتحديد التحديات التشغيلية المحتملة، وتطوير ملكية التغييرات، وضمان أن يفهم المشغلون المعدات والإجراءات الجديدة، وبناء الكفاءة والثقة لتشغيل النظم المثلى بفعالية.

وتتطلب منظمات الصيانة التدريب على المعدات الجديدة، وتحديث إجراءات الصيانة، وجرد قطع الغيار الكافية لدعم التشغيل الموثوق للنظم المعدلة، ويساعد الشروع في الصيانة في وقت مبكر في تخطيط المشاريع على تحديد مسائل القابلية للاستمرار، ويكفل معالجة احتياجات الصيانة على النحو المناسب في تصميم المشاريع وميزنتها.

التحقق من الأداء والتحسين المستمر

ويؤكد التحقق الدقيق من الأداء أن مشاريع تحقيق وفورات في الطاقة المتوقعة على النحو الأمثل ويحدد الفرص المتاحة لإجراء المزيد من التحسين، وتضع بروتوكولات القياس والتحقق خط الأساس لاستهلاك الطاقة وقياس الأداء بعد التنفيذ، وحساب الوفورات المحققة التي تمثل التغييرات في ظروف التشغيل.

ويكفل الرصد المستمر لأداء الطاقة بعد تنفيذ المشاريع استمرار الوفورات بمرور الوقت ويحدد التدهور الذي يتطلب اتخاذ إجراءات تصحيحية، ويقارن استعراضات الأداء المنتظمة النتائج الفعلية بالأهداف، ويحقق في الفروق، ويحدد الفرص الإضافية المتاحة لتحقيق الاستخدام الأمثل من خلال الخبرة التشغيلية.

ويجمع توثيق الدروس المستفادة من مشاريع تحقيق الحد الأمثل على المعرفة القيمة التي يمكن تطبيقها على المبادرات المقبلة، وتوثيق ما هو جيد، وما هي التحديات التي ووجهت، وكيف أن القضايا قد حُلت تُنشئ قدرة تنظيمية وتحسن معدل نجاح المشاريع اللاحقة.

الخلاصة والطرق الرئيسية

ويمثل حساب استهلاك الطاقة في عمليات التفكيك الكيميائي والتفاؤل به قدرة حاسمة للمهندسين الكيميائيين ومشغلي النباتات الذين يسعون إلى تحسين الأداء الاقتصادي، والحد من الآثار البيئية، والحفاظ على الميزة التنافسية، وتوفر المنهجيات والاستراتيجيات التي نوقشت في هذا الدليل الشامل أساسا للإدارة المنهجية للطاقة وتحسين مستمر.

وتتطلب الحسابات الدقيقة لاستهلاك الطاقة فهما صلبا للمبادئ الدينامية الحرارية، وتطبيق منهجيات حسابية مناسبة تتراوح بين طرق مبسطة قصيرة إلى محاكاة صارمة، وإيلاء اهتمام دقيق للعوامل المحددة للمنظومة التي تؤثر على احتياجات الطاقة، ويمكِّن النهج الأساسي لتوازن الطاقة، مقترنا بتقييمات تفصيلية للممتلكات والنظر في جميع مدخلات الطاقة ونواتجها، من التنبؤ الموثوق باستهلاك الطاقة لأغراض التصميم والتعظيم.

وتؤثر عوامل متعددة في استهلاك الطاقة من التصفية، بما في ذلك تركيبة الأغذية وممتلكاتها، وتصميم الأعمدة والداخليات، وظروف التشغيل، واستراتيجيات التكامل الحر.ويحدد التقييم المنهجي لهذه العوامل فرص خفض الطاقة من خلال الاستخدام الأمثل للعمليات، وتعديل المعدات، وتكامل العمليات.() وتعالج أكثر البرامج فعالية العوامل المتعددة في آن واحد، مع الاعتراف بالتفاعلات والمفاضلات بين مختلف المتغيرات.

وتوفر التقنيات المتقدمة، بما في ذلك تحليل الطاقة، ومقاييس الكفاءة الحرارية، والمنحنات المركبة الكبيرة، أعمدة أعمق عن أنماط استهلاك الطاقة وتساعد على تحديد أفضل الفرص التي يمكن التنويع بها، وتكمل هذه الأساليب حسابات ميزان الطاقة الأساسية بالكشف عن الأماكن التي تستهلك فيها الطاقة بصورة غير فعالة، وعن سبب استهلاكها، وتوجيه جهود التحسين المستهدفة.

ويتطلب التنفيذ العملي لتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة تخطيطا دقيقا للمشاريع، وإشراك أصحاب المصلحة، وإدارة المخاطر، والتحقق من الأداء، والامتياز التقني وحده غير كاف؛ كما أن المشاريع الناجحة تعالج الاعتبارات التنظيمية والتشغيلية والاقتصادية لتحقيق وفورات الطاقة المستدامة وقيمة الأعمال التجارية.

وسيشكل مستقبل الاستخدام الأمثل للطاقة المتحللة التكنولوجيات الناشئة، بما في ذلك التدمير الرقمي، والتحليلات المتقدمة، وأساليب الفصل الجديدة، وإدماج الطاقة المتجددة، وسيشكل البقاء على علم بهذه التطورات واعتماد الابتكارات المثبتة بصورة انتقائية أمرا أساسيا للحفاظ على القدرة التنافسية للطاقة في بيئة اقتصادية وتنظيمية تزداد صعوبة.

وبالنسبة للمهنيين العاملين في العمليات البتروكيميائية، فإن تطوير الخبرة في حساب استهلاك الطاقة وتحقيق الاستفادة المثلى يمثل استثمارا قيما يحقق فوائد طوال حياتهم الوظيفية، وتوفر المبادئ والأساليب التي نوقشت في هذا الدليل أساسا صلبا، ولكن التعلم المستمر من خلال التطوير المهني، والمشاركة في الصناعة، والخبرة العملية لا يزال ضروريا لتسيير هذا المجال المعقد والمتطور.

وينبغي للمنظمات التي تسعى إلى تحسين أداء الطاقة في مجال إزالة التلوث أن تضع برامج منهجية لإدارة الطاقة، وأن تستثمر في القدرات المناسبة في مجال التأشيرات والتحليلات، وأن تشرك الموظفين على جميع المستويات في جهود تحسين الطاقة، وأن تحافظ على الالتزام بمواصلة التحسين، وأن الفوائد الاقتصادية والبيئية الكبيرة التي يمكن تحقيقها من خلال الإدارة الفعالة للطاقة تبرر الاستثمارات المطلوبة والتركيز التنظيمي.

وتشمل الموارد الإضافية لتعميق المعرفة في هذا المجال المنظمات المهنية مثل المعهد الأمريكي لمهندسي المواد الكيميائية ]، والمنشورات التقنية الصادرة عن ] الوكالة الدولية للطاقة ، وبرامج التدريب المتخصصة التي تقدمها الجامعات ومنظمات الصناعة، ويعجل التعلم في مجال الطاقة ويتيح الوصول إلى التطورات المتقطعة.

ومن خلال تطبيق المبادئ والمنهجيات والاستراتيجيات المبينة في هذا الدليل الشامل، يمكن للمهندسين الكيميائيين ومشغلي النباتات أن يحسنوا كثيرا كفاءة الطاقة في عمليات التفكك الكيميائي، وأن يحققوا قيمة اقتصادية كبيرة، وأن يقللوا في الوقت نفسه من الآثار البيئية، وأن يدعموا أهداف الاستدامة، وأن الرحلة إلى تحقيق الأداء الأمثل للطاقة مستمرة، وتتطلب التزاما مستمرا ونهجا منهجية واستعدادا لاحتضان الابتكار والتغيير.