CFD Application in Oil, Gas and Petrochemical Industries
صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، همانطور که از اسمشان پیداست مبتنی بر نفت، گاز و مشتقات آن‌ها بنا شده‌اند و سیالات (میعانات و گازها) و جریان آن‌ها مهمترین موضوع این صنایع هستند. اصطلاحا گستره کاربرد CFD در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از چاه تا چرخ (From well to wheel) است. اکتشاف، استخراج، پالایش و پخش سه مرحله اصلی در صنعت نفت و گاز است. بنابراین در حوزه‌های مطالعه و اکتشاف، حفاری و استخراج (drilling and completion)، تضمین جریان (flow assurance)، بهبود استخراج نفت (Enhanced Oil Recovery)، سازه‌های دریایی و زیر دریایی (Offshore and Sub-sea Structure). ایمنی (از آتش، انفجار، انتشار گازهای سمی و …)، لوله کشی، انتقال و ذخیره سازی (Piping، Transport و Storage)، فرآیند و پالایش (Refining and Processing)، فرمولاسیون سوخت (Fuel Formulation)، ماشین‌های الکتریکی، سنسورها و تجهیزات و بطور کلی هر حوزه‌ای در این سه مرحله که در برگیرنده هر نوع سیالی از جمله نفت، گاز و یا مشتقات آن‌ها باشد، می‌توان از CFD برای مطالعه، تحلیل و شبیه سازی استفاده نمود.
استخراج نفت (سکوها و چاه‌های نفت)
در ابنیه استخراج نفت که عموما بصورت سازه‌های فلزی در دریا و خشکی می‌باشند از روش‌های CFD می‌توان در مسائل زیر بهره برد:
-بارگذاری دقیق نیروهای بار وارد بر سازه‌ها
-بررسی اثرات امواج بر سازه‌ها
-محاسبه بارهای آئرو-هیدرو دینامیکی شدید ناشی از طوفان (باد و امواج) و بررسی اثرات مقصد باد (Wind Heading)
-شبیه سازی آزادسازی حجم سنگین گازهای هیدروکربن و مایعات در داخل پایه‌های سکوهای دریایی (Offshore Platforms)
-شبیه سازی و بررسی روش‌های ریکاوری مثل ریکاوری حرارتی، تزریق شیمیایی، تزریق آب، تزریق CO2 بمنظور بهبود استخراج نفت از چاه
-شبیه سازی و محاسبه پروفیل و رفتار جریان و نیروهای آئروهیدرودینامیکی در اطراف باند فرود بالگردها
-جانمایی بهینه باند فرود بالگردها از لحاظ کاهش آشفتگی متأثر از تأسیسات سکوها
-بررسی سرعت‌های بحرانی باد در جهت‌های مختلف برای نشست و برخاست بالگردها
-اندرکنش امواج با سازه‌های شناور و شبیه سازی شش درجه آزادی سکوهای متحرک
-بررسی خوردگی‌های ناشی از نمک و ذرات گرد و غبار بر سازه‌ها
-ارزیابی عملکرد مشعل برای سوخت‌ها و سرعت‌های باد متفاوت
-پیش‌بینی زبانه کشیدن ناگهانی آتش و. پیشنهاد راه‌کارهای مناسب برای پرهیز از آن
-بهینه سازی شکل ظاهری مشعل برای رسیدن به بیشترین راندمان احتراق
-کمک به طراجی و جانمایی سیستم‌های پشتیبان مشعل
-بررسی و مطالعه انتقال حرارت ناشی از مشعل روشن بویژه انتقال حرارت تابشی
جریان‌های واکنشگر، چند فازی، آشفته و ناپایا عمده‌ترین جریان‌های حاکم بر مسائل فوق هستند و خوشبختانه نرم افزارهای موجود CFD توانایی شبیه سازی و حل این مسائل را با دقت بسیار خوبی دارا هستند.
انتقال و توزیع
سیستم‌های انتقال و توزیع شامل ناوگان‌های دریایی (نفتکشها)، زمینی (کامیون‌های حامل تانکرها)، لوله‌ها، ایستگاه‌های تقویت فشار و همینطور پایانه‌های فشار شکن می‌باشد. کیفیت و تضمین ارسال مایعات و گازها در این سیستم‌ها تحت عنوان تضمین جریان (flow assurance) بسیار مورد توجه است. مهمترین مسائل سیالاتی مطرح در این حوزه از قرار زیر است:
-محاسبه ضرایب نیروها و ممان‌های آئرو-هیدرودینامیکی وارد بر نفتکشها
-بررسی اثرات تلاطم نفت و میعانات در مخازن ناوگان‌های دریایی و هوایی
-بهینه سازی طراحی مخازن متحرک
-بررسی اثرات جریان‌های عمقی روی لوله‌های نفت واقع در بستر دریا
-مطالعه و بررسی ساختار و اثرات سیلابه/لجن (Slug) در لوله‌ها
-شبیه سازی و ارزیابی یونیت‌های سیلابه/لجن گیر (Slug Catcher).
-شبیه سازی تشکیل و انتقال شن‌های رسوب کرده در کف لوله‌ها، گوشه‌ها یا کناره دیواره‌ها و غیره
-بررسی و کاهش افت فشار در مسیر انتقال و توزیع
-بررسی خوردگی در لوله‌ها و مسیرهای انتقال
-ارزیابی ایستگاه‌های تقویت فشار و یا فشار شکن بوسیله شبیه سازی جریان
پالایش و پتروشیمی
در تمامی واحدهای پالایش و پتروشیمی CFD می‌تواند نقش بسیار مؤثر و انکار ناپذیری بازی کند. موارد زیر به عنوان بارزترین مثال‌های امکان استفاده از CFD در واحدهای مختلف می‌باشد:
-واحد تقطیر نفت خام با شبیه سازی تفکیک جزئ به جزئ نفت خام در فشار جو و با در نظر گرفتن جریان‌های آشفته چند فازی
-واحد تبدیل کاتالیستی به منظور تبدیل نفتا به بنزین موتور با شبیه سازی عمل ایزومراسیون
-واحد شبکست هیدروژنی با شبیه سازی سولفور زدایی (Desulfurization)، نیتروژن زدایی (Denitrification)، اکسیژن زدایی، اشباع سازی آروماتیک‌ها، هالوژن زدایی و …
-واحد شکست کاتالیستی با شبیه سازی کنش‌ها و واکنش‌های شکست کک بر کاتالیست و شبیه‌سازی جریان همراه با گونه‌های شیمیایی و واکنشگر در سه بخش خوراک، راکتور و احیاء و در سه بستر ثابت، متحرک و سیال
-واحد کاهش گرانروی با شبیه سازی اتان زدایی، پروپان زدایی و بوتان زدایی در برج‌های مرتبط و البته شبیه سازی سودای تند (Caustic Soda) جهت شستشوی گاز مایع
-شبیه سازی جریان‌های چندفازی واکنشگر در واحدهای تصفیه نفتای سنگین با هیدروژن (Heavy Naphtha Treating)، تصفیه نفتای سبک با هیدروژن (Light Naphtha Treating)، واحد تصفیه گاز با هیدروژن (Gas Oil HDS) و واحد تهیه گوگرد
-واحد تصفیه گاز با آمین (Amine Treating) با شبیه سازی جذب سولفید هیدروژن و دی‌اکسید کربن و دیگر ناخالصی‌های گازی با استفاده از حلال‌هایی مثل منو اتانل آمین، دی اتانل آمین و …
-بررسی و مطالعه عملکرد کاتالیزورهای همگن و کاتالیزورهای ناهمگن(کاتالیست‌ها)
-بررسی و مطالعه عملکرد کاتالیست‌های مختلف فلزی، عایق و نیمه هادی
تجهیزات صنایع نفت و گاز و پتروشیمی
عملکرد و عمر تجهیزات نفت و گاز و صنایع وابسته مثل رگولاتورها، شیرها، پمپ‌ها، میکسرها، جداکننده‌ها، مشعل‌ها و بسیاری موارد دیگر از نقطه نظر بهبود افت فشار، کمینه‌سازی کاویتاسیون، تنش‌های حرارتی، خوردگی بوسیله تحلیل‌های پارامتریک و بهبود طراحی، هدف همیشگی پیشگامان این صنایع می‌باشد و CFD هم یکی از ابزارهای مناسب انجام این کار است. موارد زیر از جمله مسائلی هستند که با استفاده از CFD قابل بررسی، مطالعه و شبیه‌سازی می‌باشند.
-تحلیل کلیه تنش‌های سازه‌ای و خستگی در تمامی ماشین‌آلات، لوله‌ها و مجاری تحت فشار و یا کاویتاسیون ناشی از جریان‌های چندفازی
-شبیه سازی و بررسی شرایط عملیاتی، انتخاب مکان تغذیه، سرعت ایمپلرها، اختلاط (Blending)، سوسپانسیون (Suspension)، واکنش‌های جریان‌های چند فازی در میکسرها
-بهینه‌سازی هندسی و چیدمانی اجزا میکسرها و محاسبه نیروهای وارده روی ایمپلرها
-بهینه سازی طراحی تانک جداساز تلاطم (Sloshing Separator Tank)
-تقریب نیروهای هیدرودینامیکی ناشی از تلاطم و محاسبات شش درجه آزادی
-ارزیابی میرایی (Damping) و عملکرد بافل‌ها و آبگیرها (Coalescers)
-بهینه سازی شکل و موقعیت وروردی و خروجی‌ها و عملکرد هریک از جدا کننده‌های گاز در بالا دست.
-بهینه سازی طراحی تانک جدا کننده مایع-مایع
-چیدمانی بهینه بافل‌ها در بهبود جداسازی مایعات (جداسازی نفت از آب)
-بررسی اثرات شرائط کارکردی مثل فشار و دبی ورودی، کسر حجمی هر یک از مایعات، قطرهای ورودی و خروجی
-عیب‌یابی و بهینه‌سازی هیدروسیکلون‌ها (Hydrocyclones)
-طراحی شکل ورودی و هندسیه جداکننده‌ها برای سرعت‌های زاویه‌ای بالا
-ارزیابی راندمان جداسازی هیدرو سیکلونها برای میکس‌های مختلف آب به نفت و نفت به آب
-جانمایی بهینه دریچه سرریز هیدروسیکلون (Vortex Finder)
-توسعه جداکننده‌های چندمرحله‌ای (Multi-Stage Separator) یا چند تایی (Collection of Separatores).
-بررسی عملکرد مراحل مختلف جداکننده‌ها بصورت جداگانه و یا بعد از مونتاژ
-کاهش خوردگی، افزایش بازدهی و تعیین دامنه ناپایداری دستگاه‌ها
-طراحی بهینه برای بارگذاری ذرات مختلف
-محاسبه جرم، قطر و میزان بارگذاری ذرات مختلف همراه با مشخصه‌های جریان و افت فشار
-عیب‌یابی و بهینه سازی مبدل‌های حرارتی
-بررسی رفتار جریان در بخش‌های مختلف مبدل‌های حرارتی از جمله خنک کننده‌ها، مبدل‌ها، دیگ‌های بخار، هیترها، کندانسورها، چیلرها و …
-ارزیابی راندمان مبدل‌های حرارتی
-بررسی و مطالعه رسوب و جرم‌گرفتگی (Fouling) و تأثیر آن بر توزیع نامناسب حرارت
-انتخاب نوع و اندازه مبدل‌های حرارتی
-کمک به طراحی سازه‌ای و حرارتی لوله‌ها و بافل‌ها با استفاده از داده‌های توزیع فشار و دما
ایمنی و کاهش آلایندگی
مهمترین مسائل ایمنی و زیست محیطی قابل مطالعه توسط CFD عبارتند از:
-بررسی و مطالعه تشکیل و ساختار ابرهای گازهای قابل اشتعال یا سمی
-تعیین و پیش‌بینی زمان، مکان و سطح تمرکز گاز
-شبیه‌سازی انفجار و پیش‌بینی پروفیل انتشار آتش
-شبیه‌سازی گسترش حریق و اطفاء آن
-اندرکنش امواج انفجار با سازه‌ها
-شبیه سازی عملیات‌های هلی‌برد و نجات هوایی
-تعیین و تشخیص کیفیت گردش (Ventilation) در تقلیل تمرکز گازهای قابل اشتعال و یا هدایت گازهای سمی
-بررسی افزایش احتمالی ترکیبات قابل اشتعال در یک میدان و بروزی جرقه‌های احتمالی ناشی از بی‌احتیاطی و یا کار کردن کارگران با ماشین‌آلات.
-شبیه سازی و مطالعه خروجی بهینه ستون دود خروجی از دودکش‌ها
-بهینه‌سازی سیستم‌های دودکش سکوها، نفتکشها و …
ابنیه و تأسیسات
تهویه ساختمان‌ها، تجهیزات تهویه مطبوع، پایپینگ‌های مختلف، حوضچه‌های متفاوت، مخازن بسیار بزرگ و موارد دیگر از مسائلی هستند که جریان انواع سیال را در خود دارند و با کمک CFD می‌توان به بینش و دوراندیشی بسیار بهتری نسبت به رفتار و عملکرد آن‌ها دست یافت.
-شبیه سازی گردش جریان هوا در کانال‌ها، لوله‌ها، ساختمان‌ها و برای بررسی افت فشار، میزان سرعت و عدم گردش مناسب هوا در بخش‌های مختلف
-کاهش مصرف انرژی با طراحی بهینه پایپینگ‌ها و مجراها
-انتخاب بهینه تجهیزات تهویه مطبوع با بررسی سریع‌تر و جامع‌تر عملکرد انواع مختلف آن‌ها
-شبیه‌سازی جریان و محاسبه فشار و سرعت پرشدن حوضچه‌ها و استخرهای مختلف
-کمک به بهینه سازی طراحی ویرباکس‌ها (Weir boxes)
-شبیه سازی لایروبی و تخلیه مخازن و حوضچه‌ها
-بررسی اثرات رطوبت، گرد و غبار و خوردگی بر ساختمان‌ها و برج‌ها