حساب الحجم الاقتصادي لوحدات الفصل في العمليات البتروكيميائية

فهم أهمية التخصيب الاقتصادي في وحدات الفصل البترولية

ويمثل تحديد الحجم الاقتصادي للوحدات الفاصلة في العمليات البتروكيميائية أحد أهم القرارات في تصميم العمليات وتحقيق الاستخدام الأمثل للنباتات، ويؤثر التوسيع السليم لهذه الوحدات تأثيرا مباشرا على كل من الاستثمار الأولي في رأس المال وعلى الربحية التشغيلية الطويلة الأجل للمرافق البتروكيميائية، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بعناية عوامل متعددة متنافسة للتوصل إلى تصميم أمثل يحقق أقصى قدر من العائدات الاقتصادية مع الوفاء بمتطلبات العمليات الصارمة ومعايير السلامة.

توجد معدات الفصل في جميع مصافي النفط والغاز تقريباً أو النباتات البتروكيميائية، التي تمثل الخيار الرئيسي لفصل خلائط المراحل المتعددة، وتتراوح هذه الوحدات بين مفرقتين بسيطتين تقسم الغاز من مجاري السائل إلى أعمدة تفكك متعددة المكونات تفصل خلائط الهيدروكربون إلى منتجات قيمة عديدة، فالفوائد الاقتصادية كبيرة، حيث أن نسبة الاختلاف في الطاقة يمكن أن تستهلك أكثر من 50 في المائة.

عملية التصعيد تتضمن تحديد الأبعاد المادية لمعدات الفصل بما في ذلك مقياس وطول وتشكيلات داخلية ستعالج الناتج المطلوب بينما تحقق نقاءات محددة للمنتجات، والوحدة التي يقل حجمها عن الحجم ستفشل في تحقيق أهداف الإنتاج أو مواصفات المنتجات، بينما تكون رأس مال وحدة زائدة الحجم قد تعمل بشكل غير كفء بقدرة جزئية، والتحدي يكمن في إيجاد الموقع الحلو الذي تتناسب فيه تكاليف رأس المال ومصروفات التشغيل وإيرادات الإنتاج مع تحقيق أقصى قدر من الربحية على المعدات.

المبادئ الأساسية لوحدة الفصل

دور متطلبات العملية

وتبدأ أساس أي حساب لتصنيف الوحدات الفاصلة بمتطلبات عملية محددة بوضوح، وتقضي هذه المواصفات بالحد الأدنى المقبول من معايير الأداء التي يجب أن تحققها المعدات، وتشمل معايير العمليات الرئيسية معدل تدفق التغذية، وتكوين التغذية، ونقاءات المنتجات المرغوبة، ومعدلات الاسترداد، وانخفاضات الضغط المسموح بها في المنظومة.

وتؤدي خصائص التغذية دوراً هاماً بوجه خاص في تحديد القرارات، وتؤدي التدفق الجماعي دوراً هاماً في تحديد الآلة المناسبة، وبالنسبة لنظم استخراج السائل، التي تكون منخفضة جداً (أقل من غا/م) أو فئة واحدة من مستخرجات الطرد المركزي قد تكون مناسبة، في حين أن عمود استخراج المعادن سيكون أكثر فعالية من حيث التكلفة بالنسبة للتدفقات المتوسطة التي تبلغ 1 إلى 000 1 غالون/متر، وفي مزيج من الزهرات يتجاوز 000 1 غالون.

وتؤثر متطلبات نقاء المنتجات تأثيرا كبيرا على عدد مراحل الفصل المطلوبة، التي تؤثر بدورها على حجم المعدات، وعادة ما تكون المراحل الأكثر في العمود، والفصل الأكبر الذي يمكن تحقيقه، وتتطلب المواصفات العالية النقاء مراحل نظرية أكثر، وتترجم إلى أعمدة أطول أو إلى نظم أكثر تعقيدا لفصل المعدات، ويجب على المهندسين أن يقيّموا بعناية ما إذا كانت التحسينات الإضافية في نقاء المنتجات تبرر رأس المال الإضافي وتكاليف التشغيل المرتبطة بالمعدات الأكبر.

الاختلاط الجسدية وتأثيرها على التصعيد

إن الخصائص المادية والكيميائية للتدفقات العملية تؤثر تأثيرا عميقا على أبعاد وحدة الفصل، واختلافات الكثافة بين المراحل، والضغوط السطحية، وعلاقات التوازن السائلة، كلها عوامل في حسابات السائل، وبالنسبة للفصليات التي تُعالج بالغاز، فإن قطر الفصل يحدد على أساس سرعة الطرفية التي تُصبح فيها قوى الخفض الافتراضي

وفي تطبيقات التصفية، تحدد بيانات التوازن بين البخار والتوازن السائل العدد الأدنى النظري للمراحل المطلوبة لفصل معين، وتحدد التوازن بين البخار والسائل الحد الأدنى للمراحل اللازمة لتحقيق درجة الفصل المطلوبة، بينما تتطلب المراحل الأقل اتساعاً، والتقلب النسبي بين المكونات - أي مدى يمكن بسهولة أن تكون لها آثار موزعة مباشرة على العمود الذي يرسم.

كما أن ظروف التدرج والضغط تؤثر تأثيراً كبيراً على التقلبات، إذ تؤثر الضغوط التشغيلية على الكثافة البخارية ومعدلات تدفق الحجم، التي تؤثر بدورها على قطر العمود المطلوب، وتؤدي الضغوط المرتفعة عموماً إلى ارتفاع الكثافة البخارية وانخفاض معدلات تدفق الحجم، مما قد يسمح بعمود قطرية أصغر، غير أن الضغط يؤثر أيضاً على التقلب النسبي وقد يتطلب سفن ضغط ذات جدران أكثر سمة، مما يزيد من تكاليف رأس المال.

الاعتبارات الاقتصادية في وحدة الفصل

عناصر التكاليف الرأسمالية

وتمثل تكاليف رأس المال الاستثمار الأولي اللازم لشراء المعدات وتركيبها وانتهاء الخدمة، وهذا الحجم من التكاليف بحجم المعدات وليس بشكل خطي، والعلاقة بين حجم المعدات والتكاليف تتبع عادة قانون السلطة، حيث تزيد التكاليف كوظيفة من وظائف القدرة التي ترتفع إلى ما بين 0.6 و 0.8، وهذه الظاهرة، المعروفة باسم اقتصاد الحجم، تعني أن مضاعفة قدرة وحدة الفصل تزيد تكلفتها عادة بنسبة 50 إلى 75 في المائة فقط.

وتشمل عناصر التكاليف الرأسمالية الرئيسية قذيفة السفن، والعناصر الداخلية (الأشعة، والتعبئة، والموزعين)، والمعدات الإضافية (المتفجرات، والمضخات، والمضخات)، ونظم الأجهزة والمراقبة، والفقاعات والصمامات، ونظم الدعم الهيكلي، وعمالة التركيب، وتتوقف تكلفة قذيفة السفن أساسا على مقياس، وارتفاع سماكة الجدار، ومواد البناء المتزايدة إلى حد كبير.

ويمكن أن تمثل المكونات الداخلية جزءا كبيرا من مجموع التكاليف الرأسمالية، لا سيما بالنسبة لأعمدة التحلل، أما أبسط وأقل أنواع الصينات تكلفة فهي صينية من المعادن التي تُلطم فيها الحفر للسماح بتدفق البخار، كما أن تصميمات الصين الأكثر تطورا أو التعبئة المنظمة توفر أداء أفضل ولكن بتكلفة أعلى، ويشمل الاختيار بين مختلف أنواع المواد الداخلية المفاضلة بين تكاليف رأس المال والكفاءة وهبوط الضغط والمرونة التشغيلية.

تحليل التكاليف التشغيلية

تكاليف التشغيل تراكمت طوال عمر المعدات و غالباً ما تتجاوز تكاليف رأس المال خلال فترة تشغيلية نموذجية تتراوح بين 20 و 30 سنة استهلاك الطاقة عادة ما يهيمن على نفقات التشغيل للوحدات الفاصلة، خاصة في تطبيقات التحلل، والفصل هو أكثر طريقة فصل اقتصادي للمخاليط السائلة في معظم الحالات، على أنه يمكن أن يكون مكثفاً للطاقة ويمكن أن يستهلك أكثر من 50 في المائة من تكلفة تشغيل النباتات للطاقة.

وتنجم تكاليف الطاقة في التحلل أساسا عن واجب الحرارة في الثلاجات ومتطلبات تبريد المكثفات، وتحتاج الأعمدة الأكبر حجما التي تتطلب مراحل أكبر عموماً إلى ارتفاع نسب التدفق وزيادة مدخلات الطاقة، غير أن العلاقة معقدة - أحياناً يمكن أن يؤدي عمود أطول يعمل في انخفاض التدفق إلى خفض الاستهلاك الإجمالي للطاقة مقارنة بعمود أقصر يتطلب زيادة التدفق، ويجب على المهندسين أن يخفضوا إلى أدنى حد من نسبة التدفق بين عدد المراحل.

وتشمل تكاليف التشغيل الهامة الأخرى الصيانة والإصلاحات، والعامل الحفاز أو الاستهلاك الكيميائي (في بعض عمليات الفصل)، والعمل من أجل التشغيل والإشراف، والمرافق الخارجة عن الطاقة (المياه، والهواء الآلي)، ومعالجة النفايات والتخلص منها، وتميل تكاليف الصيانة إلى زيادة تعقيد المعدات وعدد قطع الغيار المتحركة، وقد تتطلب وحدات أكبر إجراءات صيانة أوسع نطاقا، ولكنها لا تتطلب بالضرورة تكاليف أعلى تناسبيا.

تجارة التكاليف

والتحدي الأساسي في التصعيد الاقتصادي يكمن في تحقيق الحد الأمثل من المفاضلة بين رأس المال وتكاليف التشغيل، وبصفة عامة، فإن الوحدات الأكبر حجما التي لديها مراحل أو قدرة أكبر لها تكاليف رأسمالية أعلى، ولكن تكاليف التشغيل المنخفضة لكل وحدة من وحدات الإنتاج، وعلى العكس من ذلك، فإن الوحدات الأصغر تخفض إلى أدنى حد الاستثمار المباشر ولكنها قد تتكبد نفقات تشغيلية أعلى بسبب انخفاض الكفاءة أو الحاجة إلى زيادة مدخلات الطاقة.

ويتضح من هذه المبادلات بوضوح في تصميم عمود التحلل، ففي التدفق الإجمالي، يكون عدد اللوحات النظرية المطلوبة أدنى، ونظراً إلى انخفاض نسبة التدفق (بإلغاء المنتج)، فإن عدد اللوحات يتطلب زيادات، ومعدل التدفق الأدنى هو أدنى قيمة للتدفق يمكن أن يتحقق فيه الفصل حتى مع عدد لا نهاية له من الصفائح، ونسبة التدفق إلى أعلى من أي تدفق نظري.

ويشير التقلبات في التصميم الموحد إلى أن نسبة التدفق الدنيا تتراوح بين 1.2 و 1.5 مرة، وأن استخدام إجراءات تقصير تستند إلى مجموع عمليات التدفق يتيح تحديد الحد الأدنى لنسبة التدفق والحد الأدنى من مراحل الفصل المثالي، واستخدام نسبة التجدد الفعلية البالغة 1.2 مرة، سيتيح تقدير العدد الأمثل للمراحل، ويوازن هذا النهج بين التكلفة الرأسمالية للمراحل الإضافية وبين تكلفة التشغيل التي تنطوي عليها زيادة التدفق واستهلاك الطاقة.

الطرائق والتقنيات لحساب الحجم الاقتصادي

عملية المحاكاة والنمذجة

وقد أدى برنامج محاكاة العمليات الحديثة إلى ثورة تصميم وحدات الفصل عن طريق تمكين المهندسين من إجراء تقييم سريع لبدائل التصميم المتعددة، ومعظم عمليات محاكاة العمليات التجارية (مثل نظام هاي سي إس) لديها تصميمات غير مباشرة، مع تحديد الأبعاد تلقائيا، غير أن هذه الأبعاد التي تختارها المحاكاة أو تحسبها قد لا تعطي أفضل أداء لنظامكم، كما أن أدوات المحاكاة تسمح للمهندسين بنموذج السلوك الديناميكي الحراري، والتنبؤ بالأداء والدقة.

ويستخدم محفزو العمليات نماذج دينامية حرارية صارمة لحساب التوازن بين البخار والبارود والتركيب على مراحل ودرجة الحرارة والضغط وأرصدة الحرارة والمادية في جميع أنحاء الوحدة الفاصلة، ويمكن استخدامها بسهولة للاختبار وتوفير معلومات قيمة عن أحجام وحدات العمليات، فضلا عن ظروف التشغيل لتدفقات العمليات بأكملها في وقت قصير.

ويمثل تحليل الحساسية تطبيقا قويا لمحاكاة العمليات من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل، ويمكن للمهندسين أن يتفاوتوا بصورة منهجية معالم التصميم الرئيسية - مثل عدد المراحل، ونسبة التدفق، والضغط التشغيلي، أو اطعام المواقع - وأن يراعوا آثارها على الأداء الفصلي واستهلاك المرافق، وهذا الاستكشاف المنهجي لحيز التصميم يساعد على تحديد الشكل الذي يميز متطلبات الأداء على أفضل وجه مع القيود الاقتصادية.

طرق قصيرة وسلسلة تصميم

وفي حين أن المحاكاة الصارمة تقدم نتائج مفصلة، فإن أساليب الاختصار تقدم تقديرات أولية قيمة بأقل قدر ممكن من الجهد الحاسوبي، وتساعد هذه النُهج المبسطة المهندسين على الفرز السريع لبدائل التصميم وتضع نقاطاً معقولة لبدء الاستخدام الأمثل التفصيلي، وتوضح بعض المعادلات التي تستخدم عادة في الصناعة لتقدير العدد الأدنى للمراحل ونسبة التدفق الدنيا لعمود يستند إلى بيانات VLE، مثل معادلة Fenske-Underwood.

وتقدر معادلة " فانسكي " العدد الأدنى للمراحل النظرية المطلوبة في ظروف التدفق الكلي، بينما تحسب معادلة " أندروود " الحد الأدنى لنسبة التدفق، وتحدد هذه الحدود النظرية حدودا للتصميمات العملية، ويجب أن تسقط نقطة التشغيل الفعلية بين هذه المتطرفات، وتساعد مختلف الروابط على تقدير العدد الأمثل للمراحل بالنسبة لنسبة التدفق أو العكس.

وتستند التقلبات في التصميم إلى تجارب التصميم وتراعي عوامل السلامة والاقتصاد على حد سواء، وتشمل القواعد المشتركة للابهام أعمدة للتحلل التشغيلي عند مستوى التدفق الأدنى من 1.2 إلى 1.5 مرة، مع الإبقاء على معدلات طول إلى قطر تقل عن 30 (يرجح أن تقل عن 20 سنة)، والحد من ارتفاعات البرج إلى 60 مترا بسبب الحمل الريحي وشواغل الأساس.

أساليب التقييم الاقتصادي

وتساعد عدة أساليب للتقييم الاقتصادي المهندسين على مقارنة بدائل التصميم واختيار أكثر التشكيلات الاقتصادية، وتشمل النهج الأكثر شيوعا تحليل التكاليف السنوي الكلي، وحسابات القيمة الحالية الصافية، وتقييم فترة الانتكاس، والعائدات في تحليل الاستثمار، وتقدم كل طريقة نظرة مختلفة عن الجاذبية الاقتصادية لخيارات التصميم.

ويجمع تحليل التكلفة السنوية الإجمالية بين تكاليف رأس المال السنوية وتكاليف التشغيل السنوية لتوفير قياس واحد للمقارنة، وتُحسب تكاليف رأس المال سنوياً بتقسيم مجموع الاستثمارات حسب عمر المعدات المتوقعة أو بتطبيق عامل مناسب لاسترداد رأس المال يُسدِّد القيمة الزمنية للنقود، ويمثل البديل التصميمي بأقل تكلفة سنوية الخيار الأكثر اقتصاداً من هذا المنظور.

وقد استخدمت ثلاثة مؤشرات للجودة وقارنتها: معامل قدرة لويبين، ومجموع التكلفة السنوية، والربح السنوي، وتم الحصول على أفضل مزيج من المراحل النظرية ونسبة التدفق لكل طريقة، ووجد أن أفضل مزيج يتطلب دائما نسب التدفق قريبة من الحد الأدنى، وعموما، كان الربح السنوي هو أفضل مؤشر للجودة، ويبرز هذا الاستنتاج أنه في حين أن تقليل التكاليف هو أمر هام، فإن معظم التقييم الشامل يوفر الأرباح من خلال النظر في الإيرادات من مبيعات المنتجات.

ويُعزى تحليل القيمة الحالية الصافية إلى القيمة الزمنية للنقود من خلال خصم التدفقات النقدية المقبلة إلى قيمتها الحالية، وتسلم هذه الطريقة بأن قيمة الدولار الذي يُنقذ أو يُكسب في المستقبل تقل عن دولار اليوم، وتحتاج حسابات النفط الوطنية إلى تقديرات لتكاليف رأس المال، وتكاليف التشغيل السنوية، والإيرادات من المنتجات، والمعدات، ومعدل خصم مناسب، ويمثل التصميم الذي يُعتبر أعلى مستوى إيجابي من صافي القيمة الصافية الخيار الأكثر جاذبية من الناحية الاقتصادية.

تحديد النطاقات المحددة للنوعات المختلفة لوحدة الفصل

الاستغناء عن المركب

وتمثل أعمدة العزل أكثر الوحدات شيوعا وأكثرها أهمية في العمليات البتروكيميائية، ويُرسم عمود للتفكيك بتحديد قطر البرج، ويمكن القيام بتقدير أولي لمقياس البرج استنادا إلى البخار والشحنات السائلة، ويجب أن يكون قطره كافيا لمعالجة حركة البخار دون الفيضانات مع توفير وقت إقامة مناسب لكل مرحلة.

ويُرسم قطر العمود بحيث يلائم الحد الأقصى المتوقع لمعدلات البخار والتدفق السائل عبر العمود، ويُحدد قطره عادة بالدرجة الأولى بمعدل تدفق البخار، ويُعرّف المهندسون عادة الأعمدة التي تعمل بنسبة 70 إلى 85 في المائة من سرعة الفيضانات لتوفير هامش أمان وتستوعب تغيرات في العمليات، ويُحتمل أن يؤدي تشغيلها إلى ظروف فيضانية إلى انخفاض الأداء فيما يتعلق بالفصل والشحن بالسيولة، بينما يُعمل في ظل ظروف منخفضة جدا.

ويتوقف ارتفاع الكبريت على عدد المراحل النظرية المطلوبة وكفاءة المواد الداخلية، وبالنسبة للأعمدة الصينية، فإن العدد الفعلي للصينات يساوي المراحل النظرية المقسومة على الكفاءة في استخدام الصينية، وتتراوح الكفاءة في الصينات من 50 إلى 90 في المائة حسب خصائص النظام وظروف التشغيل، ولا تتغير كفاءة البارايين كثيرا مع نوع التباعد في الصفات أو التقلبات، بل تختلف عن الضغط الذي يُمارس في إطار التشغيل.

أما بالنسبة للأعمدة المكتظة، فإن الارتفاع يحدده معادلة الطول إلى حد نظري مضروبا بعدد المراحل النظرية، أما متوسط التقلبات المرتفعة فيتراوح بين 1.5 قدم و5.

Gas-Liquid Separator Sizing

يمكن أن تتفاوت مواسير المياه السطحية أو الطبول الخفيفة، أو تزيل قطرات السائل من مجاري الغاز أو الغاز المنفصلة من المجرى السائل أساساً، ويمكن أن تكون لأجهزة فصل النفط والغاز ثلاث تشكيلات عامة: عمودية وأفقية ومفصلة، بينما تتراوح مواصفات حرارية بين 10 أو 12 بوصة في قطرات و 4 إلى 5 أقدام في مسافات مترية إلى 10 أمتار

وتتمثل الخطوة الأولى في تحديد ما إذا كان المفصل عموديا أو أفقيا، وكقاعدة للصبغة العمودية، يختار نوعا عموديا إذا كانت نسبة الغاز إلى السائل عالية، ويعالج المفصلون الرأسيون عموما نسبا عالية من الغاز إلى السائل على نحو أكثر كفاءة، ويحتاجون إلى حيز طابق أقل، بينما يتفوق الفصل الأفقي على التعامل مع كميات كبيرة من السائل ويوفر فصلا أفضل من السائل في ثلاث مراحل.

ويركز حساب التخزين للمفصلين الرأسيين على توفير مساحة كافية من التدفق المتعدد القطاعات للغاز في السرعة دون سرعة التسرب، ويمكن حساب السرعة النهائية باستخدام صيغة حيث تكون شركة K وظيفة من حجم القطرات والغاز والكثافة السيولة والفولاذ والضغط التشغيلي، وكقاعدة جيدة من القياسات المحسوبة، يمكن أن يأخذ الفرد سعر التدفق الكترونيفي عند نقطة الصفر.

ويمثل الوقت اللازم للاحتفاظ بالبريد البارامترات الحرجة الأخرى، ويجب أن يوفر المنفصل كمية كافية لتجميع السائل بين إجراءات مراقبة المستوى والسماح لفقاعات الغاز المتدربة بالفصل عن المرحلة السائلة، وتتراوح فترات الاحتفاظ بالأرقام من 1 إلى 3 دقائق بالنسبة لمعظم التطبيقات، وإن كانت متطلبات العمليات المحددة قد تقضي وقتا أطول أو أقصر.

تصميم مستقل من ثلاثة أجزاء

ويجب أن ينجز المفصلون من ثلاث مراحل المهمة الأكثر تعقيدا المتمثلة في فصل الغاز والنفط ومراحل المياه في وقت واحد، والهدف هو تصميم فصل أفقي فعال من ثلاث مراحل من أجل تحقيق الأداء الأمثل لفصل المياه، وتعتبر الخطوات الأساسية في تصميم المفصل الأفقي أو التخمين أهداف أعمال البحث، وهذه الوحدات هامة بصفة خاصة في إنتاج النفط والغاز في أعلى المجرى حيث تحتوي السوائل على جميع المراحل الثلاث.

ومن المفيد أن تكون المقسمات ذات المراحل الثلاث مفيدة في تصميمات الدلو والويلات ذات التدفق النفطي المرتفع و/أو الاختلافات في الكثافة الصغيرة، ويجب أن تستوعب التخصيب ثلاثة مناطق منفصلة هي: فصل الغاز حيث تستقر السوائل من مرحلة الغاز، وقسم فصل المياه النفطية حيث ترتفع قطرات النفط وتستقر قطرات المياه، وأقسام جمع السائل لكل من مرحلتي النفط والمياه.

يتطلب فصل المياه النفطية تصعيداً على أساس سرعة تسرب النفط في قطرات المياه أو المياه في النفط، وتراوحت قطرات النفط في المياه أو قطرات المياه في النفط بين تدفقات حرارية، وينظم قانون ستوكس هذا النموذج التصميمي، لأنه يصعب التنبؤ بحجم قطرات المياه التي يجب أن تستقر من مرحلة النفط، وتتراوح القيم بين 000 500 ميكروغرام، و000 1 ميكروغرام في تصميمات المياه الأفقية.

ومن الأمور الاقتصادية دائما اختيار حجم موحد للمفصلين الصغار في السفن، حيث أن استخدام أحجام قياسية يقلل من تكاليف الصنع ومواعيد التسليم مقارنة بالسفن التي يتم تصميمها حسب الطلب، غير أنه بالنسبة للتطبيقات الكبيرة أو غير العادية، قد يكون من الضروري تحديد النطاق العادم لتحقيق الأداء الأمثل والاقتصاد.

الاستراتيجيات الأمثل لنظم الفصل

تحقيق الاستفادة المثلى من الفصل المتعدد المراحل

ويستخدم العديد من العمليات البتروكيميائية مراحل انفصال متعددة تعمل تدريجيا على زيادة الضغط على السائل وتحسين نوعية المنتجات، ويتم الفصل بين النفط والغاز في مراحل زمنية مع سلسلة من الانفصاليين الذين يعملون في ضغوط مخفضة على التوالي، ويستلزم تحقيق الاستخدام الأمثل لنظم متعددة المراحل تحديد العدد الأمثل للمراحل والضغط التشغيلي لكل مرحلة.

وإذا كنا نتطلع إلى تصميم مرفق الفصل وتحقيقه الأمثل، نود أن نعرف أفضل ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي نحصل في ظلها على أكبر أرباح اقتصادية من العملية، وفي هذا السياق، يهدف الفصل بين المراحل إلى الحد من ضغط السوائل المنتجة في خطوات متتالية بحيث يؤدي تحسين وزيوت/استرجاع النفط المكثف إلى تحسين وصمامات المخزون، وتجرى أساسا حسابات منفصلة لتحديد ظروف الفصل الأمثل:

وبالنسبة لنظم الفصل الثلاثية المراحل، فإن مفتاح تصميم نظام الفصل ثلاثي هو إيجاد الضغط الأمثل الذي سيشغل فيه الفصل الثاني، والسؤال الذي نجيب عليه هو: ما هو الضغط الذي سينتج عن خروج أفضل سائل من خزانات المبيعات؟ والضغط الأول في المرحلة الأولى يقيد عادة بسبب الظروف المتغيرة، والمرحلة النهائية تعمل في الضغط الجوي، مما يترك الضغط المتوسط المستوى الأول هو الضغط الأولي.

والقيمة المثلى للضغط على المرحلة المتوسطة هي التي تنتج أقصى غلة سائلة (بخفض قيمة الغيلان إلى أدنى حد ممكن (بزيادة جاذبية الحد الأقصى للمخزونات من المواد الكيميائية) وقيمة السائلة الكبرى لGOR وB، ويمكن للمهندسين استخدام حسابات السلوك في المرحلة ومحاكاتها لتقييم مختلف الضغوط الوسيطة بصورة منهجية وتحديد الشكل الأمثل.

التكامل مع تصميم العملية عموما

ونادرا ما تعمل وحدات الفصل في عزلة - تشكل عناصر متكاملة من نظم العمليات الأكبر حجماً، ويجب أن ينظر التصعيد الأمثل في التفاعلات مع المعدات في المراحل الأولى والخلفية ونظم المرافق العامة واقتصادات النباتات عموماً، ومن المهم تصميم المفصل السليم لأن سفينة الفصل هي عادة سفينة التجهيز الأولية في أي مرفق، وأن التصميم غير السليم لهذا العنصر من العمليات يمكن أن يكون " مركباً " ويقلل من قدرة المرفق بأكمله.

ويمكن أن تؤثر فرص التكامل بين الحرارة تأثيرا كبيرا على اقتصاديات نظم الفصل، وقد توفر حرارة النفايات من وحدة الفصل تدفئة أخرى، مما يقلل من الاستهلاك العام للمرافق، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يوفر البخار العام من عمود تعطل عالي الكساد حرارة من أجل عمود أقل من الضغط، ويمكن أن يؤدي تحديد واستغلال فرص التكامل هذه خلال مرحلة التخصيب إلى تحسين اقتصاديات العمليات عموما.

ولا يؤثر اختيار الضغط التشغيلي للوحدات الفاصلة على الوحدة نفسها فحسب، بل يؤثر أيضا على متطلبات الضغط في أعلى المجرى وعلى ظروف التجهيز في المراحل النهائية، وقد تؤدي الضغوط التشغيلية المرتفعة إلى خفض حجم الفصلية، بل تزيد من تكاليف الضغط، وقد يتطلب انخفاض الضغوط سفنا أكبر، بل يقلل من الطاقة المضغوطة، كما أن هذه العوامل المتنافسة في جميع مراحل نظام العمليات.

نظم الفصل الهجين

فجمع التكنولوجيات المختلفة لانتهاء الخدمة يمكن أن يحقق أحياناً وفورات عامة أفضل من الاعتماد على طريقة واحدة لإنهاء الخدمة، وإذا استخدم فصل الخماسي وحده، فإنه سيكون من المستحيل تقريباً تحقيق كل من بقايا النقاء العالية وتدفقات النقاء العالية دون اللجوء إلى سلسلة من مراحل الدمج المتعددة، ويتيح التصميم الهجين مرونة لتعديل معايير التشغيل لكل وحدة من الوحدات لتحقيق الكفاءة والجودة الأمثل.

وتمثل الهجينات المتناثرة مثالاً مشتركاً حيث تؤدي الميمبرانيات الفصل بين السائبين وتوفر التحلل النهائي، ويمكن لهذا النهج أن يقلل حجم واستهلاك الطاقة في عمود الفصل عن بعد، مع تجنب الحاجة إلى مراحل متعددة من المقاييس، ويصبح تصميم العملية مسألة رئيسية في اقتصاديات عملية الفصل عن طريق الغشاء، وتحقيق المستوى الأمثل من نموذج الأداء المبني على عملية الدمج.

وتشمل التشكيلات الهجينة الأخرى نظما متجانسة لفصل الغازات، وتركيبات الاستيعاب - التحلل من أجل حالات الانفصال الصعبة، وتسلسلات إزالة الاستخراج بالنسبة للمخلائط الزترولية، ويجب أن يُحسب التقييم الاقتصادي للنظم الهجينة لرأس المال وتكاليف التشغيل لكلا التكنولوجيات مع الاعتراف بالتآزر الذي يجعل الجمع أكثر جاذبية من التكنولوجيا وحدها.

الاعتبارات العملية المتعلقة بالتصميم والسلامة

المحاسبة المتعلقة بالتغير في العملية

ونادرا ما تعمل العمليات البتروكيميائية في العالم الحقيقي في ظل ظروف تصميم ثابتة، وتتفاوت تركيبات الأغذية، وتتفاوت معدلات التدفق مع متطلبات الإنتاج، وتغير الظروف المحيطة بشكل موسمي، وانخفاض أداء المعدات بمرور الوقت، ويجب أن يُحسب التخصيب الاقتصادي لهذا التقلب من خلال إدراج هوامش السلامة المناسبة والمرونة التشغيلية.

وتتراوح هوامش التصميم عادة بين 10 و25 في المائة فوق القدرة الاسمية، تبعا للدرجة المتوقعة من التقلبات وعواقب قصور الأداء، أما الوحدات الحرجة التي يمكن أن تُقحم مرافق بأكملها فيمكن أن تُبرر هامشا أكبر من المعدات غير الحرجة، غير أن الهوامش المفرطة تضيع رأس المال وقد تجبر المعدات على العمل بعيدا عن الظروف المثلى أثناء التشغيل العادي.

كما أن القدرة على التحول - القدرة على العمل بكفاءة عند تخفيض القدرة - تمثل اعتبارا هاما آخر، وبعض تكنولوجيات الفصل تحافظ على الأداء الجيد في مجموعة واسعة من النواتج، بينما تعاني تكنولوجيات أخرى من خسائر كبيرة في الكفاءة عند العمل تحت القدرة على التصميم، وينبغي أن ينظر اختيار المعدات وتقسيمها في النطاق المتوقع لظروف التشغيل، وليس فقط نقطة التصميم.

التوسع في المستقبل وضد الاضطرابات

وكثيرا ما تشهد المرافق البتروكيميائية توسعا في القدرات خلال عمرها التشغيلي مع نمو الأسواق أو ظهور فرص جديدة، وينبغي أن تنظر القرارات في الاحتياجات المحتملة للتوسع في المستقبل وإمكانية إبطال العمليات، وقد يؤدي تركيب مقسم أكبر قليلا في البداية إلى تقليل تكلفة استبداله كليا خلال التوسع في المستقبل.

ويمكن لنهج التصميم النموذجي أن تيسر التوسع في المستقبل عن طريق السماح بإنشاء وحدات إضافية للانفصال بالتوازي مع المعدات الموجودة، وتعمل هذه الاستراتيجية بشكل جيد بصفة خاصة على فصل الغازات السائلة وبعض أنواع معدات الاستخراج، كما أن الأعمدة العزلية أكثر صعوبة في التوسع بصورة نموذجية، وإن كانت إضافة أجهزة إعادة التكديس الوسيطة أو أجهزة التفجير يمكن أن تزيد أحيانا من قدرتها دون الاستعاضة عن العمود بأكمله.

وينبغي أن يتوقع تصميم الموقع وتخصيص حيز المقطع إمكانية التوسع، كما أن ترك حيز للمعدات الإضافية أو وحدات استبدال أكبر لا يكلف إلا القليل في البداية، بل يوفر مرونة قيمة للتعديلات المقبلة، وعلى العكس من ذلك، فإن المخططات الممزقة التي تزيد إلى أقصى حد من استخدام الفضاء الأولي قد تحد بشدة من خيارات التوسع في المستقبل وتفرض قيودا باهظة على عمليات النقل أو إعادة تشكيل العمليات.

توافر المعدات وتوحيدها

ويمكن أن يؤثر توافر المعدات من المصنعين في اتخاذ القرارات المتعلقة بتصنيع المعدات، إذ أن حجم المعدات القياسية يكلف عادة أقل ويقلل من وقت التسليم من الوحدات الجاهزة حسب الطلب، ويفضل التعبئة بالنسبة للأبراج الأصغر، بينما تستخدم المواد الصخرية أساسا في الأعمدة الأكبر حجما، حيث يزيد عدد الشارات عن 3 ربيعات أو 1 مليمتر.

ويمكن للتوحيد القياسي عبر مرفق أو شركة أن يوفر منافع اقتصادية من خلال تخفيض المخزون من قطع الغيار، وتبسيط إجراءات الصيانة، وتحسين معرفة المشغلين، وقد يبرر اختيار أحجام المعدات وأنواعها التي تتفق مع المعايير القائمة قبول أداء دون المستوى الأمثل في فرادى الوحدات للحصول على هذه الفوائد الأوسع نطاقا.

وفي بعض الأحيان، تحد القيود المفروضة على النقل من أبعاد المعدات، ولا سيما بالنسبة للأعمدة الكبيرة أو السفن، وتفرض تطهير الطرق والسكك الحديدية والماء أبعادا قصوى للمعدات التي يجب شحنها بصورة سليمة، ويستلزم تجاوز هذه الحدود الاختلاق الميداني الذي يكلف عادة أكثر ويستغرق وقتا أطول من النسيج التجاري، وقد تتجاوز هذه القيود العملية التفسير الاقتصادي البحت في بعض الحالات.

مواد البناء

ويؤثر اختيار مواد البناء تأثيرا كبيرا على كل من تكاليف رأس المال والموثوقية التشغيلية، وقد تتطلب مسارات العمليات المتزامنة سبائك باهظة التكلفة، بينما يمكن للخدمات الحميدة أن تستخدم فولاذ الكربون، ويجب أن تُقيَّم التكلفة الإضافية للمواد المقاومة للتآكل من خطر الفشل المبكر وتكاليف الاستبدال الأكثر تواترا.

ويتفاعل اختيار المواد مع القرارات التي تتخذ في عدة طرق، فالجدران المرنة اللازمة لخدمات الضغط العالي تكلفتها في السواحل الباهظة الثمن أكثر مما هي في فولاذ الكربون، مما قد يساعد على تصميمات أقل ضغطا عندما تكون هناك حاجة إلى مقاومة التآكل، وبعض المواد لها قيود على التلفيق تقيد أبعاد السفن القصوى أو تتطلب تقنيات مختلفة للبناء.

كما تتطلب المكونات الداخلية اختيار المواد المناسبة، ويجب أن تقاوم المواد المتراة التآكل من سوائل العمليات مع الحفاظ على السلامة الميكانيكية، وتتراوح المواد التعبئةية بين البلاستيك غير الرخيص الذي يناسب الخدمات المنخفضة الحرارة وغير الرطبة إلى السيراميات الباهظة التكلفة أو السكك الحديدية الخاصة في ظروف قاسية، ويمكن أن يؤثر اختيار المواد الداخلية تأثيرا كبيرا على تكلفة المعدات الإجمالية، ولا سيما بالنسبة للأعمدة الكبيرة.

التقنيات المتقدمة والتكنولوجيات الناشئة

الديناميات الفولطية الحاسوبية في التصميم المفصل

وقد ظهرت ديناميات السوائل الحاسوبية كأداة قوية لتصميم وتوسيع معدات الفصل على النحو الأمثل، ويمكن لعمليات المحاكاة التي تقوم بها هذه القوات أن تُمثل أنماطاً معقدة للتدفق، ومسارات السوائل، والتوزيع التدريجي داخل المفصلين، مع قدر أكبر بكثير من التفاصيل عن أساليب التصميم التقليدية، مما يتيح للمهندسين تحديد المناطق الميتة والقضاء عليها، والارتقاء بتشكيلات النسيج، والتنبؤ بالأداء في ظروف غير محددة.

وبالنسبة للمفصلين ذوي السائل الغازي، يمكن أن تنبأ لجنة التعبئة بفعالية مختلف تصميمات الأجهزة المحتوية على الغازات، وأن تُحدِّد إلى أقصى حد ممكن وضع المضخات الخاطئة، وأن تحدد المسائل المحتملة لإعادة التدريب على السائل، وهذا الفهم التفصيلي يمكن أن يؤدي إلى تصميمات أكثر حزماً تحافظ على كفاءة الفصل أو تحسنها مقارنة بالمعدات المصنَّعة في العادة، ويمكن أن تبرر وفورات في تكاليف رأس المال من حجم المعدَّات الإضافية المطلوبة لتحليل السائل الكيميائية.

وفي تطبيقات التوزيع، تساعد إدارة الشؤون المالية الكندية على تحقيق أفضل تصميمات الصين والتعبئة من خلال نماذج أنماط الاتصال بالبخار والسائل، وتحديد المسائل المتعلقة بالاتصالات أو سوء التوزيع، والتنبؤ بكفاءة الصواني في ظل ظروف تشغيلية مختلفة، ويمكن لهذه الأفكار أن تسترشد بالقرارات المتعلقة بالمباعدة بين الصين وحجم التلقيم السفلي ونظم التوزيع بالسائل، مما يمكن أن يسمح بمزيد من تصميمات الأعمدة المدمجة دون التضحية بالأداء.

نهج تكثيف العمليات

وتسعى عملية تكثيف المعدات إلى تخفيض حجم المعدات بشكل كبير مع الحفاظ على الأداء أو تحسينه من خلال التكنولوجيات المبتكرة ونُهج التصميم، ويمكن أن توفر معدات الفصل المكثف وفورات كبيرة في تكاليف رأس المال وانخفاض الاحتياجات من الأماكن المخصصة للمؤامرة، وإن كان ذلك غالبا على حساب زيادة التعقيد أو المواد المتخصصة.

:: استخدام القوة المركزية للطرد المركزي لتعزيز معدلات النقل الجماعي، مما قد يقلل حجم المعدات من عوامل 10 إلى 100 مقارنة بالأعمدة التقليدية، وهذه الوحدات المدمجة جذابة بشكل خاص بالنسبة للمنابر الخارجية، والنباتات المتنقلة، أو الارتدادات التي يقيد فيها الفضاء بشدة، غير أن الآلية التناوبية تضيف تعقيدا ومتطلبات صيانة يجب أن تُدرج في التقييمات الاقتصادية.

وتجمع الأعمدة الجدارية المتفرقة بين عمودين من أعمدة التصفية التقليدية في قذيفة واحدة مع تقسيم داخلي، مما يقلل من تكاليف رأس المال بنسبة 25 إلى 40 في المائة واستهلاك الطاقة بنسبة 20 إلى 30 في المائة من أجل التطبيقات المناسبة، وتستلزم الفوائد الاقتصادية تصميما دقيقا، وتتناسب مع المهام المحددة المتعلقة بفصل ثلاثة عناصر أو أكثر مع التطاير النسبي المناسب.

وتوفر أجهزة الاتصال بالمغبرة خيارا آخر من خيارات تكثيف عمليات الفصل، مما يتيح مساحة سطحية عالية جدا لكل وحدة، وقدرة على العمل دون وجود قوى دافعة للفرق الكثيف، وفي حين أن تكاليف الغشاء لا تزال مرتفعة نسبيا، فإن استمرار التحسينات في المواد الوسيطة والتصنيع يوسع نطاق التطبيقات الجذابة اقتصاديا.

Optimization Algorithms and Artificial Intelligence

ويمكن للتخزين الأمثل المتقدم من الخوارزميات استكشاف حيز التصميم على نحو أكثر شمولا من النهج التقليدية للمحاكمة والحرق، ويمكن للأغلازم الوراثية، والتفاؤل بالطرق التي تستخدمها الجسيمات، وغيرها من أساليب الميثاتورية أن تحقق في نفس الوقت متغيرات التصميم المتعددة مع استيفاء القيود المعقدة، وهذه التقنيات قيمة بوجه خاص بالنسبة لنظم الفصل المعقدة التي لها العديد من بارامترات التصميم التفاعلية.

وبدأت تعلم الآلات والاستخبارات الاصطناعية تؤثران على تصميم المعدات الفاصلة وتحقيق الاستخدام الأمثل، ويمكن للشبكات العصبية المدربة على بيانات التصميم التاريخي أن تتوقّع بسرعة أداء المعدات وتكاليف التشكيلات الجديدة، مما يعجل مرحلة التصميم الأولي، ويمكن للتفاؤل القائم على أساس " آي " أن يحدد الحلول التصميمية غير المبررة التي قد يغفلها المهندسون البشريون.

أما التوائم الرقمية - الارتداد الفيزيائي لمعدات الفصل المادي التي تستكمل في الوقت الحقيقي استنادا إلى استشعار البيانات باستمرار لظروف التشغيل، ويمكن أن تسترشد بالقرارات بشأن التعديلات أو الاستبدالات في المعدات، وبما أن عمر الوحدات الفاصلة وضغطها أو تدهورها يؤثر على الأداء، فإن التوأم الرقمي يساعد المشغلين على تعديل الظروف للحفاظ على الاقتصاد الأمثل رغم تغير خصائص المعدات.

دراسات الحالة والتطبيقات الصناعية

نظم فصل النفط الخام

وتوفر مرافق إنتاج النفط الخام أمثلة ممتازة على التخصيب الاقتصادي في الممارسة العملية، وتستخدم مادة إنتاجية لفصل السائل المستخرج من بئر أو مجموعة من الآبار أو عقد إيجار على أساس يومي أو مستمر، ويمكن أن تكون مفرق الإنتاج عموديا أو أفقيا أو متقطعا ويمكن أن تكون على مرحلتين أو ثلاث مراحل، وتتراوح مسافات الإنتاج بين 12 و 15 قدما في قطرها، و 30 مترا.

ويعكس النطاق الواسع لحجم المفصلين تنوع ظروف الإنتاج والقيود الاقتصادية في صناعة النفط والغاز، إذ تستخدم الآبار الصغيرة على الشاطئ ذات معدلات الإنتاج المنخفضة أجهزة انفصالية غير مكلفة، في حين تتطلب المنابر البحرية الكبيرة التي تُنفَذ الإنتاج من آبار متعددة سفنا أكبر بكثير، ويختلف الاستخدام الأمثل اقتصاديا اختلافا كبيرا بين هذه التطبيقات بسبب الاختلافات في القيود الفضائية، وتكاليف التركيب، وقيمة المنتجات المستعادة.

والضغط الأمثل الذي يُفرض على المفصل هو الضغط الذي سيسفر عن أعلى عائد اقتصادي من بيع الهيدروكربونات السائلة والغازية، وهذا المبدأ يسترشد باختيار الضغط التشغيلي، وبالتالي، تهيؤ المفرقعات الإنتاجية، والضغوط المرتفعة تسمح عموماً للسفن الأصغر ولكنها قد تقلل من الاسترداد السائل، بينما تزيد الضغوط من حجم السفن ولكنها يمكن أن تحسن العائد السائل، ويتوقف التوازن الأمثل على قيم المنتجات وتكاليف الضغط.

تجهيز الغازات المكبِّرة

ومع أن نظم فصل الغازات المستخرجة من الفينة يجب أن تعالج المزيجات المعقدة من الهيدروجين والهيدروكربونات الخفيفة وغيرها من المكونات من مختلف وحدات العمليات، ونظرا للطابع المختلط لتصميم العمليات، فإن صعوبة تركيب نظام مركب مركب، وعملية إنتاج متعددة المدخلات لا تزال غير مكتملة، إلى جانب زيادة أساليب الفصل المتاحة وعدد المكونات، وبالنسبة لتوليف سلسلة الفصل لعشرة مسارات وأربعة طرق فصلية(27).

وكانت المخاطر الاقتصادية في تجهيز غازات المصفاة كبيرة، وأدت التقييمات الاقتصادية إلى تحقيق ربح سنوي من الناتج الإجمالي قدره 38.62 × 106 وفترة انتقام تقل عن 4 أشهر، وتنجم هذه الاقتصادات المثيرة للإعجاب عن استعادة الهيدروجين والهيدروكربونات الخفيفة القيمة التي ستحرق لولا ذلك كغاز للوقود، وتبرر فترة السداد القصيرة الاستثمار الرأسمالي الكبير في معدات الفصل المستقرة على الوجه السليم.

وقد اكتسب فصل الخماسي زيادة في تطبيقه في تجهيز الغازات الصقلية نظرا لقدرته على معالجة التكوينات المتغيرة لتغذية الأغذية ومعدلات التدفق دون تدهور كبير في الأداء، ويشمل وضع نظم الغشاء تحديد المنطقة المطلوبة من الكيمبرانية، التي تعتمد على تكوين التغذية والنقاء المرغوب فيه والانتقائية والنباتية، وتوازن التكاليف النابعة من الاستهلاك الاقتصادي مع تآكل الطاقة واسترداد المنتجات.

تطبيقات العزل البتروكيميائي

وتستخدم المجمعات البتروكيميائية عدة أعمدة للتحلل لفصل اللولفينات والروميات وغيرها من المنتجات القيمة، وكثيرا ما تمثل هذه الأعمدة أكبر الاستثمارات الرأسمالية وأعلى المستهلكين للطاقة في المرفق، مما يجعل الاقتصاد في حالة حرجة بشكل خاص، فالقسامات التي تفصل بين البرولين والبروبين، مثلا، تتطلب أعمدة طويلة جدا ذات مراحل عديدة بسبب تقلب نسبي منخفض بين هذه المكونات.

ويشمل تحقيق الحد الأمثل اقتصاديا لهذه الانفصالات الصعبة المفاضلة المتأنية بين ارتفاع العمود )عدد المراحل(، والمقياس )قدرة الغاز(، ونسبة التدفق )استهلاك الطاقة(، والضغط التشغيلي، وارتفاع الضغوط يزيد من التقلب النسبي قليلا، ولكنه يزيد أيضا من كثافة البواب، مما قد يسمح بأعمدة قطرية أصغر، غير أن الضغوط المرتفعة تزيد أيضا من تكاليف الضغط وقد تتطلب جدرانا أكثر سميكة وأكثر تكلفة.

عموماً، تصميم الفصل الأمثل يتم عن طريق التجربة والخطأ، يعني أن الحساب سيتم بالنسبة لعدد من نسبة إل/ دي (الطول إلى قطر) ثم بعد حساب سميكة القصف، يتم تقدير السعر النهائي (بما في ذلك المواد والتشييد) لكل نسبة من الحرف L/D، وأخيراً، فإن التصميم الأمثل للمفصل الرأسي هو الذي له أدنى سعر ودنيا من متطلبات الحيز المكاني.

الاعتبارات البيئية والاستدامة

كفاءة الطاقة ورسم الخرائط

فالأنظمة البيئية والتزامات استدامة الشركات تؤثر بشكل متزايد على قرارات وحدة الفصل، فالتصميمات الفعالة من حيث الطاقة التي تقلل من انبعاثات غازات الدفيئة إلى أدنى حد ممكن قد تبرر ارتفاع تكاليف رأس المال، لا سيما في المناطق التي بها تسعير الكربون أو حدود الانبعاثات الصارمة، ويجب أن يُحسب حجم الاقتصاد الآن لتكاليف انبعاثات الكربون على مدى عمر المعدات، وليس فقط تكاليف الطاقة المباشرة.

ويزداد أهمية تكامل الحرارة واستعادة الطاقة عند النظر في تكاليف الكربون، إذ أن التصميمات التي تزيد إلى أقصى حد من الانتعاش الحراري بين مسارات العمليات أو تستخدم حرارة النفايات تقلل من تكاليف الطاقة وانبعاثات الكربون، ويجب أن تُقيَّم التكلفة الرأسمالية الإضافية للعوامل المبادِلة الحرارية وتعقيد التكامل على أساس الفوائد المشتركة لخفض استهلاك الطاقة وانخفاض البصمة الكربونية.

وقد تصبح تكنولوجيات الفصل البديلة ذات الاستهلاك المنخفض للطاقة جذابة اقتصاديا عندما تدرج تكاليف الكربون، وقد تختلف عمليات فصل الزئبق، أو عمليات الاستيعاب، أو النظم الهجينة التي تقلل استهلاك الطاقة مقارنة بالتحلل التقليدي، عن تقييم اقتصادي دقيق في البيئة التنظيمية الحالية، وقد يختلف اختيار التكنولوجيا الأمثل وحجمها اختلافا كبيرا عندما يتم حساب التكاليف البيئية على النحو الصحيح.

الحد من النفايات والاقتصاد العلماني

إن تركيبة وحدة الفصل تؤثر على توليد النفايات وتكاليف التخلص منها، وقد تولد وحدات زائدة الحجم المزيد من النفايات أثناء التنظيف والصيانة، بينما قد ينتج عن الوحدات التي تعمل بأقصى طاقتها منتجات غير محددة تحتاج إلى إعادة المعالجة أو التخلص منها، وينبغي أن يقلل الحجم الأمثل اقتصاديا من توليد النفايات على مدى عمر المعدات.

وتشجع مبادئ الاقتصاد العلماني تصميم نظم الفصل التي تيسر استرداد المواد وإعادة تدويرها، ويمكن أن تقوم المعدات المصممة لمعالجة التكوينات والعناصر المتغيرة للتغذية، إلى جانب المواد الوسيطة العذرية، ودعم مبادرات الاقتصاد الدائري، وقد تبرر المرونة في تجهيز مختلف المواد الغذائية وجود معدات فصل أكبر قليلا أو أكثر تطورا مما هو أفضل بالنسبة للتغذية البكر وحدها.

وتكتسب اعتبارات نهاية العمر أهمية في تصميم المعدات واتخاذ القرارات المتعلقة بتصنيفها، إذ أن وحدات الفصل التي تصمم من أجل سهولة التعافي من التناقضات والمواد في أهداف الاستدامة في نهاية العمر قد تقلل من تكاليف التخلص النهائية، وفي حين أن لهذه الاعتبارات أثراً ضئيلاً على التخصيب الأمثل، فإنها تؤثر على اختيار المواد وتفاصيل التصميم التي تؤثر على تكاليف دورة الحياة الإجمالية.

التنفيذ والجوانب التنفيذية

النظر في التكليف والبدء

ويجب أن يحسب الحجم الاقتصادي للمعدات الفاصلة تكاليف التكليف والبدء، التي يمكن أن تكون كبيرة بالنسبة للوحدات الكبيرة أو المعقدة، وتتطلب المعدات الأكبر عموما إجراءات أكثر شمولا للتكليف، وأطول فترات بدء التشغيل، وكميات أكبر من سوائل التكليف، وينبغي إدراج هذه التكاليف غير المتكررة في التقييمات الاقتصادية، ولا سيما بالنسبة للمشاريع التي لها جداول زمنية ضيقة أو ميزانيات محدودة للتكليف.

فالمعدات التي تُستخدم بها هوامش كافية ومرونة تشغيلية عادة ما تكون أكثر سلاسة من الوحدات المصممة على حافة الجدوى، ويمكن أن تتجاوز تكلفة تمديد العمل بسبب نقص المعدات أو عدم كفاية هوامش الاستثمار في رأس المال من الحد الأدنى من الحجم، وقد يثبت أن التحديد المحافظ الذي يضمن بدء التشغيل والتشغيل الموثوق به أكثر اقتصادا على الرغم من ارتفاع تكاليف رأس المال الأولية.

وتتيح الوحدات المتنقلة أو التي تعمل بالمنازل مزايا أثناء التكليف بالسماح بإجراء اختبارات للمصانع قبل الشحن إلى الموقع، وفي حين أن التشييد النموذجي قد يفرض قيودا على الحجم، فإن انخفاض مخاطر التكليف وقصر فترة تركيب المواقع يمكن أن يوفر فوائد اقتصادية تعوض أي تنازلات في الأداء عن قيود الحجم.

الصيانة والاعتماد

إن متطلبات الصيانة والاعتبارات الموثوقة تؤثر تأثيرا كبيرا على اقتصاديات دورة الحياة في المعدات الفاصلة، وقد تحتاج الوحدات الأكبر حجما إلى إجراءات صيانة أوسع نطاقا، ولكن لا تفشل بالضرورة أكثر من الوحدات الأصغر حجما، والعلاقة بين تكاليف الحجم والصيانة معقدة وتتوقف على نوع المعدات وظروف التشغيل واستراتيجيات الصيانة.

وينبغي النظر في إمكانية الوصول إلى التفتيش والصيانة أثناء التوسيع، حيث أن المعدات المصممة بموانئ الدخول المناسبة، والمنصات، وعمليات التطهير تيسر الصيانة وتخفض وقت التعطل، وتُعد التكلفة الإضافية لملامح التصميم الملائمة للنفقة عادة ضئيلة بالمقارنة مع الوفورات الناجمة عن تقليص وقت الصيانة وتحسين الموثوقية.

وتؤثر استراتيجيات إعادة التوحيد والقدرة الاحتياطية على اتخاذ قرارات التعبئة المثلى، إذ إن مجموع وحدتين أصغر حجما بدلا من وحدة كبيرة توفر فائضا وتسمح باستمرار العمل أثناء الصيانة، ولكن بتكلفة رأسمالية أعلى، وتتوقف المفاضلة الاقتصادية على تكلفة خسائر الإنتاج أثناء فترات التعطل، وموثوقية المعدات، وتواتر الصيانة المطلوبة.

نظم الرصد والمراقبة

إن نظم الرصد والمراقبة المتقدمة تتيح للمعدات الفاصلة العمل على نحو أوثق مع الظروف المثلى عبر مجموعة أوسع من الظروف الغذائية، ويجب أن تُقيَّم تكلفة نظم الأجهزة والمراقبة المتطورة على نحو يضاهي فوائد تحسين الأداء والقدرة على استخدام المعدات الأصغر عن طريق الحد من هوامش الأمان المطلوبة.

ويمكن أن تستخرج نظم الاستخدام الأمثل في الوقت الحقيقي التي تكيف باستمرار ظروف التشغيل استنادا إلى خصائص التغذية الحالية ومتطلبات المنتجات أقصى قيمة من المعدات الفاصلة، وقد تبرر هذه النظم تشكيلات أكثر تعقيدا أو أكبر من المعدات التي تتيح قدرا أكبر من المرونة التشغيلية والإمكانيات المثلى.

ويمكن أن تؤدي نظم الصيانة الافتراضية التي تستخدم أجهزة الاستشعار والمحللين المتقدمة إلى خفض وقت التعطل غير المخطط له وتوسيع نطاق حياة المعدات، وقد تبرر القيمة الاقتصادية لتحسين الموثوقية زيادة الاستثمار في رأس المال في نظم الرصد، وقد تؤثر على الاستخدام الأمثل للمعدات عن طريق تقليل الحاجة إلى هوامش التصميم المحافظة.

الاستنتاج وأفضل الممارسات

ويتطلب حساب الحجم الاقتصادي للوحدات الفاصلة في العمليات البتروكيميائية نهجا شاملا يوازن بين تكاليف رأس المال ومصروفات التشغيل ومتطلبات الأداء والقيود العملية، والحجم الأمثل ليس مجرد أصغر وحدة تستوفي المواصفات أو أكبر وحدة تناسب الميزانية، بل هو الشكل الذي يزيد القيمة الاقتصادية على مدى عمر تشغيل المعدات.

وتتابع مشاريع التخزين الناجحة عدة ممارسات من أفضل الممارسات، أولا، تحدد بوضوح متطلبات العملية والقيود التي تعترضها قبل البدء في أعمال التصميم التفصيلية، وتفضي المواصفات الضخمة أو المتغيرة إلى تصميمات دون المستوى الأمثل وإدخال تعديلات باهظة التكلفة، ثانيا، استخدام الأدوات والأساليب الملائمة لمحاكاة التصميم التدريجي من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل التفصيلي، وطرق الفرز الأولية، وتقنيات التقييم الاقتصادي التي تُحسب للقيمة الزمنية للمال.

ثالثا، النظر في النطاق الكامل لظروف التشغيل، ليس فقط نقطة التصميم، فالمعدات التي تؤدي أداء جيدا فقط في ظروف اسمية ولكنها تعاني من التحول أو القدرة على بلوغ الذروة قد تكون أقل اقتصادا من التصميمات الأكثر مرونة، رابعا، تمثل عدم اليقين في خصائص التغذية، وأسعار المنتجات، وتكاليف الطاقة، وغيرها من البارامترات الاقتصادية من خلال تحليل الحساسية أو الأساليب المحتملة.

خامسا، دمج وحدة الفصل في العمليات مع تحسين العمليات عموما بدلا من تحسين الوحدات في عزلة إلى الحد الأمثل، وكثيرا ما تهيمن التفاعلات بين المعدات الانفصالية ووحدات العمليات الأخرى على الاقتصاد العام.

وأخيرا، إدراكا منها أن التخمين الاقتصادي ينطوي على الحكم والخبرة، فضلا عن الحساب، إذ أن أفضل الممارسات في مجال تصميم المواد التراكمية والصناعة تعكس المعرفة المتراكمة بشأن ما يعمل في الممارسة العملية، وفي حين أن الخوارزميات وأدوات المحاكاة المثلى توفر أفكارا قيمة، فإن المهندسين ذوي الخبرة يجب أن يترجموا النتائج في ضوء الاعتبارات العملية، والقيود المحددة للمواقع، وأهداف الشركات.

ولا يزال مجال تكنولوجيا الفصل يتطور مع مواد جديدة، وتصميمات مبتكرة للمعدات، واستراتيجيات رقابة متقدمة، وينبغي للمهندسين المعنيين بتجهيز معدات الفصل أن يظلوا على حالهم مع التطورات التكنولوجية وأن يكونوا مستعدين لتقييم النهج الجديدة التي قد توفر مزايا اقتصادية على التصميمات التقليدية، وقد لا يظل الحجم الاقتصادي الأمثل اليوم مع تقدم التكنولوجيات وتغير الظروف الاقتصادية.

For further information on separation processes and equipment design, valuable resources include the American Institute of Chemical Engineers (AIChE), which provides technical publications and professional development opportunities, and the Chemical Engineering magazine, which regularly features articles on separation technology and process optimization.